氢能经济和核心是氢气的生产运输存储和使用，其中氢气生产是所有过程的启动点，也是制约整个产业发展的重要因素。氢气不属于原始能源，需要利用其他能源生产，虽然现在研究认为地球内部存储大量氢气，给氢气也属于原始能源提供了可能。最近有学者提出更新的概念，可否学习自然界氢气产生的逻辑，主动初级，把地球深部作为氢气人工生产的天然工厂，把生产氢气的原料送到地下，在微生物的帮助下，利用天然地下矿产和热能资源，为人类源源不断的生产出氢气。这种方法类似农业生产氢气的耕种模式。虽然听起来有点怪异，但也许是一个非常好的点子。
与“觅食”野生食物相比，在地壳内探索商业上可行的天然氢积累是有希望的。然而，一个可能更有效的策略是在天然地下储层中原位人工生产氢气，类似于“农业”。可以采用生物和非生物过程，将引入或本地成分、气体和营养物质转化为氢气。通过研究天然产氢反应，我们可以辨别优化工程的途径。有些反应可能本质上是缓慢的，允许采用“种子和叶子”方法，其中位点注入气体、营养物质和特定的细菌菌株，然后逐渐产生氢气。然而，其他反应可以提供更快的结果来收获氢气。
这一战略的一个关键要素是我们对“X”成分的创新概念——从微量矿物质到生物工程微生物。这些设计的组件增强了生物和/或非生物反应，并被证明对加速氢气生产至关重要。这一思路与我们的祖先从狩猎采集到农业的转变相提并论，我们提出了追求氢能的类似范式转变。随着我们向以氢为中心的能源格局过渡，地球化学、高级生物学和工程学的融合成为一盏明灯，标志着通往可持续和变革性能源未来的途径。
图形摘要：氢能期货——觅食还是耕种？
Aliakbar Hassanpouryouzband
Aliakbar Hassanpouryouzband 是爱丁堡大学地球科学学院净零技术校长研究员（自 2023 年起）。他于 2019 年以博士后研究助理的身份开始了他的旅程。他的研究重点是CCUS和大规模可持续能源的生产、运输和储存，特别关注氢气。他于2019年在赫瑞瓦特大学获得博士学位，专攻低碳能源生产和二氧化碳你捕获和储存，其中一部分是在麻省理工学院的分子工程实验室进行的。Aliakbar于2013年和2015年分别获得谢里夫理工大学石油工程学士学位和硕士学位。
马克·威尔金森
Mark Wilkinson在英国牛津大学学习地质学，随后在英国莱斯特大学获得沉积岩地球化学博士学位。他是英国爱丁堡大学地质二氧化碳存放的高级讲师。最近的论文侧重于地质碳储存和地下储氢，以实现能源和工业活动的脱碳。马克在爱丁堡大学共同创建了地球能源硕士学位，这在当时是世界首创。他教授野外地质学和与能源相关的应用地质学，并共同创建了一个关于CCS和气候变化的大规模开放在线课程（MOOC）。
R.斯图尔特·哈泽尔丁
R. Stuart Haszeldine是苏格兰爱丁堡大学碳捕集与封存教授。他是SCCS的主任。他在处理从碳氢化合物开采到废物处理的地下信息方面拥有 45 年的经验。他的大学小组专注于 CO2储存地质学，特别强调天然类似物、遏制过程和地下压力。斯图尔特于 1999 年获得苏格兰科学奖，2003 年当选为爱丁堡皇家学会院士，2012 年因对气候变化技术的贡献而被任命为大英帝国勋章，并于 2021 年被伦敦地质学会授予能源奖章。
Hydrogen energy futures – foraging or farming? - Chemical Society Reviews (RSC Publishing)
一、驾驭氢能格局
将全球变暖控制在工业化前水平2°C以内的目标必须得到强有力的短期行动的支持。这一挑战需要创新的能源战略，氢在减少碳排放和推进可持续能源实践方面的关键作用变得显而易见。我们之前的工作突出了氢气作为应对气候变化的可行、大规模、低碳、可接受的成本解决方案，其在合适的地质构造中具有太瓦时规模储存的潜力。然而，在将氢气纳入我们的能源系统方面仍然存在重大障碍。尽管在该领域进行了广泛的研究，但氢气的可扩展和低成本生产仍然是主要障碍，这凸显了本文探索的创新方法的必要性。
氢能经济主要挑战包括生产可再生氢气所需的大量电力消耗，或通过化石碳氢化合物的重整与氢气生产相关的二氧化碳排放。为了有效应对这些挑战，必须采取双重方法：改进现有的制氢方法，同时探索制氢的创新技术。氢气可以通过各种方法生产，每种方法都具有基于所采用工艺的不同“颜色”命名法（见图 1)。目前，灰氢和黑氢占全球工程产量的 95% 以上。这些方法成本相对较低，但具有显著的二氧化碳排放和最低限度的气候效益。生产正逐渐转向绿色氢气，产量不断提高，成本同时降低。这种转变还可能带来第二个好处——通过利用灰氢作为产生碳副产品的原料，减少灰氢生产产生的二氧化碳排放。因此，可以设想一个未来，我们的能源系统由绿色氢气和碳减排灰氢生产补充，这些有希望的途径不会导致全球进一步变暖。制氢方法的拓宽标志着朝着可持续能源的未来迈出了重要的一步，超越了传统方法。然而，这种有前途的转型需要大规模、低成本、可靠性和时间的改进流程的仔细规划。
图1 制氢技术的分类：该示意图提供了制氢方法的系统概述，每种方法都根据来源和工艺以特定的颜色进行区分。这些颜色名称的使用反映了该领域不断发展的分类，总结了与每条生产路线相关的技术和环境影响。随着对可持续氢气的追求日益深入，清楚地了解这些不同的生产途径对于研究和应用都至关重要。
当我们考虑制氢技术进步时，认识到政策框架的关键作用同样重要。这些政策有助于塑造氢经济、推动技术创新和引导向更可持续的做法过渡。欧洲在实施碳税方面的开创性努力为绿色氢提供经济竞争力的潜力，因为成本是对化石碳的排放征收的。然而，仔细审查这些策略至关重要。虽然它们可能会激励市场转向更环保的替代品，但它们本质上并不能提高能源效率。绿色氢气生产仍然是能源密集型的，严重依赖可再生电力，否则可再生电力可能直接供应给电网。一个值得注意的例外可能是利用多余的可再生电力，否则这些电力在与天气相关的生产过剩或由于工程中断导致的输电缺口时会被浪费。在这种情况下，尽管效率较低，但生产绿色氢气可能比溢出的电力或国家能源网络的零输出更有利。9然而，这种情况代表了一种小众情景，不太可能持续到未来几十年
二、天然氢气的勘探（觅食）
必须降低制氢成本。但是，补救措施是否已经为人所知，并且隐藏在众目睽睽之下？最近对全球含氢天然气的调查列出了数百个已知的天然氢气站点，并指出由于采用的方法不当，许多天然气分析都未能检测到氢气。据报道，最高的天然氢浓度为99%（阿曼）和超过97%（马里）。然而不幸的是，大部分天然氢气的浓度非常低，许多报告的数字都在 10% 左右。此外，这种资源必须存在足够大的数量才能被利用。天然富氢气体渗漏的流速通常较低。虽然分散的渗漏可能数量很大，但可能无法进行商业开采。例如，乌克兰克里沃罗格的氢通量估计为每天12万立方米，但是每年每平方米只有区区10-120升，无法进行商业开发。已知高浓度、高体积氢气站点的数量非常少，Zgonnik （2020）全球仅列出了16个氢气含量超过10%的碳氢化合物田，与数千个油气田相比显得非常少。高浓度、高容量天然氢气站点的可用性有限，这带来了重大挑战，对其他碳氢化合物的处理也是非常大的困难。
三、天然氢能工程（农业）
氢气的自然产量很大，估计全球每年的产量约为 23 Tg，但具有高度的不确定性。这种自然资源的真实范围仍有待彻底勘探绘制，但初步调查已经凸显了继续勘探的重要性。如果确定了大量的储量，它们可以成为一座有价值的桥梁，甚至能提供数十年的能源。然而，这种潜在的好处应该与优先考虑和开发可持续和可再生的制氢方法的当务之急一起看待。这确保了我们有一个强有力的长期能源战略。实现这种变革性转变需要战略远见、创新思维和时间。这导致我们提出，可以设计和开发地下地质构造以生产人工制氢。利用这些自然资源库可以大大抵消与当前生产方法相关的高成本，为更可持续的能源未来铺平道路。
理解这种转变可以通过与历史先例相提并论来获得帮助，特别是人类文化从狩猎采集到农业的演变；或者最近从野生鲑鱼的游牧捕捞过渡到人工养殖鲑鱼，提供额外的营养。正如我们的祖先在狩猎采集阶段辨别出哪些野草是有营养的一样，我们发现自己处于与天然氢气类似的十字路口。这种对天然氢储量的追求反映了古老的“狩猎”行为——寻找大自然自发提供的东西。在人类历史上，从游牧狩猎到定居农业的转变是一个开创性的转折点，突显了人类的创新倾向。几千年前，我们不再只是收获大自然自发提供的东西，而是开始种植、培育和收获。这一旅程以从精炼灌溉技术到引入肥料和转基因作物的创新为标志，讲述了理解自然和利用其潜力的深刻共生关系。今天，由于我们的目标是利用地下的恩赐来生产氢气，因此对大自然的馈赠和科学独创性的类似综合至关重要。
图2（i）显示，地壳内涉及各种制氢过程，包括矿物、流体和气体。其中一些过程可以在工程场景中利用，即钻入合适的地壳岩石，注入额外的原料，然后进行制氢反应。在高压和高温条件下进行详细的动力学研究（模拟发生这些反应的地下环境）至关重要。这些研究不仅阐明了这些反应的动力学，而且还使我们能够确定潜在的瓶颈和增强机会。通过地球化学分析的结合，我们可以掌握微量元素和矿物质如何影响反应途径。通过了解这些细微差别，引入或修改特定化合物以优化自然过程可能是可行的。此外，还有可能使用碳氢化合物储层进行原位制氢。在这些地下地层中，二氧化碳在此过程中产生的物质可能会自然地保持滞留状态，从而最大限度地减少对环境的影响。一个典型的例子是原位碳氢化合物气化，其中受控的热或氧化条件可以促进有针对性的地下反应；然而，有效管理这些深层储层内的热量，特别是解决潜在的热扩散问题，仍然是一个挑战。目前，原位制氢背景下的热分散问题仍未得到充分探索。目前的文献对有效管理这些挑战提供了有限的见解，表明显然需要在这一领域进行更有针对性的研究。
图2 自然界中制氢途径的综合探索：（i）该爆裂图说明了地下发生的导致制氢的各种反应。它们的范围从蛇纹石化、高温玄武岩蚀变和地壳风化等非生物反应到发酵和固氮等微生物过程。这些过程的复杂性和丰富性凸显了地下作为可持续氢气重要来源的潜力。（ii） 参与制氢的各种微生物群落，从地表环境到地下环境。该图表系统地对原核生物（如古细菌和细菌）进行了分类，并进一步详细介绍了光养和异养细菌类型及其特定属性。真核生物部分聚焦于藻类。总之，这张图表强调了微生物参与不同生态位制氢的广度和深度。
与工业生产相比，自然制氢速度较慢，例如，阿曼的最低估计费率范围为每天每平方公里73 至 1300 立方米。我们是否可以增加这一比例，或者是否有必要注入原料并放置数年或数十年，采用“播种和离开”的方法？尽管这与目前的工业气体生产方法截然不同，但它与商业林业并没有太大区别，例如，在商业林业中，种植和收获之间的间隔是以几十年为单位的。即使在石油行业，一个大型油田也可能需要数年时间才能收回投资成本才能获得净利润，因此回报的延迟并非史无前例。
四、微生物和催化提高氢气生产率（X制氢）
除此之外，产氢微生物世界还包含从地表到地下的各种生物。图2（ii）中表面微生物的存在描绘了完整的光谱，强调了微生物多样性的丰富性及其在制氢方面的潜力。在这种背景下出现的非生物反应和上面提到的非生物反应是一个新概念，如图 3 所示：“X”到氢的方法。这种创新方法涉及将组件直接引入地下以提高制氢率。“X”因子包括一系列潜在的原料或催化剂，从充当反应介质的特定微量矿物质到为地下制氢而优化的微生物菌株，都可以有所不同。在这种范式中，即使引入水也可以启动所需的反应。这种方法的可行性和效率取决于对地下地球化学和动力学的全面了解。影响反应途径的压力、温度和地质成分等变量在确定“X”组分的最佳选择和应用方面至关重要。通过战略性地调整“X”的性质和浓度，有可能优化氢气的生产速度和产量。此外，在“X到氢”的背景下，考虑地球化学原理和微生物工程的相互作用至关重要。虽然“X”包含多种成分，但对地球化学条件的战略性操纵可以显着提高微生物过程在制氢中的效率。这种方法展示了地球化学与合成生物学的创新融合，为优化氢气生产提供了新的途径。虽然这种方法还处于起步阶段，但它将自然界的地球化学复杂性与人类工程解决方案进行了雄心勃勃的融合。需要更深入的宏基因组学和宏转录组学探索来揭示合适微生物群落的遗传复杂性，从而可能提供对可以利用或增强的途径的见解。合成生物学领域提供了诱人的可能性。想象一下，微生物被设计成优化特定的代谢途径以产生氢气，甚至在以前被认为是非生产性的条件下茁壮成长。但这些微生物也可能被设计成在大气中的氧气中无法存活——以防泄漏。探索微生物电解等技术以增加微生物氢气的产生同样重要。此外，地球化学家、微生物学家和工程师之间的跨学科合作可以促进创新的解决方案，从开发模拟地下条件的生物反应器到为产生的氢气设计新的储存和输送方法。所有这些活动都需要并行开展，以帮助推迟或帮助解决气候紧急情况。我们的世界需要在各个方面采取气候行动——一切、任何地方、同时采取。
图3 原料“X”到氢气的地下转化机制：该图显示了在地下储层环境中利用新型“X”成分产生氢气的过程。原料“X”可以是特定材料、微生物实体或催化剂的复合物。这些元素的相互作用有可能优化对制氢至关重要的原位反应。
五、未来愿景
我们已准备好制定可持续的氢燃料发展轨迹。在现代对可持续氢源的追求中，研究地下地质构造以生产氢气的重要性变得至关重要。这些地下地层不仅提供了替代能源；它们代表了科学前沿，充满了高级调查和发现的机会。将地球化学原理与尖端微生物工程相结合，可能会改变我们的能源方法，促进可持续性。潜在的创新在于陆地地层的深处和错综复杂的微生物途径。通过倡导跨学科合作，我们将自己定位在变革性能源时代的边缘，将大自然的财富与科学创新相协调。
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