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【一文看懂】氫能有希望成為對抗全球暖化的大將
2024-03-16 07:59 / 作者 陳家齊
氫氣場的警告標誌。彭博新聞
位於歐洲窮國阿爾巴尼亞深山中的一座布齊茲鉻礦（Bulqizë chromite mine），曾經是歐洲最大的鉻金屬供應來源，但是因為屢次發生爆炸意外，關閉歇業中。而就在這個「爆炸性」的地點，科學家卻有了更具爆炸性的發現：這個舊礦坑可能蘊藏了大量的高純度氫，完全推翻了以前對於氫來源的認知。現在，地質科學家相信，世界各地還可以找到更多像是布齊茲這樣充滿氫能的地方。有科學家甚至認為，對於氫氣的「掏金熱」已正蓄勢待發。礦災啟示的線索科學家常在各種極端的地方尋找礦物，從寒冷的北極圈到水下數千公尺的海床，但很少會在一直爆炸的礦坑中尋找資源。布齊茲鉻礦早在1992年就報告發現易燃物體，2011、2017和2023年都發生過爆炸意外。礦坑經營者與調查人員斷定是常見的甲烷氣體造成爆炸，但是科學家深入研究後，發現冒出來的可燃氣體，居然是純度極高的氫氣。這些從地下溢出的氫氣純度高達84%以上，每年估計有200頓氫氣散逸出來，是目前人類所知最大的地質氫礦。在2月初於《科學》發表的報告中，研究團隊表示礦坑下面約1公里深處，有一座嘶嘶作響的水池，就好像是一座大型按摩浴缸。水分在這個區域內與富含鐵質的礦床發生反應，產生大量的氫氣，而地下「石穴」就像是個容器，把這些可能是進行了幾萬年反應所造成的氫氣困住，直到人類開挖鉻礦，才開始散出。科學家估計他們發現的「按摩浴缸」每年會釋出11噸的氫氣，但整個礦坑每年有200噸的氫氣量。氫能極為乾淨，但以前要靠人為生產氫是全宇宙存量最多的元素之一，但是純氫氣在地球表面並不多，往往是以各種化合物的形式存在，例如我們熟知的水。氫氣易燃，可以用燃燒的方式產生熱能，進一步轉換成電力，或者使用氫電池加以儲存能量。對於環保來說，氫氣可說是一種夢幻能源，因為氫的燃燒只會產生無害的水，沒有汙染，也沒有會導致會造成溫室效應的碳化合物。與「相對乾淨」的天然氣一比，氫可以說是「清清白白」的超潔淨能源。但是科學界先前斷定，自然界中產生的氫要不就是已經逸失到大氣中成為其他的化合物，要不就是已經被嗜氫的微生物給吃了乾淨。這樣的想法中，地球沒有「氫礦」存在的餘地。要拿到氫，要不就是對水進行電解，要不就是加熱甲烷進行化學反應來取得氫氣。這些都是極度耗能、過程昂貴、會造成更多污染的工業生產方式。在原本關於綠能的思考中，氫主要是以一種「副產品」的形式存在，作為綠能轉型的輔助。例如，風力、太陽能發電所產生的電力若是遠超過當地當時的需求，就可以拿這些多出來的電進行電解水，獲得氫氣後存放起來。如果人類以後成功開發出核融合反應爐，產生的大量電力，也同樣可以用來製造氫氣。5兆公噸的金氫之夢在業界標準中，電解水產生的氫被稱為「綠氫」（green hydrogen）；甲烷煉製出來的氫被稱為「灰氫」（grey hydrogen），因為製造過程中會釋出含碳的溫室氣體。如果甲烷反應過程中會把碳補捉儲存，這樣子生產的氫就是「藍氫」（blue hydrogen）。而直接存放在地層中的高純度氫，就被稱為「金氫」（gold hydrogen）。直到最近幾年，金氫都被視為是遙不可及的理論虛構。2012年在馬利發現了一個大型的氫儲層，率先打破了科學界的認知。而今年確認也是含有高純度氫的阿爾巴尼亞礦坑，再度證明地層中找到高純度氫並非幻想。美國地質調查局（USGS）石油化學專家艾里斯（Geoffrey Ellis）在今年2月科羅拉多州丹佛的地質年會上說，根據他們還沒釋出的研究報告，地球應有5兆公噸的「金氫」存放在地層之中。艾里斯表示，這其中絕大部分可能都無法被人類開採使用，但是其中只要有幾個百分點可以開採，光是這些氫就可以提供全人類數百年的能源需求。他估計人類每年的氫需求可達5億噸。水與火的交界之處地質學家表示，過去之所以沒有在地層中找到大量的氫氣，是因為科學家與探礦公司、石油公司並沒有去找「正確」的環境。在挖石油的過程中常會一同發現天然氣，而挖掘固態的礦物，挖到可燃氣體是一種災難，不是找到資源。而現在，艾里斯指出，地質學家正朝著正確的地質環境尋找氫氣。含有熱水的鐵質或富含鎂的火山岩可以釋放氫氣。某些岩石散發的自然輻射，也可以將水分解為氫氣。而地球更深處的內部組織，包括像黏土一樣的地幔，艾里斯說可能擁有「自地球形成以來一直被困住的原始氫氣」，這些深藏在地下的氫氣層，可能在地殼運動、板塊破裂時，被釋放到地表。阿爾巴尼亞的布齊茲鉻礦就是一個很理想的環境。首先，這個礦坑挖掘深入的是一個可以追溯到恐龍時代、遠古的海床，這種海床充斥著液體和富含鐵質的火山岩，使其有望成為一個自然的氫氣工廠。其次，這個礦坑一直發生爆炸，傳統的礦業專家直接咬定是甲烷造成，但在艾里斯這些「氫氣獵人」的眼中，他們高度懷疑其實是氫氣。調查結果證實了他們的推測。氫能「掏金熱」距離人類能夠大規模使用氫能，還需要業界與學界好幾年的努力。首先就是要找到更多地層中的氫氣，這一點，艾里斯與其他學者深信只是時間的問題，之後必然可以陸續探勘到更多、更大的天然氫儲存層。科羅拉多礦業學院的地質學家張盟黎（Mengli Zhang）說，由於地層中的「金氫」比起「綠氫」或者「藍氫」更便宜、更不具汙染性，她預計對於地層氫氣的探勘已經在形成一股「掏金熱」。包括微軟公司創辦人比爾蓋茲在內的投資人，去年就向氫能新創公司Koloma注資9100萬美元，進行氫能探勘。另一家美國企業「自然氫能」（Natural Hydrogen Energy）也正在內布拉斯加州鑽探，該公司執行長澤哥尼克（Viacheslav Zgonnik）說：「要達到商業化量產的程度還要好幾年，但我們正盡全力加快速度。」拜登政府的能源部在3月稍早也宣布撥款7.5億美元發展氫能，在美國24個州資助52個項目。目前補貼的主要對象是電解水製氫廠商，但是為了利用這些氫能而興建的管線、儲存與運輸基礎建設，也都將可以用在地層中鑽探的氫。美國能源部表示，他們的目標是讓美國每年可以生產出相當於14百萬瓩（GW）的氫能燃料電池，供應美國中型與大型卡車15%的能源需求。另外也希望能產生10百萬瓩的電解電力，創造出130萬噸的潔淨氫氣。對環境友善，也對產業界友善氫能除了是一種非常潔淨的能源，也是一種可以和人類目前因發展石化產業而大量建設的基礎設施相容的能源。氫氣輸送管路可以用天然氣管線，儲存氫氣的氣槽可以使用石油天然氣的儲存槽，輸送氫能的氣槽船也可以用天然氣船進行改裝。而且，氫能也和人類在20世紀快速發展的內燃機技術相容。火力發電設施可以燒氫，輪船的大型引擎可以改用氫。而給車輛使用的氫燃料電池有著「加油」速度快、不受低溫影響的優秀特性，和需要長時間待在充電站、一遇到大雪天續航力只剩一半的的電動車相比，都有很大的優勢。氫的這些親和力，使其長久以來一直是有望成為未來能源的候選人，而先前最大的障礙就是無法在自然界開採到大量的氫。如今，隨著愈來愈多氫礦井獲得開發，氫的「掏金熱」有望終於可以啟動氫能時代。
#氫能
#氫燃料電池
#阿爾巴尼亞
#馬利
#氫礦
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