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地质氢在未来能源中的潜力
2023/4/20 16:19:00 本站

氢是一种气体,被认为是最清洁的燃料,因为氢气燃烧只会产生热量和纯水。氢目前作为能源的主要用途是火箭燃料,工程师甚至利用它在氢燃料电池中发电,预计它将在未来的能源系统中发挥重要作用。它可能为减少长途飞行和工业供暖等不易电气化的过程的碳足迹提供解决方案。问题是,绝大多数氢气是通过消耗能源并向大气中释放大量二氧化碳的过程使用天然气制造的。

科学家们知道氢是自然产生的,是通过地质过程产生的。利用天然氢资源将消除制造氢气造成的排放问题,因为它不会向大气中释放大量的碳。只有一个问题:关于有多少氢,或者在哪里可能发现氢,这几乎没有科学信息。

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(氢燃料电池的工作原理图,包括输入和输出。图源:美国能源部能源信息管理局)

为了解地球可能储存的氢气数量,美国地质调查局的研究地质学家杰弗里·埃利斯(Geoffrey Ellis)在他的能源资源项目同事莎拉·盖尔曼(Sarah Gelman)的帮助下开发了一个全球资源模型。在他们能够使用模型来估计可用的氢气量之前,他们必须推进对氢气在地下行为的科学理解。两人利用天然气等类似物的现有知识填补了现有知识的空白,并开发了他们的氢模型。

埃利斯说:“使用保守的输入值范围,该模型预测了可以供应数千年预计全球氢气需求的平均氢气量。不过,我们在解释这个数字时必须非常小心。根据我们对石油和其他气体在地下分布的了解,大部分氢气可能是无法获得的。”换言之,氢气供应埋得太深,或离岸太远,或储量太小,因此极不可能以经济的方式回收。

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(图片描述:氢是如何在地下形成的。来源:《科学》期刊的“隐藏的氢气:地球上有大量可再生无碳燃料吗?”)

从石油和天然气中吸取教训

为了开始了解氢积累的潜力,科学家们需要一个更好的地质模型来了解氢是如何形成的,它来自岩层中的什么地方,以及它最终到达哪里。

凭借其石油地质学背景,埃利斯正在努力创建一个使用石油系统方法的模型。该模型是一个概念模型,旨在了解地质盆地内石油的赋存情况。几十年来,石油地质学家一直使用它来有效地指导石油和天然气勘探,并对未发现的石油资源进行准确评估。

该模型有助于地质学家分析地质因素,这些因素必须结合在一起才能有效地形成石油聚集。想象一下一位地质学家正在遵循一系列线索来解决一个谜题。首先,烃源岩必须含有能够产生石油的有机物质。然后,地质学家必须考虑石油在逃离源岩并通过其他岩层迁移时可能遵循的任何路径。此外,地质学家必须确定任何可能积聚石油的多孔储层岩石。最后,地质学家必须评估附近是否有岩石可以将流体密封在适当的位置,通常长达数百万年。如果这些组件中的任何一个失效,那么地质学家就可以推断出不会形成石油聚集。

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(镁橄榄石,一种橄榄石矿物。地下水与橄榄石相互作用会导致氢气在周围岩层中积聚。图片来源:史密森尼国家自然历史博物馆。)

氢气系统

为了使石油系统模型适应氢的积累,地质学家必须确定天然氢是如何在岩层中形成的,一旦形成,什么类型的自然过程可能会影响氢,以及氢如何在到达地表的过程中被困在岩层中。

地质学家已经知道有几十种自然过程可以产生氢气,但要了解氢气资源的潜力,就需要确定其中哪些机制能够产生大量的气体。科学家们普遍认为,当地下水与橄榄石(橄榄石是一种镁铁硅酸盐,呈绿色)等富含铁的矿物相互作用时,就会发生这样一个过程。这种相互作用会导致水被还原为氧气和氢气,氧气与矿物中的铁结合,氢气随后逃逸到周围的岩石中。

一旦氢气形成,各种自然过程都会消耗氢气。特别是,许多微生物依靠氢气生存,微生物学家现在已经描述了一个由氢气提供燃料的广阔而深入的生物圈。此外,从富含有机物的岩石中形成石油的过程会消耗任何可用的氢气。这就是为什么在甲烷或丙烷等碳氢化合物气体中很少发现氢气的原因之一。

任何未被这些过程消耗的氢气都可能到达多孔岩石,在那里形成气体积聚。但为了使积聚持续下去,必须有一个有效的密封岩来将气体保持在适当的位置。几十年来,地球科学家一直认为,密封岩石无法有效地容纳氢的积累,因为氢的体积很小,即使是最致密的岩石也能容其逃逸。然而,研究表明,一个由两个氢原子组成的分子的直径大约等于一个氦原子的直径,这两种气体很可能被类似的岩层捕获。已知的氦积累已经保存了1亿年之久,因此可以合理地假设氢可以被捕获至类似的时间跨度。

美国地质勘探局的科学家正在将所有这些因素纳入他们的模型,这将提高对地球上天然氢资源潜力的理解。

绘制地图

作为美国地质调查局评估地质氢资源潜力的主要科学家,埃利斯正在领导美国地质调查局绘制美国本土最有可能含有地质氢的区域地图。他的团队正在使用氢系统模型作为这项工作的基础。通过绘制氢系统各组成部分的分布图并评估它们的排列情况,可以初步估计全国地质氢的潜力。

氢气的探索与生产

地质氢资源的勘探可能会采用许多与目前石油勘探相同的战略和技术,并从矿产和地热资源勘探中添加一些元素。由于氢气有可能导致钢变脆,因此储层中捕获的氢气的生产需要稍微不同的材料。否则,可以使用目前用于天然气开发的相同钻井和完井设备。

然而,与天然气田不同的是,考虑到通过水还原产生氢气的速度很快,天然气田中的一些气体可能是可再生的。此外,一些研究人员提出,储层、圈闭和密封层甚至可能不需要产生地质氢。他们认为,我们可能能够利用正在产生氢气的岩石,或者让氢气在岩石中迁移,并在产生氢气时产生氢气。其他科学家更进一步,提出可以将热水注入目前不产生氢气的富铁岩石中,以刺激氢气产生,这在某种程度上类似于增强地热能生产。

埃利斯说:“如果你把我们认为可能被困在储层中的氢的数量加起来,再加上它产生时可能直接产生的数量,以及通过刺激可以产生的数量相加,你就会得到一个非常大的潜在资源。”

原文链接:https://www.usgs.gov/news/featured-story/potential-geologic-hydrogen-next-generation-energy

编译:Daisy   审核:Victoria