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催化剂到系统集成:中国拥有400多项与氢燃料电池相关专利

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近日,澳大利亚HyTerra公司与美国Natural Hydrogen Energy签署联合开发协议,将合作在美国内布拉斯加州开发世界上第一口可商业化的天然氢井(hoty NE3),以开发生产低成本且可持续的氢气,助力全球脱碳目标实现。

该项目位于美国内布拉斯加州日内瓦市附近,被称为“日内瓦项目”。目前,项目已经完成了钻井、完井和抽汲测试,计划开始扩展试井,测试将为确定可采资源的大小、范围、气体组成及其商业潜力提供关键信息。

天然氢的来源

自20世纪70年代以来,全球已在海底和陆地上发现了近百处天然氢渗漏和逸出案例。水与岩石相互作用产生天然氢的机制已被科学界印证,非洲马里更是打出纯度为98%的“氢井”。许多记录均显示富含氢的气体来自地壳深部和地幔岩石上部,主要是橄榄岩以及一些重大的深根断层带。同时,陆地上也有天然氢的溢出。科学家参照大洋中脊的地质环境在陆地开展野外研究,并在阿曼、菲律宾、土耳其、日本、意大利、冰岛、新西兰、新喀里多尼亚等地相继发现相关超镁铁质岩氢逸出现象。

作为一种天然能源,经研究,开采1公斤天然氢,成本比人工制氢低2-10倍,这将更易于实现商业化从而有望加速推动氢能产业化发展。国内外在天然氢方面开展了一系列相关研究和初步示范应用,并取得一定进展。

国际方面

1987年, 在非洲马里巴马科北部地区钻探寻找水资源时, 因发生爆炸事故, 意外发现了纯度为98%的氢气。2012年,加拿大Petroma公司围绕此处开始开采氢气,2017-2018年间,Petroma公司在其开采区所完成的25口勘探井均发现了天然氢,后续并建立一座试点发电厂,该发电厂由井口采集的天然氢驱动,为附近村落供电,证明天然氢在自然状态下可以产生足够规模且100%绿色电力为房屋供电。

美国CFA石油公司于1982年在北美裂谷开发Scott井, 发现了含量约为50%的氢气。2013年, 美国成立了一家专门从事氢气勘探的公司–天然氢能源公司(NH2E), 开始在许多国家寻找氢排放点, 进并行了数千次土壤气体测试。2015年, 天然氢能源公司在美国各个州均发现了大量氢气流, 估算氢气流每天高达接近十吨,并于2019年底在堪萨斯州钻了第一口天然氢井。

2019年10月,法国国家科学研究中心组织了一场天然氢研讨会。会议对所有已知来源的天然氢进行了重新评估,希望围绕天然氢创建跨学科机制,打造从资源开发到联合应用的知识链。

2019年12月,美国俄亥俄州立大学能源研究与培训中心举办了题为“深度脱碳的能源解决方案-氢能”的研讨会,会议围绕“天然氢”进行了重点研讨,会议认为天然氢存在研究和勘探价值,并可作为从化石燃料向可持续清洁能源过渡的重要途径之一。

2021年, 南澳大利亚能源和矿产部在南澳大利亚部署天然氢项目, 并发布了氢勘探活动许可申请书,澳大利亚金氢公司提供了在袋鼠岛和约克半岛南部发现纯度高达90%的天然氢证据后, 获得在许可范围内的天然氢勘探、评估和开发权。此外,澳大利亚地球科学局针对其本国从470口井中采集的约1,000个天然氢样品进行了氢气分析和同位素分析, 对镁铁质-超镁铁质岩石的蛇纹石化产生的氢气量进行了估算, 得出陆上1公里深度内的氢气推断资源量可达16万立方/年。

国内方面

我国目前针对氢气的研究大多是对把氢气作为监测自然环境和油气资源方面的研究, 仅是一些零星和分散的研究。把天然氢作为能源而进行的调查研究工作较少, 尚停留在实验室和文献分析阶段。

但我国油气和矿产资源勘探开发活动已覆盖大部分地区, 已有学者在松辽盆地个别钻井中发现氢气含量高达85.54%; 在柴达木盆地三湖地区2号井的岩屑罐顶气中, 检测到了含量最高可达99%的氢气。可见, 在中国已有的油气沉积盆地内寻找天然氢潜力较大。

图 | Ni2+促进Fe(OH)2氧化产氢及其机理示意图

此外,我国相关学者在岩石产天然氢的机理和产氢速控方面也取得了重要进展。在国家自然科学基金重点项目等资助下,中南大学冶金与环境学院林璋教授团队从低温(< 200℃)蛇纹岩化作用产氢的关键步骤Fe(OH)2氧化出发,发现共存的Ni2+能够显著提升Fe2+氧化过程的产氢速率。该研究以“被忽视的岩石天然产氢途径—Ni2+催化低温蛇纹岩化过程中Fe(OH)2氧化还原水”为题,于2021年9月14日发表在《德国应用化学》期刊上。

该发现为从岩石矿物中获取氢能源的可能提供了实验基础,将有望应用于天然氢能源的勘探、开发和利用,从而推动氢能源的规模化应用,助力缓解因化石能源过渡使用造成的全球生态环境危机。

编辑:敬之

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