解锁地下氢能的全球竞赛：无限清洁能源的未来

地下纯氢的发现正在重塑对这种丰富元素及其作为清洁能源潜力的理解。

美国能源部（U.S. Department of Energy）正在资助利用这一资源的研究，其项目侧重于优化自然生产过程并使其在经济上可行。

地质氢的前景

氢是宇宙中含量最丰富的元素，通常与其他元素结合，例如，与水中的氧或甲烷中的碳结合。然而，天然存在的地下纯氢袋的发现挑战了这一假设。这些隐藏的储量作为潜在的无限无碳能源来源而备受关注。

美国能源部 （U.S. Department of Energy） 是引起注意的国家之一。今年，它向来自实验室、大学和私营公司的 18 个团队提供了 2000 万美元的研究资助。目标：开发能够从地下氢源生产具有成本效益的清洁燃料的技术。

这种资源被称为地质氢，当水与富含铁的岩石发生反应，导致铁氧化时自然形成。在获得资助的人中，有一个由麻省理工学院助理教授 Iwnetim

Abate 领导的研究小组。Abate 的团队获得了 130 万美元的赠款，旨在确定在地下生产氢气的最佳条件。他们的工作将检查关键因素，例如引发反应的催化剂、温度、压力和 pH 值。最终目标是提高大规模生产的效率，使地质氢成为满足全球需求的可行、有竞争力的能源。

美国地质调查局估计，地壳中可能埋藏着数十亿吨的地质氢。在全球范围内发现了矿床，许多初创公司都在寻找可开采的矿床。Abate 正在寻求快速启动天然氢气生产过程，实施涉及刺激生产和收集天然气的“主动”方法。

“我们的目标是优化反应参数，使反应更快，并以经济可行的方式生产氢气，”材料科学与工程系 （DMSE） 的 Chipman 开发教授 Abate 说。Abate 的研究重点是为可再生能源转型设计材料和技术，包括下一代电池和用于储能的新型化学方法。

全球利益和商业前景

在世界各国政府都在寻找石油和天然气的无碳能源替代品之际，人们对地质氢的兴趣日益浓厚。12 月，法国总统埃马纽埃尔·马克龙 （Emmanuel Macron） 表示，他的政府将提供资金来勘探天然氢。2 月，政府和私营部门证人向美国立法者介绍了从地下开采氢气的机会。

如今，商业氢气的制造价格为每公斤 2 美元，主要用于化肥、化工和钢铁生产，但大多数方法都涉及燃烧化石燃料，这些燃料会释放出地球加热的碳。用可再生能源生产的“绿色氢”很有前途，但每公斤 7 美元，价格昂贵。

“如果你以每公斤一美元的价格获得氢气，那么在能源价格上它与天然气相比具有竞争力，”能源部领导地质氢资助计划的能源部组织高级研究计划署 （ARPA-E） 的项目主任 Douglas Wicks 说。

ARPA-E 赠款的接受者包括科罗拉多矿业学院、德克萨斯理工大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室，以及包括 Koloma 在内的私营公司，这是一家获得亚马逊和比尔盖茨资助的氢生产初创公司。这些项目本身是多种多样的，从应用工业石油和天然气方法进行氢气生产和提取，到开发模型以了解岩石中氢气的形成。目的是：在 Wicks 所说的“完全空白”中解决问题。

“在地质氢中，我们不知道如何加速它的生产，因为它是一种化学反应，我们也不真正了解如何设计地下以便我们可以安全地提取它，”Wicks 说。“我们正在努力引入每个不同团队的最佳技能来解决这个问题，因为合奏应该能够在相当短的时间内给我们很好的答案。”

地球化学家 Viacheslav Zgonnik 是天然氢领域最重要的专家之一，他同意未知数的清单很长，通往第一个商业项目的道路也是如此。但他表示，刺激氢气生产的努力——利用水和岩石之间的自然反应——具有“巨大的潜力”。

“我们的想法是找到可以加速和控制这种反应的方法，以便我们可以在特定地方按需生产氢气，”Natural Hydrogen Energy 的首席执行官兼创始人 Zgonnik 说，Natural Hydrogen Energy 是一家总部位于丹佛的初创公司，拥有用于美国勘探钻探的矿产租约。“如果我们能实现这一目标，就意味着我们有可能用刺激氢取代化石燃料。”

个人动机和创新

对 Abate 来说，与项目的联系是个人的。在他的家乡埃塞俄比亚还是个孩子的时候，停电是很常见的事情——每周停灯三到四天。摇曳的蜡烛或排放污染物的煤油灯通常是晚上做作业的唯一光源。

“对于家庭，我们不得不使用木材和木炭来做饭等家务，”Abate 说。“这就是我的故事，一直到高中结束，直到我来美国上大学。”

1987 年，在西非马里钻探水的挖井机发现了一个天然氢矿床，并引发了爆炸。几十年后，马里企业家 Aliou Diallo 和他的加拿大石油和天然气公司开采了这口井，并使用发动机在附近村庄燃烧氢气和电力。

Diallo 放弃了石油和天然气，成立了世界上第一家氢能勘探企业 Hydroma。该公司正在原址附近钻探油井，这些井已经产生了高浓度的天然气。

“因此，过去被称为能源匮乏的大陆现在正在为世界的未来带来希望，”Abate 说。“了解那件事对我来说是一个完整的时刻。当然，问题是全球性的;解决方案是全局的。但是，与我个人旅程的联系，加上来自我家乡大陆的解决方案，使我个人与问题和解决方案产生了联系。

可扩容的实验

Abate 和他实验室的研究人员正在制定一种流体配方，这种流体将诱导化学反应，从而触发岩石中的氢气产生。博士后高一帆说，主要成分是水，该团队正在测试用于催化剂的“简单”材料，这些材料将加快反应，进而增加氢气的产生量。

“有些催化剂非常昂贵且难以生产，需要复杂的生产或制备，”Gao 说。“一种廉价且丰富的催化剂将使我们能够提高生产率——这样，我们就可以以经济上可行的速度生产，同时也能获得经济上可行的产量。”

发生化学反应的富铁岩石遍布美国和世界各地。为了优化各种地质成分和环境的反应，Abate 和 Gao 正在开发一种他们所谓的高通量系统，该系统由人工智能软件和机器人组成，用于测试不同的催化剂混合物，并模拟当应用于来自不同地区、具有不同外部条件（如温度和压力）的岩石时会发生什么。

“据此，我们测量每种可能的组合生产了多少氢气，”Abate 说。“然后 AI 将从实验中学习，并向我们建议，'根据我所学到的知识和文献，我建议你测试这块岩石的催化剂材料的成分。'

该团队正在撰写一篇关于其项目的论文，并计划在未来几个月内发布其发现。

在开发催化剂配方之后，该项目的下一个里程碑是设计一个用于两个目的的反应器。首先，它配备了拉曼光谱等技术，将使研究人员能够识别和优化化学条件，从而提高氢气生产的速度和产量。实验室规模的设备还将为实际反应器的设计提供信息，该反应器可以加速现场的氢气生产。

“那将是一个工厂规模的反应器，将被植入地下，”Abate 说。

这个跨学科项目还利用了麻省理工学院机械工程系和 DMSE 的 Yang Shao-Horn 的专业知识，对催化剂进行计算分析，康奈尔大学科学家 Esteban Gazel 将提供他在地质学和地球化学方面的专业知识。他将专注于了解美国和全球富含铁的超基性岩层，以及它们如何与水反应。

对于 ARPA-E 的 Wicks 来说，Abate 和其他资助接受者提出的问题只是未知能源领域的第一步，也是关键的一步。

“如果我们能了解如何刺激这些岩石产生氢气，并安全地将其升起，它就真正释放了潜在的能源，”他说。然后，新兴行业将寻求石油和天然气的钻井、管道和天然气开采专业知识。“正如我想说的，这是我们希望在非常短期内使我们能够说，那里真的有什么东西吗？”