电击岩石解锁受激地质氢气

# 电击岩石释放刺激性地质氢 来源：https://spectrum.ieee.org/stimulated-geologic-hydrogen Eden GeoPower公司创始人Paris Smalls通过电流击碎地下岩石。他的精准压裂技术或可用于刺激氢气生产。 **在波士顿宁静的郊区**，一匹马农场的远端，牧场与树林相接之处，一台起重机将巨大的电极放入钻孔。这个半米长的圆柱形电极带有铜制尖臂，以确保与钻孔壁良好接触，缓缓下降——越来越深——穿过层层多孔的砂岩，直达地下数百米处古老山脉坚硬如大理石般的根部。这里的岩石结构紧密，少有裂缝供流体或气体通过。但这即将改变。 不远处，另一个相同的电极——第一个电极的孪生体——已固定在另一口钻孔的相同深度。地面上，两台通过电缆连接到两个电极的高压发电机发射出一系列脉冲。 嘶……嘶……嘶……嘶……嘶…… 每次放电声在地面隐约可闻，犹如一次微型的地下闪电。电极间的岩石被加热，压力急剧升高。随即，岩石突然破裂成蛛网状的裂缝网络。 一名头戴安全帽的工人站在井口，操控从头顶卷盘放下的绳索。在波士顿郊外的马场，一名工人正在设置钻井，Eden的电极将通过绞车降入其中。照片由Bob O’Connor拍摄。 进行这项特殊现场测试的马萨诸塞州初创公司Eden GeoPower（https://www.edengeopower.com/）将该技术称为**电储层激发技术**。公司的标语是：“我们用电击碎岩石”。 Eden的研究人员希望他们的破岩技术有一天能助力矿物开采、利用地热能，或为碳封存创造地质储存空间。但更引人入胜的是一种可能创造全新能源品类的应用：在地下生产氢气。 氢能经济的构想可追溯至1970年代，当时石油短缺以及对化石燃料污染的日益担忧，催生了汽车、船舶、飞机和工业机械以氢气而非碳燃料运行的愿景。氢气常被誉为清洁燃料，因为其燃烧或在燃料电池中反应时，只产生水和热量。然而，目前生产氢气所消耗的能量多于其产出的能量，且最廉价、最常见的方式是通过蒸汽与强效温室气体甲烷反应制得。 理论上，可利用可再生能源驱动的电解槽（https://spectrum.ieee.org/anion-exchange-membrane-electrolyzer）分解水来生产零碳氢气。但在大多数情况下，该过程成本过高，经济性不足——这一现实在2020年代初戳破了氢能源的炒作泡沫。2024年全球氢气需求量约为1亿吨，其蕴含能量仅相当于全球年度能源消耗总量的约3%。其中大部分用作石油精炼的化工原料，以及生产化肥和塑料。 制造清洁氢气的挫败感使许多企业家和科学家转而将目光投向地下寻找这种元素。过去五年间，全球数十家公司一直在搜寻被称为天然或地质氢的地下氢藏。但由于尚未出现商业化规模的成功案例，Eden及其他一些初创公司和研究小组正追求一个更大胆的计划：人工生产地质氢。 这种被称为**刺激性地质氢**或**工程化氢气**的方法，旨在将地下岩层转变为巨大的氢气工厂。其核心思路是将水注入富含铁的岩石中，使铁氧化并释放氢气作为副产品。像Eden公司正在进行的岩石压裂，能为水接触含铁矿物创建输送通道网络。 刺激性制氢的概念如此新颖，以至于很少有人有机会验证。支持者称，如果成功——这是一个重大的“如果”——它将在未来无限期提供近乎无限的能源。找出答案的方法只有一个：开始破岩。 ## 地下蕴藏丰富氢气 氢气是宇宙中最简单、最丰富的元素，是构成恒星与星系的基本物质。地质学家早就知道，地球通过自然水岩反应产生氢气，但直到最近，这种现象仍被视为一种奇特现象。由于氢气极其轻盈，大多数专家曾认为它都通过地下孔隙和裂缝逸散，无法形成有利用价值的积聚。 在Eden位于波士顿附近的测试场演示期间，一名员工展示公司专有电极的核心部件。照片由Bob O’Connor拍摄。 19至20世纪，研究人员在前俄罗斯帝国和苏联地区报告从矿井和油井中渗出氢气，这开始暗示上述观点可能错误。但在化石燃料持续狂热的背景下，这些观察结果大多被忽视或遗忘。后来，科学家发现海底热液喷口喷涌出氢气，并供养着所谓的永恒之火，例如土耳其的奇梅拉山——古代运动员曾在此为首届奥运会点燃火炬。 随后，在1987年，马里共和国布拉凯布古村，人们在钻探水井时察觉到孔洞中有微风涌出。根据当地传说，一名工人凑近查看，嘴里叼着点燃的香烟。空气瞬间被点燃，发出明亮的蓝色火焰。 工作人员封住了这口井，它被密封了25年，直到2012年，一名马里油气勘探人员证实该地下藏有大型氢气储层。这家勘探公司现称Hydroma（https://hydroma.ca/），建造了一座小型发电站，将气体转化为电力供村民使用。此后不久，澳大利亚、加拿大、美国等地的初创公司开始搜寻更多氢气储藏。到2025年，大型跨国石油和矿业公司也加入了这场角逐。 迄今为止，全球已钻探了数百口勘探井。尽管研究人员记录了广泛的氢气沉积，但尚未有案例证明能以商业化所需的速率和数量生产该气体。“我们钻了很多洞，但没人找到喷涌的气井——或者至少他们对此讳莫如深，”美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）前项目主任Douglas Wicks（https://www.linkedin.com/in/douglas-wicks-10b213/）表示。他现在为研究地质氢的公司提供咨询。 一口约拳头粗细的管道从地面突出几英寸，电缆从中引出。井口装置引导多条管线深入地下：流体软管、电缆、绳索、密封装置控制线以及传感器通信线路。照片由Bob O’Connor拍摄。 Wicks说，2022年在ARPA-E工作期间，他被当时还是该机构研究员的Emily Yedinak（https://www.linkedin.com/in/emily-yedinak-phd-958a2647/）“拖入了地质氢的兔子洞”，后者试图说服同事认真对待这个问题。“我曾是终极怀疑者，”Wicks表示。电解槽的天价成本让他怀疑清洁氢气是否可行。此外，他推论，如果地球真的蕴含巨量氢气，那么人类挖掘自然资源数千年，早该发现了。 但在与地质学家交谈后——他们指出历史上未发现氢气是因为从未寻找过——Wicks改变了看法。“我顿悟到，地质氢不仅是积聚，更是一种化学反应，”他说。“如果是化学反应，那就可以被刺激。” 寻找大型地质氢积聚需要偶然发现“恰到好处”的组合条件：你需要富含铁的源岩，这些岩石已产生或正在产生丰富的氢气；你需要多孔的储层岩石，能够容纳从源岩迁移来的大量气体；你还需要储层上方坚固的盖岩，将气体封存在地下。 然而，要刺激产氢，你不需要这种特定地质。你只需拥有富含铁的岩石，然后就能自己生成氢气。 “这些岩石无处不在，”Wicks说。“如果看地壳钻探范围内的铁含量，相当于数万亿吨的氢气可获取。即使在美国只有1%的成功率，也能支撑经济运转数千年。”一次粗略估算让他相信，刺激性地质氢的成本完全可以与甲烷制氢竞争。“如果我们掌握了这项技术，”他总结道，“这可能是件大事。” Wicks并非首个提出此想法的人，但他是第一个投入巨额资金的人。2024年，在他领导下，ARPA-E向16个团队提供了2000万美元资助，以推进激发技术研究。获奖方案包括：用流体压力或机械刺激压裂岩石、暴露于催化剂以加速产氢反应、以及操纵原生微生物群落以增强产量。Eden的破岩项目——唯一的电力方案——获得了90万美元资助。 ## Eden GeoPower的地下破岩技术 Eden的CEO Paris Smalls（https://www.linkedin.com/in/paris-smalls/）于2017年创立该公司，当时他是麻省理工学院23岁的研究生。他在攻读土木与环境工程博士学位期间，研究电流对岩石强度的影响，并对增强型地热系统产生兴趣。该系统需要压裂高温干燥岩石，使水循环通过其中以提取热能。这通常采用水力压裂或“压裂”技术——一种借鉴自油气行业的方法，涉及注入高压流体。 水力压裂存在争议，因其可能引发地震和地下水污染，许多地区已禁止该技术。从工程角度看，它也不够精确。其形成的裂缝尺寸大且难以控制。“你无法在想要的地方产生足够裂缝，因为水最终只是流经相同的裂缝，”Smalls解释道。他在博士工作中得知，电流能创建更广泛且精细调控的裂缝网络，使地热系统能以更低环境风险产生更多热量。 Eden的科学家首先在拇指大小的硬岩圆柱体上试验脉冲功率。但他们并未将每个样品浸入水中，而是将一对电极置于圆柱体两端，直接向岩石输送脉冲。采用这种源于Smalls等人研究的“干式脉冲”方法，团队发现能在矿物颗粒间微小的湿润空隙中形成等离子体。“我们本质上是在岩石内部生成等离子体通道，”Eden研发副总裁Rafael Villamor-Lora（https://www.linkedin.com/in/rvillamor/）解释道。通过足够数量的脉冲，快速膨胀的通道（如同尤特金的研究）诱发冲击波，使岩石破裂。 为将技术推向现场，Eden需要足够高的电压来击穿数米厚的坚实岩石。显而易见的解决方案是马克思发生器——它通过缓慢充电、然后快速放电多个并联电容器，将低压直流电转换为高压脉冲。（马克思发生器常用于高……）