能源是人类生存、社会发展和科技进步的基础性资源，在国家战略发展中具有不可替代的地位。中国作为能源需求高增长、自我产能稳定的部分进口型国家，能源对外依存度较大。在全球碳中和问题和第三次能源结构转型的背景下，氢气因其燃烧时无污染和不产生二氧化碳、储能量大、能量转换率高、来源广泛及易储存等特点被认为是石油、天然气等化石燃料的有效替代品。天然氢作为一种新发现的、地质成因的、可再生清洁氢或将改变未来的氢气能源格局。中国的天然氢资源研究仍处在未起步阶段，未能把天然氢作为一种能源进行独立研究，仅在少量其他工作中涉及有检测到氢气的记录。

01 天然氢是一种自然生成的、可持续的氢源

自上世纪初以来，进行石油矿物开采时常发现有天然生成的氢气逸出，地质勘探界称之为“天然氢”( Natural hydrogen)。经过国内外研究发现，天然氢广泛分布于在自然界大气圈、地壳、地幔、地下水等系统中。

其中，分布在大陆壳、洋壳和火山热液等地质环境中、且可在地表检测到较高浓度的氢源，也称之为“地质氢”，即地质成因的氢。另外为与氢能中的“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”区分开，也有报告及论文中使用“金氢”或“白氢”来描述天然氢。

相对电解制氢，天然氢开采拥有较低的成本下限。尤其对高浓度天然氢矿藏，其开采成本可远低于其他制氢途径。海外可再生能源制氢的成本约为20-35元/kg，天然气制氢成本也在10元/kg以上，而高浓度天然氢的开采成本可低至天然气制氢的十分之一以下。

如截至目前已经运营了5年多的北非马里Bourakebougou氢井，氢气天然浓度约98%，开采成本仅约3.5元/kg。另据西班牙天然氢开采企业Helios Aragon披露，天然氢开采的盈亏平衡成本可能在3.5-5元/kg之间。

天然氢的存在形式相对多样，气液固皆存。现有相关文献中，根据天然氢在地球内部的赋存状态初步将之分为游离态、包裹体、溶解氢三大类。游离态一般指气态，是目前国内外勘探到的主要天然氢来源，一般分布在浅层地表中，可以在地下岩石或地层孔隙裂隙中自由扩散运移，有时会逸出地面。

包裹体指包裹或吸附在岩石内的氢，一般分布在压力较高的深层地质中，随着地质变动、矿物开采等而被发掘出来，如煤盆地、沉积岩或变质岩、岩盐矿床等。溶解氢，即溶解在水中的氢气，一般在氢矿藏周围的地下水中有较多存在。

关于天然氢地下形成机理目前有多种解释，其中大多符合可持续、可再生的特点。目前国内外对地质氢的系统研究尚处于起步阶段，现有研究观测到的天然氢形成和发现的地质环境多样，因此天然氢可能是多种成因机制下的产物。其中，大致可分为“深层释放”、地质化学生成、生物生成三大类成因解释。

“深层释放”类理论认为地球的地核、地幔中存在极为丰富的氢，随着地质运动会逐渐释放到地表，即因为资源近似无限而近似可再生。地质化学生成、生物生成类理论认为岩石破裂产气、岩石与流体的氧化作用、水的裂解、有机生物与非生物分解等地下化学反应有可能产生氢气，也可以归进可再生一类。

02 天然氢开发及应用情况

基于探测发展和已有研究，天然氢形成机理主要有三种，一是地壳辐射裂解水产生。该理论认为，地壳深层含有大量铀、钍等放射性元素, 这些元素放射性衰变时释放射线, 其能量将水分子分解产生氢气。二是水岩反应。包括蛇纹石化作用、水与岩石表面反应和矿物中羟基反应，其中蛇纹石化是研究最多、最常见的方式。三是“深源”成因。该理论认为氢气来自地球更深处的地幔或地核，氢气沿着板块边界和断层缝隙上升到地表形成。

天然氢赋存状态也包括三种，一是游离氢，指赋存在岩石(或地层)孔隙或裂隙能自由运移的氢气, 是天然氢的主要赋存形式之一，浓度介于2%-90%间；二是包裹体氢，多种研究发现，在多种类型岩石中, 氢气以包裹体形式或吸附形式被圈闭在岩石内，其浓度介于0.2-100%间；三是溶解氢，天然氢以溶解态气体存在于地下水中，浓度从微量至百分之几十不等。

过去100多年以来，全球在陆地、海洋中发现了近百处天然氢渗漏和逸出案例，且广泛分布于欧洲、美洲、亚洲、非洲、大洋洲等各个地区。

1987年, 在非洲马里巴马科北部地区钻探寻找水资源时, 意外发现纯度为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公司在其完成的25口勘探井均发现了天然氢，并建立一座试点发电厂，通过井口采集天然氢作为燃料为附近村落供电，证明天然氢在自然状态下可产生足够规模且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, 发现含量约50%的氢气；2013年, 美国成立了天然氢能源公司(NH2E), 开始在许多国家寻找氢排放点，2015年,该公司在美国各个州均发现了大量氢气流, 经估算每天高达接近十吨，并于2019年底在堪萨斯州钻探了第一口天然氢井。2023年，美国HyTerra公司在堪萨斯州和内布拉斯加州的两个天然氢气项目已进入前期开发阶段。

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，澳大利亚金氢公司获得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本国470口井中采集的约1,000个天然氢样品进行了氢气分析及氢气量估算, 得出陆上1公里深度内氢气推断资源量达16万立方/年。

2020年，西班牙Helios公司与美国能源过渡基金公司，共同在西班牙萨拉戈萨的一口油井位于地表以下3680米深处发现大量氢气，并计划建立氢能中心，持续开展天然氢研究开发。

03 天然氢的商业化开采，还需在成本、法规、市场等多方面进一步突破

尽管国际上已有较多天然氢发现案例，油气矿产开发企业也掌握有着较多天然氢分布相关的资料，但目前仍未有真正商业化的天然氢开采项目落地。能景研究认为，高浓度天然氢矿藏的勘探定位、法规配套、市场消纳寻找是项目落地慢的三大要素。

高浓度天然氢矿藏是项目降低开采难度、降低开采成本的关键。天然氢中往往伴有二氧化碳、甲烷、氮气等多种杂质，且不同产地的成分相差较大，某些矿藏中还含有高浓度硫化物等对氢燃料电池有害的物质，提高了提纯技术的要求，也提高了开采成本。

现阶段，天然氢开采探索尚未完全起步，技术尚未完全成熟，因此相关开发商仍在以勘探高浓度气源为重心。

配套法规完善是项目落地、正常运营的前提。天然氢与石油、天然气类似，理论上属于矿产资源，开采、出售等均需受到相关部门把控。但与石油、天然气已具有相对完善的项目登记、管理体系不同，天然氢的资源类型定位、管理方法、管理部门等均未明确。

因此，现阶段天然氢项目面临落地审批无法可依、即使落地后也存在因政策变动而终止运营的风险。典型如西班牙2021通过的气候变化和能源转型法案禁止新建碳氢化合物开采项目，而导致其国内天然氢项目因天然氢分类不明而难以推进。

氢能市场规模尚未完全展开也是天然氢项目保持观望的一大原因。油气井开发属于高成本投入项目，项目建设前需充分考量消纳市场。以天然气气田为例，根据中石油某气田数据，单气井建设成本在5000万元以上，单井采气量50万方/天以上。

若天然氢单井采气量也为50万方/天，则单井采气规模约相当于一项250 MW的电解制氢项目，一座4井的气田采气规模则相当于GW级电解制氢项目，仅在气田周围存在大型醇、氨等化工厂时，或燃料电池汽车市场充分起量后才可实现有效消纳。

04 国外天然氢利用已到试采阶段，国内尚待进一步重视

近年来，海外在天然氢领域涌现了一批新兴企业，资源勘探正在加快。这些企业最早勘探布局已有5年以上，定位到多个有开采价值的天然氢矿藏地点，并从2023年开始逐渐展开商业化开采布局。

除澳大利亚Gold hydrogen在2023年11月于南澳试钻成功外，在美国，NH2E、HyTerra两家天然氢企业已确定北美中部裂谷系为天然氢富含地，开始布局国际上第一口商业化天然氢矿井开发建设；在欧洲，西班牙、法国均有天然氢开采规划；在韩国，韩国国家石油公司也宣布发现了5处潜在天然氢源。

国内现阶段尚无天然氢的勘探及开采项目披露，但在天然氢的资源分布数据及研究也已有一定的积累。依托于已覆盖国内大部分地区的油气和矿产资源勘探开发活动，国内已有较多的天然氢发现案例。如在在松辽盆地的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。

此外，在云南腾冲部分热泉、山西沁水煤矿和煤井、渤海湾盆地、松辽盆地等多地我国均有低浓度天然氢发现案例。在这些地区，中石化、中煤，以及地质勘探机构等油气、矿产企业机构或已掌握了较为可观的天然氢分布资料。

我国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, 检测到了含量达99%的氢气。但整体上，我国针对天然氢的研究大多是把氢气作为监测自然环境和油气资源方面的研究, 将其作为能源的调查研究工作较少, 尚停留在实验室阶段。

有学者认为, 在中国的沉积盆地、大陆裂谷地区具备发育高含量氢气的地质条件, 可以把渤海湾盆地、渭河断陷作为天然氢勘探的突破区开展理论研究和调查工作。

文章来源： 中国氢能联盟，能景研究，科学网