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能源新闻监测

白氢的阴暗面

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Bubbles. Envato Elements. JZEKF29YT6

Aenert news. Energy resources and infrastructure
从地球内部提取天然氢如今被认为是可再生能源中非常有前途的领域。氢有望解决广泛的工业和环境问题,包括能源储存和减少重型运输的排放。最初的想法非常简单:利用太阳能站或风力发电机产生的电力通过电解生产绿色氢气,将氢气以压缩或液化状态储存所需的时间,将其运输到消费地点,然后将其转化回使用燃料电池产生电能或在特殊锅炉或涡轮机中燃烧以产生热能。
一切看起来都很合乎逻辑,人们认为现有的障碍将得到成功解决。然而,电解成本高或运输氢的技术困难等问题尚未使其达到商业使用的水平。和以前一样,通过甲烷高温重整获得的氢气(灰氢)在商业上看起来更便宜,而且就满足工业需求的产量而言也是现实的。但这里的问题有所不同,它与化石燃料的使用和严重的二氧化碳排放有关。然而,即使使用CO2掩埋,这种氢气(蓝色)仍然无法与来自可再生能源的绿色氢气竞争。氢市场(商人),例如,在美国墨西哥湾沿岸,为了满足炼油(包括管道运输氢)的需要,建立了一批独立的氢生产商。
IEA统计,2022年全球产量约为95 Mt H2,其中化石燃料占83%(甲烷、煤炭)。另外 16% 作为副产品的一部分被接收。显然,此类技术不能满足强硬的气候变化倡导者的理想要求。然而,电解仅占制氢总量的0.1%,另外0.6%的情况使用2那些环保先进的制氢技术的推广迄今为止遇到了难以克服的障碍。在这种情况下,天然氢或白氢似乎是所有利益相关者最可接受的解决方案。

长期以来,地壳中存在白色氢的唯一明显例子是马里的 Bourakébougou小村庄早在上世纪八十年代末,钻探人员在钻探水井时偶然发现了一股几乎纯净的氢气流。这些氢气后来通过发电机用于发电。因此,首次组织了一项利用天然氢生产能源的技术计划,年产氢约 5 吨(98% 氢、1% 甲烷和 1% 氮),而且在任何地方都没有达到如此高的水平。发达国家,但在非洲,远非能源之乐。迄今为止,该地区已钻探并测试了 13 口含氢井,覆盖面积为 5 × 5 公里。
后来,美国、澳大利亚、阿尔巴尼亚、西班牙、阿曼、法国和其他一些国家出现了更多存在地下白氢储备的证据。如今,已有数十家初创公司积极参与试探,知名投资者也纷纷介入。
美国初创公司Koloma去年从比尔盖茨的Breakthrough Energy Ventures等基金筹集了 9100 万美元。天然氢能源在内布拉斯加州钻探一口勘探井。 “实现商业化生产需要几年时间,”首席执行官 Viacheslav Zgonnik 说。 Australian Gold Hydrogen根据近一个世纪前的地质数据,于 2023 年进行了钻探作业,发现了纯度高达 86% 的氢气流,以及纯度高达 6.8% 的氦气。另一家澳大利亚公司Hy Terra正在尝试在美国堪萨斯州实施 Nemaha 项目。在这一领域的最新进展中,值得一提的是在阿尔巴尼亚的铬铁矿矿

发现了自发的氢气流。然而,这些搜寻最重要的结果是去年在法国东南部洛林地区发现了氢矿床。在这里,地质学家在一个古老的煤区寻找煤层气时,发现了地下​​蕴藏着巨大的氢气,其储量估计为 4600 万吨。从1100-1250米深处提取的气体中氢气的百分比为15-20%。当然,所有这些信息都需要详细核实和定性评估。无论如何,这一事件不仅仅是一个有价值的事实;也许它将成为对这个问题的态度的严重催化剂。这可能会导致新的研究人员、钻探人员和投资者以及石油和天然气公司大量涌入,以形成白氢生产技术的基础。这一过程的另一个动力是对世界天然氢储量的乐观估计,该估计仍处于初步水平。因此,据英国《金融时报》报道
美国地质调查局研究地质学家杰弗里·埃利斯报告称,世界各地的地下水库蕴藏着约5万亿吨氢气。即使只能开采这些储量的一小部分,这也是一个巨大的数字。

如何以及在哪里找到天然氢

迄今为止,天然氢的成功发现是偶然、运气的结果,或者充其量是专业直觉的结果。目前还没有关于天然氢地质分布的详细且公认的科学方法。事实上,目前还没有可靠且经过验证的工具来实际评估含氢地质结构。这一切都在发展中。当然,还有一般的想法、概念和预测。
根据一种版本,在蛇纹石化过程中可能形成氢气。该过程基于基性岩石在热水溶液的影响下发生水合作用。特别是由橄榄石(Mg 2 SiO 4、Fe 2 SiO 4)组成的超镁铁质岩石,具有与水反应的强烈倾向。在这种情况下,例如,含铁橄榄石在这种相互作用过程中根据以下机制形成游离氢:



Forsterite, an olivine mineral. Groundwater interacting with olivine can result in hydrogen building up in the surrounding rock layers.
Public Domain. Image and specimen from Smithsonian National Museum of Natural. Source:
USGS

C范围内。显然,此类系统中的氢气产量将取决于活性岩石的数量。氢流向地表的情况很大程度上也取决于地壳近地表层的渗透性。因此,地质岩石中含铁橄榄石与热水的结合可以作为游离氢存在的重要标志。然而,正如《分子氢通过阿曼北部西哈吉尔山脉的扩散流》一书中所示,在结构上位于蛇纹岩下方的地质构造中也发现了氢流。形成天然氢的另一种选择是基于水辐射分解过程。由于铀、钍等的放射性衰变,产生能量导致辐射分解,即水分解成氧和氢分子。研究人员表示,产生的分子氢量与充满水的岩石基质的孔隙率成正比。在这样的模型中,如果存在氢,则也应该存在氧,但这一点尚未得到证实。

形成天然氢的其他选择包括生物过程以及火山反应和水热过程。在第一种情况下,假设氢气是由有机物质(主要是天然气)通过生物活动形成的,例如通过发酵、厌氧分解等。

最大量的氢属于深层氢。这通过氢气浓度随着钻探深度的增加而增加而间接证实。尤其是法国洛林地区的研究人员报告了这一点。因此,在大约 1100 米的深度处,氢气浓度为 15%,在 1250 米的深度处,氢浓度为 20%。研究人员称,在 3000 米深处,预计浓度接近 100%。也许这个选项是最难理解的,因此引起很多争议。
较少提及的是形成氢的其他选择,特别是水与最近暴露的岩石的接触、有机物质积累的分解以及矿物质中氢氧根离子的释放。 Natural Hydrogen Energy LLC 网站提供了以下一些国家检测到的天然氢水平的示例: 土耳其 - 12% H 2;冰岛 – 24% H 2;日本 51% H 2;阿曼 82% H 2 ;美国 96% H 2

当前创建有效且令人信服的系统来估计地质地层氢含量的挑战很大程度上是由于历史上在钻探井气体分析中忽视了氢识别。这是由于缺乏足够的气体分析仪以及氢核算问题本身缺乏表述造成的。
例如,《天然氢的存在与地球科学:综合综述》提供了以下数据:“美国地质调查局(USGS)能源地球化学数据库(EGDB)包含来自世界各地的103,000条气体样本记录,其中只有8例氢检测到的浓度>10%。”

也许,扩大研究并澄清特定含氢地层的状态将使通过与石油和天然气生产中的地质模型类比来创建实用的地质图成为可能。当然,在这种情况下,地震、重力或电磁方法勘探油气田肯定会有用。但无论如何,都需要用于测量地下层中气体的新的特定方法和仪器,例如氢气探头,它是用于测量和分析深井中溶解气体的独特光谱仪。

在这里,识别和系统化伴随氢存在的自然迹象列表也非常重要。其中一些可能采取非常规的方法。例如,美国地质调查局(USGS)正在基于氢气和稀有气体之间关联的假设来开发氢气勘探方法。 Natural Hydrogen Energy LLC、Gold Hydrogen 和 Hy Terra 使用类似的方法,通过钻探寻找氢和氦的积累。

《与俄罗斯欧洲克拉通地表圆形凹陷相关的天然分子氢渗漏》一书指出,“……在欧洲克拉通的俄罗斯部分,有数千个直径从一百米到几公里不等的次圆形结构从莫斯科到哈萨克斯坦的整个地区都发现了这种病毒。一般来说,这些结构对应于较小的形态凹陷”。
地热盐水和有色金属矿中存在大量氢特征的证据。

下面是美国地质勘探局的解释图,直观地总结了目前对天然氢的认识。





How hydrogen forms underground. Public Domain. Image courtesy of Science. Source: USGS

地质调查局 根据分析,我们可以得出结论,大多数研究人员和钻井公司依赖于含铁橄榄石与热水相互作用而形成的氢模型,例如主要的研究工具是现代气体分析仪,
但总体情况可以用美国能源部一位主管的话来概括:“他们现在正在随意钻探。 ”。

氢的用途

似乎是一个反问句,但首先,氢一直被认为是一种可再生、取之不尽、用之不竭的环境完美资源,可以燃烧氢来产生热能并用作能源。此外,长期以来,氢一直被视为储存可再生能源的一种手段,但除了在能源领域的大规模使用外,氢在能源领域的实际效果非常有限。炼油以去除原油或石油产品中的硫。
顺便记住,氢气燃烧的质量热几乎是甲烷的 2.5 倍。然而,氢气的密度比天然气的密度低8倍以上。因此,氢气燃烧的体积热明显小于甲烷的燃烧体积热。因此,为了实现相同的能量转化率,需要通过运输系统传输大约是甲烷体积三倍的氢气。此外,氢具有所有元素中最小的原子尺寸和非常高的化学反应性。



Hydrogen Tools/ Basic Hydrogen Properties/ https://h2tools.org/hyarc/hydrogen-properties



氢气的燃烧速率高于天然气。氢层流火焰的传播速度比天然气高10倍。氢气具有较低的火焰活化能。这些以及其他几个参数证明了氢气相对于天然气的巨大优势,但很少有人提到这些相同的指标也会引起严重的问题。因此,当纯氢与大多数金属相互作用时,会发生氢脆。燃烧氢气时,火焰可能会向上游传播(回火),并有可能发生自燃。

至于氢的环境效益,目前也并非一切都清楚。例如,当燃烧氢气作为甲烷混合物的一部分时,当氢气浓度超过20%时, CO 2排放量可减少10%,只有当混合物中氢气浓度为20%以上时,CO 2排放量才能减少50%。已经大约70%了。由于氢气的燃烧温度超过2000 ,极有可能形成氮氧化物,其温室效应比二氧化碳高约300倍。通常,在燃烧技术和燃料电池中使用氢气时,根本没有考虑到主要温室气体——水蒸气的形成严重增加的问题。虽然在《京都议定书》中被排除在核算之外,但在大规模使用氢的情况下,这个问题已经无法被掩盖。

在许多国家,特别是在德国,计划在现有供气系统中使用氢气作为甲烷混合物的一部分(电转气技术)。考虑到氢气的高热值和腐蚀性,其在甲烷混合物中的浓度在大多数情况下限制在5-6%(注入限制)。

使用氢的另一种选择是通过氢的直接燃烧产生热能。因此,锅炉设备领域的领导者之一德国菲斯曼公司,指出 Vitodens 冷凝锅炉可以轻松使用高达 30% 的氢气混合物运行。到 2025 年,该公司计划生产能够 100% 使用氢气运行且不排放二氧化碳的锅炉(氢锅炉)。BDR Thermea Group和许多其他公司正在朝着同一方向前进。没有报道如何解决氮氧化物问题。英国政府更进一步,承诺从2025年起禁止在新住宅中安装化石燃料供暖系统。

燃气轮机中也使用燃烧含氢混合物。通用电气在这方面取得了最大的进步。其GE 7F涡轮机允许在气体混合物中使用高达 65% 的氢气。大约一千台此类涡轮机已在全球 11 个国家成功运行。然而,在这些涡轮机的实际使用中,没有关于气体混合物中氢气百分比的信息。


Silver tanks with smokestacks. Envato Elements. 4ZCUM5AXW9

西门子能源公司推出了SGT-800涡轮机,该涡轮机允许气体混合物中含有高达 75% 的氢气。日本川崎公司成功测试了H 2 Micro Mix燃烧室的示范模式,可燃烧100%氢气(H2 Micro Mix燃烧室)。氮氧化物 (NOx) 排放量不超过 50 ppm (16% vol. O 2 )。 2023 年 4 月,韩国公司Hanwha Impact和 Hanwha Power Systems 与韩国西部电力合作,在同一台 80 MW 级燃气轮机中成功演示了 60% 的氢气混合。然而,在没有任何额外的减排装置的情况下,氮氧化物 (NOx) 排放量被确认低于 9 ppm。早在 12 月,该公司就报告称其涡轮机已成功测试,氢含量为 100%。日本三菱电力公司正在进行类似的氢和甲烷混合燃烧研究。其扩散燃烧技术通过特殊的旋流器初步混合氢气和空气,允许使用氢含量为 30% 的混合物,有望高达 100%。该技术可显着减少氮氧化物的排放。

氢能在能源领域最有前景的方向是燃料电池。燃料电池的主要优点通常包括在固定条件下以及在运输或便携式设备中直接发电的可能性,以及不存在有害排放(不包括水蒸气)。然而,这对氢气的质量提出了更高的要求。此外,热能的生产也很困难。至于燃料电池本身,应该指出的是,它们的功率仍然相对较低且难以操作。

因此,氢显然在能源领域具有广泛的潜在应用。然而,要做到这一点,有必要解决许多困难的工程问题,包括首先开发或选择最佳的氢气生产技术,以及从现有的选项中进行运输和储存。

如何使用天然氢

与目前通过电解或甲烷重整使用氢气的方案不同,当氢气生产接近消费者时,绝大多数情况下不会在消费点产生天然氢。当然,马里的一个非洲小村庄使用天然氢的例子不在此例中。

为了提出在工业规模上使用天然氢的假设方案,必须始终考虑以下因素:

- 产生的天然氢的成分是什么?

这里的参考点大约可以是 5-10%; 10-70%,70%以上。如果提取的混合物中氢气的比例为5-10%,其余为天然气(不包括其他气体),那么这种气体混合物最明显的用途就是将其输送到工业天然气管道。如果气体混合物中的氢气含量在10-70%范围内,则可以在当地锅炉房或火力发电厂中使用该混合物,但需要从气体混合物中提取氢气并进一步使用纯氢气也会有理有据。后一种情况也适用于氢含量高于70%的变体。这些选择中的任何一个都不可避免地需要额外的特定技术和设备。这既适用于气体分离和气体纯化阶段,也适用于氢气混合物特别是纯氢气的储存和运输。
考虑这一点时需要特别考虑的是气体混合物的组成中氦气和其他惰性气体的可能份额的问题。这些昂贵气体的有益利用不容忽视。

- 天然氢的可能产量是多少以及其储量的预测是多少

显然,成功钻探一口氢气井不可能成为工业利益的主题。我们需要发现矿​​床。通常意义上,氢田与传统的油气田有很大不同。也许这将是一个紧凑的区域,只需要放置几口井就足够了。这是因为氢气浓度会随着钻孔深度的增加而大大增加。另一方面,氢释放点可能分布在相对较大的区域,这可能使该领域的开发变得复杂。无论如何,已探明的氢储量及其浓度将成为选择油田开发方案的决定性指标。

- 储存和运输天然氢的选择


首先,有必要考虑消费者相对于已发现的天然氢矿藏的位置。在这种情况下,在已知的选择中,低温技术显然被排除了,因为即使在理论上,在现场液化氢看起来也很成问题。只剩下两个真正的选择了。这是一种储存和运输压缩氢或有机载体氢(LOHC)的技术。此外,如果从地下提取的氢气量有条件充足,那么使用压缩技术可能会更方便(什么是有条件充足的量是一个争论的话题)。压缩氢气可以通过公路从生产现场运输,这是非常困难但可行的,或者通过专门建造的管道,同时解决所有具体的技术和管理问题。


Hydrogen gas transportation concept with truck gas tank trailer. Envato Elements. 47NRVC6TB2

有运行氢气管道的例子,但数量非常有限,而且运行条件与现场的情况有很大不同。当产生的氢气量相对较小或中等时,使用有机载体的技术可能更适合储存和运输氢气。然而,这将需要在油田建造一个加氢装置,并在交付地点建造一个脱氢装置。这将需要额外的成本,但总体而言该方案看起来仍然现实。运输也可以通过公路运输或通过产品管道进行。

真实的地质研究和寻找天然氢的结果

在专业组织中,英国公司Getech提供了相当全面的信息。该公司的方法依靠矿物系统分析来预测地下天然氢沉积物的位置,其行为与矿物或碳氢化合物沉积物非常相似。该工作流程基于了解天然氢系统发展所涉及的遗传因素:将它们分类为来源、迁移路线、储层、圈闭和闸门,就像石油工业几十年来成功所做的那样。 Getech 的内部数据库(包括 Globe、重力和磁力数据存储库)提供数据层和代理,可构成分析过程的基础,使用专有的机器学习/人工智能工作流程和强大的地理空间风险绘图软件(例如 Exploration Analyst)执行分析过程。

在描述地质评估方案时,该公司表示:“......一旦游离的 H 2气体从源岩中释放出来,它就需要迁移到可以收集的地层或结构中。预计迁移主要通过平流发生,平流主要沿着断层和断层发生。结构分析为管道测绘提供了基础,但还必须包括应力场分析,以了解这些断层是“开放”还是“封闭”。还应考虑次要迁移路线,即扩散迁移。当游离H 2渗透多孔沉积岩时就会发生这种情况,类似于氦和氮的扩散迁移。这项评估得到了使用来自 Globe 的 Getech 古地理和古地质数据的补充,对在地质时期被侵蚀形成这些沉积单元的母岩性进行建模,从而使我们能够估计这些地层的孔隙度和渗透率特征。可能还有其他地质因素允许氢以溶解状态(即溶解在地下水中)在地下迁移,而不是与平流扩散相关的气体自由迁移。

此外,该公司还拥有许多国家的广泛地质数据库,其中包括:

- 磁性产品
    大量再处理调查的汇编
    还原至极点和高级处理
    受独立数据约束的综合 G&M 方法的基底/沉积物厚度深度
    完整的国家或地区- 区域包
- 地震产品
    扫描和矢量化的 2D 地震数据
    以 SEG-Y 格式与导航文件一起提供
    井数据还提供 LAS 格式的各种复合测井
    数据 可供审查的样本数据
- 进一步洞察
我们的区域报告提供了对特定碳氢化合物盆地、未勘探地区和前沿地区的地质演化和潜在碳氢化合物前景的市场领先见解


。对白氢的探索正在加速。下面我们提供了一张地图,显示了不同程度地了解白氢存在的国家,以及他们目前参与这一过程的程度。

Natural hydrogen in the world


我们还在这张地图上附有广泛的信息源列表,包括科学文章、营销报告、新闻稿、社交媒体帖子和新闻报道。尽管白色氢追随者的活动正在增长,但对每个人来说真正的节日将是研究人员指出地表下存在氢的确切位置,技术人员在这个地方打井并获得其真实流量的那一天

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  The industrial exploitation of white hydrogen, myth or reality? / Guillaume, Project Manager in Alcimed’s Energy Environment Mobility team in France / Published on 12 January 2024
  White hydrogen can be a game-changer in Colombia's green transition. Here's why / Ricardo Roa Barragán / CEO, Ecopetrol / Jan 16, 2024
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  Natural H2 in Kansas: Deep or shallow origin? / J. Guélard, V. Beaumont, V. Rouchon, F. Guyot, D. Pillot, D. Jézéquel, M. Ader, K. D. Newell, E. Deville / Geochemistry, Geophysics, Geosystems, Volume18, Issue5, Pages 1841-1865    / 03 April 2017 / doi.org/10.1002/2016GC006544
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  The gold hydrogen rush: Does Earth contain near-limitless clean fuel? / By James Dinneen / 31 January 2024

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