电击岩石，注水制氢：地下闪电开启清洁能源新纪元
1. 电击岩石，注水制氢
在波士顿郊区一处宁静的角落，马场的边缘，牧场逐渐过渡为林地，一台起重机将巨大的电极缓缓放入钻孔中。这根半米长的圆柱形电极，带有铜尖臂以确保与钻孔壁的良好接触，不断下降，穿过松软砂岩层，深入数百米下古老山脉坚硬的大理石状岩根。这里的岩石致密，几乎没有裂缝可供水或气体流动。但这种情况即将改变。不远处，第二根电极——与第一根相同——已固定在另一钻孔的同一深度。地面上，一对高压发生器通过电缆连接到两根电极，发射一系列脉冲。嘶嘶嘶嘶嘶……每次放电，在地表都能隐约听到，就像一次微型的、地下的闪电。电极之间的岩石受热，压力积聚，然后，岩石突然裂成蛛网般的裂缝。
2. 地下制氢的梦想与现实
总部位于马萨诸塞州的初创公司Eden GeoPower正在进行这项特殊的现场测试，他们称这项技术为“电储层刺激”。公司的口号是：“我们用电力破碎岩石。”Eden的研究人员希望他们的破岩技术未来能助力矿产开采、地热利用，或为碳创造地质封存空间。但更引人入胜的用途可能开创全新的能源生产方式：在地下生成氢气。氢能经济的梦想可追溯至20世纪70年代，当时石油短缺和对化石燃料污染的担忧，催生了以氢而非碳为燃料的汽车、船舶、飞机和工业机械的愿景。氢常被吹捧为清洁燃料，因为它在燃烧或燃料电池中消耗时，只排放水和热。然而，目前制造氢所消耗的能量比其产出的还多，最便宜且最常见的方法是通过蒸汽与甲烷（一种强效温室气体）反应。利用可再生能源驱动的电解器分解水可以制造零碳氢，但在大多数情况下，这一过程成本过高，难以经济可行——这一现实在2020年代初戳破了氢能泡沫。2024年全球氢需求约达1亿吨，所含能量仅相当于全球年能源消耗的约3%。大部分氢用作石油精炼和制造化肥、塑料的化学原料。清洁氢制造的困境促使许多企业家和科学家转而在地下寻找这种元素。过去五年，全球数十家公司一直在寻找埋藏的氢储层，即天然或地质氢。但在商业规模运营尚未证实的情况下，Eden和其他几家初创公司及研究团队正追逐更大胆的计划：人工生产地质氢。这种方法被称为“刺激地质氢”或“工程氢”，将地下岩层转变为巨大的氢工厂。通常涉及向富含铁的岩石注水，铁氧化后释放氢作为副产品。像Eden正在做的那样破碎岩石，为水到达含铁矿物创造了通道网络。刺激氢的概念如此新颖，以至于很少有人有机会测试它。支持者表示，如果它奏效——这是一个很大的“如果”——它可能在无限期的未来提供几乎无限的能源。有一种方法可以验证：开始破碎岩石。
3. 地下氢的丰富储量
氢是宇宙中最简单、最丰富的元素，是恒星和星系的构成物质。地质学家早已知道地球通过自然水岩反应产生氢气，但直到最近，这种现象仍被视为奇闻。氢气极轻，大多数专家曾假设它全部通过地下孔隙和裂缝逸出，不会以有用量积聚。19世纪和20世纪，前俄罗斯帝国和苏联的研究人员报告称矿井和水井中渗出氢气，暗示他们可能错了。但在化石燃料狂热中，这些观察大多被忽视或遗忘。科学家后来发现氢从海底热液喷口喷出，滋养所谓的“永恒火焰”，如土耳其奇美拉山，古代运动员曾在那里为第一届奥运会点燃火炬。1987年，在马里Bourakébougou村，人们钻水井时注意到洞口吹出微风。据当地传说，一名工人凑近查看，嘴里叼着点燃的香烟，空气瞬间点燃，燃烧出明亮的蓝色火焰。工作人员封住了井，封存了25年，直到2012年，马里一家油气勘探公司确认地下含有大量氢储层。这家勘探公司现名为Hydroma，建造了一座小型发电厂，将气体转化为电力供村民使用。不久后，澳大利亚、加拿大、美国等地的初创公司开始寻找更多氢储层。到2025年，大型跨国石油和矿业公司也加入其中。迄今为止，全球已钻探数百口勘探井。但尽管研究人员记录了广泛的氢沉积，没有一口井能证明以商业化的速率和数量生产气体。美国高级研究计划局能源部前项目主任Douglas Wicks表示：“我们钻了很多洞，没人找到喷涌的井——或者至少他们没在谈论。”Wicks说，2022年在ARPA-E时，他被当时的研究员Emily Yedinak“拖入地质氢的兔子洞”，她试图说服同事们认真对待。Wicks说：“我是终极怀疑者。”电解器的高昂价格让他怀疑清洁氢是否可行。此外，他推理，如果地球真的含有大量氢池，那么人类挖掘自然资源数千年，肯定早就发现了。但在与地质学家交谈后——他们指出人们历史上没找到氢是因为没去找——Wicks改变了态度。他说：“我顿悟到地质氢不仅是积聚；它是一种化学反应。如果是化学反应，那么就可以刺激。”
4. 刺激氢的潜力与挑战
找到大型地质氢积聚需要偶然遇到一系列恰到好处的条件。你需要富含铁的来源岩，已经或正在产生丰富的氢。你还需要多孔的储层岩，能容纳从来源岩迁移的大量气体。储层上方还需要致密的盖层，将气体困在地下。然而，要刺激氢，你不需要这种恰到好处的地质。你只需要富含铁的岩石，然后自己生成氢。Wicks说：“这些岩石无处不在。如果你看看地壳钻探范围内铁的含量，就能接触到数万亿吨氢。如果我们在美国只有1%的成功率，就能为经济提供数千年的动力。”粗略估算让他相信，刺激地质氢的成本可以轻松与甲烷制氢竞争。他总结道：“如果我们技术得当，这可能非常巨大。”Wicks不是第一个提出这个想法的人，但他是第一个投入大量资金的人。2024年，在他的领导下，ARPA-E向16个团队拨款2000万美元，旨在推进刺激技术和研究。获奖想法包括用流体压力或机械刺激破碎岩石，暴露于催化剂以加速产氢反应，以及操纵本地微生物群落以增强产量。Eden的破岩项目是唯一基于电力的方法，获得了90万美元。
5. Eden GeoPower的岩石破碎技术
Eden的首席执行官Paris Smalls于2017年创立公司，当时他23岁，是麻省理工学院的研究生。在攻读土木与环境工程博士学位期间，他研究电力对岩石强度的影响，并对增强型地热系统产生兴趣，这需要破碎热干岩以循环水提取热量。这通常通过水力压裂完成——一种从油气行业借用的技术，涉及注入高压流体。水力压裂因可能引发地震和地下水污染而备受争议，许多地区已禁止。从工程角度看，它也不精确。形成的裂缝大且难以控制。Smalls解释说：“你无法在需要的地方获得足够裂缝，因为水最终只通过相同的裂缝。”他从博士工作中知道，电力可以创造更广泛、更精细的裂缝网络，使地热系统产生更多热量，同时减少环境风险。Smalls立即意识到同样的破岩策略可用于矿产开采、碳封存和延长油气井寿命。但他没想到用它制氢。因此，当Wicks邀请他申请ARPA-E氢项目时，他感到困惑。Smalls说：“我完全不明白。我想，‘我破碎岩石。怎么生成氢？’”不久后，Smalls遇到了科罗拉多大学博尔德分校的地质微生物学家Alexis Templeton，她通过研究消耗氢的微生物和产生氢的矿物转化，成为地质氢专家。Templeton回忆说：“早期有很多兴趣探讨是否可以从岩石中工程化生产氢。潜力最大的岩石具有所有合适的化学性质，但需要水。没人热衷于水力压裂。所以大家都在想，‘我们怎么把水弄进去？’”Templeton明白，Eden的技术可能是答案。她同意兼职加入公司担任首席地球化学家，从2023年到2025年任职。期间，Eden在阿曼的一个油田进行了首次试点实验，靠近Templeton已经进行氢研究的地方。初始设置使用直流电在两口井的电极之间发送数十千瓦的稳定电流。当Smalls的团队在软白垩碳酸盐岩的石油储层中测试时，岩石容易破碎，石油产量增加了30%。但当他们在硬岩中做同样测试时，如氢和地热系统所需的岩石，几乎没有破碎。于是团队回到绘图板，想出了一个解决方案：脉冲功率。
6. 脉冲功率破碎岩石
使用脉冲功率——短暂、集中的电能爆发——破碎物体的想法源于20世纪中叶苏联时代俄罗斯的一次实验。故事是这样的，物理学家兼发明家Lev Yutkin在雷雨中看到闪电击中水下圆木。圆木没有像在空气中那样燃烧，而是像被炸药炸开一样爆炸了。Yutkin感到好奇，试图在实验室重现这一景象。他把一个餐盘放在水箱中，浸入两根线电极，释放高压脉冲。他发现，随后的火花瞬间将电极之间的水分子电离成等离子体通道，然后迅速膨胀，产生冲击波震碎了盘子。Yutkin在1955年的著作《电液压效应》中描述了这一现象。他后来提出了许多奇思妙想的用途，如清洁管道或击碎肾结石，这启发了今天使用的真实工具，包括电液压钻和碎石机，以及一种名为碎石机的击碎肾结石医疗设备。随后的几十年里，脉冲功率系统和实验技术取得了进步，以更好地理解涉及的复杂物理过程。到2020年代，当Smalls的团队开始研究将其用于地下岩石破碎时，这项技术似乎已经成熟，尽管该特定应用在实验室外鲜有探索。Eden的研发副总裁Rafael Villamor-Lora说：“我们基本上在岩石本身中生成等离子体通道。这个通道然后非常非常迅速地膨胀，”用冲击波破碎岩石。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。然而，他们没有将每个样品浸入水中，而是在圆柱体两端放置一对电极，直接向岩石传递脉冲。使用这种干脉冲方法，团队发现他们可以在矿物颗粒之间的微小潮湿口袋中形成等离子体。Villamor-Lora解释说：“我们基本上在岩石本身中生成等离子体通道。”通过足够的脉冲，快速膨胀的通道，如Yutkin的研究，诱导冲击波破碎岩石。
7. 现场测试与未来展望
要将技术带到现场，Eden需要足够高的电压来击穿数米厚的固体岩石。明显的解决方案是Marx发生器，它通过并联多个电容器缓慢充电然后快速放电，将低压直流电转换为高压脉冲。（Marx发生器常用于高能物理实验和模拟电力线上的雷击。）Eden定制了两台设备——以雷神之名命名为Zeus和Thor——它们一起可以释放数百千伏的浪涌。这次，计划奏效了。2025年，在科罗拉多州一座废弃金银矿中，Eden使用Thor成功破碎了坚硬的火成岩柱，将其渗透性提高了十倍。今年3月，公司开始在马萨诸塞州马场建立测试点，以完善系统并收集更多关于技术在不同地质环境中表现的数据。其工程师还在设计更强大的发生器，以释放更强、更快的脉冲。由于Zeus和Thor消耗的功率非常小——类似于运行一两个烤面包机——大约需要一分钟来储存足够的能量以发射最大脉冲。然后大约需要100个脉冲才能穿透约10米硬岩。因此，在更长距离或多个深度破碎可能需要数小时到数天。这意味着Eden最大的成本是劳动力，而不是能源。Smalls表示，Eden已与一家地质氢初创公司签署协议（他拒绝透露是哪家），以在刺激氢的现场试点中演示电破碎，可能于明年晚些时候开始。Eden需要证明其技术能帮助以盈利的速率和成本从地下引出气体。
🔗 原文链接：https://spectrum.ieee.org/stimulated-geologic-hydrogen
电击岩石，注水制氢：地下闪电开启清洁能源新纪元
1. 电击岩石，注水制氢
在波士顿郊区一处宁静的角落，马场的边缘，牧场逐渐过渡为林地，一台起重机将巨大的电极缓缓放入钻孔中。这根半米长的圆柱形电极，带有铜尖臂以确保与钻孔壁的良好接触，不断下降，穿过松软砂岩层，深入数百米下古老山脉坚硬的大理石状岩根。这里的岩石致密，几乎没有裂缝可供水或气体流动。但这种情况即将改变。不远处，第二根电极——与第一根相同——已固定在另一钻孔的同一深度。地面上，一对高压发生器通过电缆连接到两根电极，发射一系列脉冲。嘶嘶嘶嘶嘶……每次放电，在地表都能隐约听到，就像一次微型的、地下的闪电。电极之间的岩石受热，压力积聚，然后，岩石突然裂成蛛网般的裂缝。
2. 地下制氢的梦想与现实
总部位于马萨诸塞州的初创公司Eden GeoPower正在进行这项特殊的现场测试，他们称这项技术为“电储层刺激”。公司的口号是：“我们用电力破碎岩石。”Eden的研究人员希望他们的破岩技术未来能助力矿产开采、地热利用，或为碳创造地质封存空间。但更引人入胜的用途可能开创全新的能源生产方式：在地下生成氢气。氢能经济的梦想可追溯至20世纪70年代，当时石油短缺和对化石燃料污染的担忧，催生了以氢而非碳为燃料的汽车、船舶、飞机和工业机械的愿景。氢常被吹捧为清洁燃料，因为它在燃烧或燃料电池中消耗时，只排放水和热。然而，目前制造氢所消耗的能量比其产出的还多，最便宜且最常见的方法是通过蒸汽与甲烷（一种强效温室气体）反应。利用可再生能源驱动的电解器分解水可以制造零碳氢，但在大多数情况下，这一过程成本过高，难以经济可行——这一现实在2020年代初戳破了氢能泡沫。2024年全球氢需求约达1亿吨，所含能量仅相当于全球年能源消耗的约3%。大部分氢用作石油精炼和制造化肥、塑料的化学原料。清洁氢制造的困境促使许多企业家和科学家转而在地下寻找这种元素。过去五年，全球数十家公司一直在寻找埋藏的氢储层，即天然或地质氢。但在商业规模运营尚未证实的情况下，Eden和其他几家初创公司及研究团队正追逐更大胆的计划：人工生产地质氢。这种方法被称为“刺激地质氢”或“工程氢”，将地下岩层转变为巨大的氢工厂。通常涉及向富含铁的岩石注水，铁氧化后释放氢作为副产品。像Eden正在做的那样破碎岩石，为水到达含铁矿物创造了通道网络。刺激氢的概念如此新颖，以至于很少有人有机会测试它。支持者表示，如果它奏效——这是一个很大的“如果”——它可能在无限期的未来提供几乎无限的能源。有一种方法可以验证：开始破碎岩石。
3. 地下氢的丰富储量
氢是宇宙中最简单、最丰富的元素，是恒星和星系的构成物质。地质学家早已知道地球通过自然水岩反应产生氢气，但直到最近，这种现象仍被视为奇闻。氢气极轻，大多数专家曾假设它全部通过地下孔隙和裂缝逸出，不会以有用量积聚。19世纪和20世纪，前俄罗斯帝国和苏联的研究人员报告称矿井和水井中渗出氢气，暗示他们可能错了。但在化石燃料狂热中，这些观察大多被忽视或遗忘。科学家后来发现氢从海底热液喷口喷出，滋养所谓的“永恒火焰”，如土耳其奇美拉山，古代运动员曾在那里为第一届奥运会点燃火炬。1987年，在马里Bourakébougou村，人们钻水井时注意到洞口吹出微风。据当地传说，一名工人凑近查看，嘴里叼着点燃的香烟，空气瞬间点燃，燃烧出明亮的蓝色火焰。工作人员封住了井，封存了25年，直到2012年，马里一家油气勘探公司确认地下含有大量氢储层。这家勘探公司现名为Hydroma，建造了一座小型发电厂，将气体转化为电力供村民使用。不久后，澳大利亚、加拿大、美国等地的初创公司开始寻找更多氢储层。到2025年，大型跨国石油和矿业公司也加入其中。迄今为止，全球已钻探数百口勘探井。但尽管研究人员记录了广泛的氢沉积，没有一口井能证明以商业化的速率和数量生产气体。美国高级研究计划局能源部前项目主任Douglas Wicks表示：“我们钻了很多洞，没人找到喷涌的井——或者至少他们没在谈论。”Wicks说，2022年在ARPA-E时，他被当时的研究员Emily Yedinak“拖入地质氢的兔子洞”，她试图说服同事们认真对待。Wicks说：“我是终极怀疑者。”电解器的高昂价格让他怀疑清洁氢是否可行。此外，他推理，如果地球真的含有大量氢池，那么人类挖掘自然资源数千年，肯定早就发现了。但在与地质学家交谈后——他们指出人们历史上没找到氢是因为没去找——Wicks改变了态度。他说：“我顿悟到地质氢不仅是积聚；它是一种化学反应。如果是化学反应，那么就可以刺激。”
4. 刺激氢的潜力与挑战
找到大型地质氢积聚需要偶然遇到一系列恰到好处的条件。你需要富含铁的来源岩，已经或正在产生丰富的氢。你还需要多孔的储层岩，能容纳从来源岩迁移的大量气体。储层上方还需要致密的盖层，将气体困在地下。然而，要刺激氢，你不需要这种恰到好处的地质。你只需要富含铁的岩石，然后自己生成氢。Wicks说：“这些岩石无处不在。如果你看看地壳钻探范围内铁的含量，就能接触到数万亿吨氢。如果我们在美国只有1%的成功率，就能为经济提供数千年的动力。”粗略估算让他相信，刺激地质氢的成本可以轻松与甲烷制氢竞争。他总结道：“如果我们技术得当，这可能非常巨大。”Wicks不是第一个提出这个想法的人，但他是第一个投入大量资金的人。2024年，在他的领导下，ARPA-E向16个团队拨款2000万美元，旨在推进刺激技术和研究。获奖想法包括用流体压力或机械刺激破碎岩石，暴露于催化剂以加速产氢反应，以及操纵本地微生物群落以增强产量。Eden的破岩项目是唯一基于电力的方法，获得了90万美元。
5. Eden GeoPower的岩石破碎技术
Eden的首席执行官Paris Smalls于2017年创立公司，当时他23岁，是麻省理工学院的研究生。在攻读土木与环境工程博士学位期间，他研究电力对岩石强度的影响，并对增强型地热系统产生兴趣，这需要破碎热干岩以循环水提取热量。这通常通过水力压裂完成——一种从油气行业借用的技术，涉及注入高压流体。水力压裂因可能引发地震和地下水污染而备受争议，许多地区已禁止。从工程角度看，它也不精确。形成的裂缝大且难以控制。Smalls解释说：“你无法在需要的地方获得足够裂缝，因为水最终只通过相同的裂缝。”他从博士工作中知道，电力可以创造更广泛、更精细的裂缝网络，使地热系统产生更多热量，同时减少环境风险。Smalls立即意识到同样的破岩策略可用于矿产开采、碳封存和延长油气井寿命。但他没想到用它制氢。因此，当Wicks邀请他申请ARPA-E氢项目时，他感到困惑。Smalls说：“我完全不明白。我想，‘我破碎岩石。怎么生成氢？’”不久后，Smalls遇到了科罗拉多大学博尔德分校的地质微生物学家Alexis Templeton，她通过研究消耗氢的微生物和产生氢的矿物转化，成为地质氢专家。Templeton回忆说：“早期有很多兴趣探讨是否可以从岩石中工程化生产氢。潜力最大的岩石具有所有合适的化学性质，但需要水。没人热衷于水力压裂。所以大家都在想，‘我们怎么把水弄进去？’”Templeton明白，Eden的技术可能是答案。她同意兼职加入公司担任首席地球化学家，从2023年到2025年任职。期间，Eden在阿曼的一个油田进行了首次试点实验，靠近Templeton已经进行氢研究的地方。初始设置使用直流电在两口井的电极之间发送数十千瓦的稳定电流。当Smalls的团队在软白垩碳酸盐岩的石油储层中测试时，岩石容易破碎，石油产量增加了30%。但当他们在硬岩中做同样测试时，如氢和地热系统所需的岩石，几乎没有破碎。于是团队回到绘图板，想出了一个解决方案：脉冲功率。
6. 脉冲功率破碎岩石
使用脉冲功率——短暂、集中的电能爆发——破碎物体的想法源于20世纪中叶苏联时代俄罗斯的一次实验。故事是这样的，物理学家兼发明家Lev Yutkin在雷雨中看到闪电击中水下圆木。圆木没有像在空气中那样燃烧，而是像被炸药炸开一样爆炸了。Yutkin感到好奇，试图在实验室重现这一景象。他把一个餐盘放在水箱中，浸入两根线电极，释放高压脉冲。他发现，随后的火花瞬间将电极之间的水分子电离成等离子体通道，然后迅速膨胀，产生冲击波震碎了盘子。Yutkin在1955年的著作《电液压效应》中描述了这一现象。他后来提出了许多奇思妙想的用途，如清洁管道或击碎肾结石，这启发了今天使用的真实工具，包括电液压钻和碎石机，以及一种名为碎石机的击碎肾结石医疗设备。随后的几十年里，脉冲功率系统和实验技术取得了进步，以更好地理解涉及的复杂物理过程。到2020年代，当Smalls的团队开始研究将其用于地下岩石破碎时，这项技术似乎已经成熟，尽管该特定应用在实验室外鲜有探索。Eden的研发副总裁Rafael Villamor-Lora说：“我们基本上在岩石本身中生成等离子体通道。这个通道然后非常非常迅速地膨胀，”用冲击波破碎岩石。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。然而，他们没有将每个样品浸入水中，而是在圆柱体两端放置一对电极，直接向岩石传递脉冲。使用这种干脉冲方法，团队发现他们可以在矿物颗粒之间的微小潮湿口袋中形成等离子体。Villamor-Lora解释说：“我们基本上在岩石本身中生成等离子体通道。”通过足够的脉冲，快速膨胀的通道，如Yutkin的研究，诱导冲击波破碎岩石。
7. 现场测试与未来展望
要将技术带到现场，Eden需要足够高的电压来击穿数米厚的固体岩石。明显的解决方案是Marx发生器，它通过并联多个电容器缓慢充电然后快速放电，将低压直流电转换为高压脉冲。（Marx发生器常用于高能物理实验和模拟电力线上的雷击。）Eden定制了两台设备——以雷神之名命名为Zeus和Thor——它们一起可以释放数百千伏的浪涌。这次，计划奏效了。2025年，在科罗拉多州一座废弃金银矿中，Eden使用Thor成功破碎了坚硬的火成岩柱，将其渗透性提高了十倍。今年3月，公司开始在马萨诸塞州马场建立测试点，以完善系统并收集更多关于技术在不同地质环境中表现的数据。其工程师还在设计更强大的发生器，以释放更强、更快的脉冲。由于Zeus和Thor消耗的功率非常小——类似于运行一两个烤面包机——大约需要一分钟来储存足够的能量以发射最大脉冲。然后大约需要100个脉冲才能穿透约10米硬岩。因此，在更长距离或多个深度破碎可能需要数小时到数天。这意味着Eden最大的成本是劳动力，而不是能源。Smalls表示，Eden已与一家地质氢初创公司签署协议（他拒绝透露是哪家），以在刺激氢的现场试点中演示电破碎，可能于明年晚些时候开始。Eden需要证明其技术能帮助以盈利的速率和成本从地下引出气体。
🔗 原文链接：https://spectrum.ieee.org/stimulated-geologic-hydrogen