吳明勳 副教授

國立成功大學機械工程學系

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氫氣（H₂）長久以來被視為一種「次級能源」，也就是我們必須消耗其他能源（如天然氣或電力）來製造它。無論是「灰氫」（來自化石燃料）、「藍氫」（化石燃料加碳捕捉）、或「綠氫」（電解水製成），都是經過人造過程產製。然而，近期一連串的地質研究發現，地球深處或許蘊藏著大量天然氫氣，這類氫被稱為「白氫」或「自然氫」，甚至有潛力成為初級能源，像煤炭、石油或天然氣一樣，直接從地下提取、即取即用。

白氫的起源：地球深處的化學反應

天然氫主要透過一種稱為「蛇紋岩化作用」（serpentinization）的地質過程產生，當水滲入含有鐵鎂矽酸鹽的超鎂鐵岩（如橄欖石）中，與其發生反應，會生成蛇紋石與磁鐵礦，並釋放出氫氣（參見圖1）。這一過程的最佳反應溫度介於攝氏 200 至 300 度，主要發生在地球板塊邊界、俯衝帶、以及古代海洋岩層（ophiolite）等構造活躍地區 [1]。

圖1 水分自然滲入地底經蛇紋岩化作用形成「白氫」。透過人為加壓將水注入岩層產生之氫氣則稱為「橘氫」。

傳說中的能源已成真？白氫的發現與熱點

早期科學家認為氫氣太輕，難以在地下形成穩定儲層，因此自然氫長期未被重視。直到近年，像西非馬利（Mali）Bourakébougou 的氫氣泉不僅被證實存在，當地從 2011 年起，即有一座以天然氫為燃料的小型發電設施持續運作。這類氫泉常在地表形成如圖2之圓形植被缺口，被稱為「仙女圈」（fairy circles），成為搜尋天然氫的線索之一。

圖2 位於納米比亞沙漠中之仙女圈（Fairy circles）。最新研究推測此類仙女圈成因為地底之氫氣逸散導致 （Felix Lipov/Shutterstock.com）。

在西班牙、澳洲、土耳其與巴西也發現了多處氫氣釋出熱點[1-3]。其中，澳洲目前已核准了超過 40 項天然氫探勘權，甚至有估計高達數百萬噸可採氫氣的儲量。

儲量與潛力大，但需更多研究

目前對地底天然氫氣儲量的估算仍具高度不確定性，但研究者試圖從地質結構與反應速率推估其潛在產能。例如，位於阿曼的 Samail 蛇紋岩帶可能蘊含數百萬噸氫氣，約等於全球一年氫氣需求[1]。亦有研究推測，地球每年自然釋出的氫氣量可能接近目前人工製氫的一半[1,3]。然而，這些數據多為理論推估，尚需更多現地測量與確認。在澳洲南部，Gold Hydrogen 公司公布其探勘地區可能蘊含約 1.3 至 8.8 百萬噸氫氣的儲量，但仍處於評估與驗證階段[2]。另有報導指出，若能成功開發全球已知的天然氫資源，其中一小部分理論上就能供應全球幾個世代的能源需求。不過這類說法主要基於潛在儲量估算，實際產能與經濟性仍待更多證據支持[4]。天然氫目前仍缺乏大量實地驗證與商業化經驗，未來能否大規模開發，需仰賴更多地質調查、工程試驗與政策支持。

技術可行但仍初期，挑戰與展望並存

開採天然氫的技術與天然氣類似，使用地震探測定位儲層，再用鑽井與管線進行開採。然而，氫氣的高擴散性與潛在爆炸性，相關設計與安全機制需特別強化[1]。氫氣純度會受地下水雜質、共伴氣體（如甲烷、氮氣）等影響，需進一步淨化，增加了處理成本。儘管如此，若開採條件理想，天然氫的成本有潛力低於綠氫的現有製程[1]。目前已有業者將天然氫生產成本預估為每公斤 1.0~1.8 美元，相對於綠氫每公斤約 4 美元的成本具有吸引力，但實際成本仍須視地點、儲層特性與淨化需求而定[1,2]。

展望未來，除了直接開採白氫，還有可能「刺激」蛇紋岩化反應來生產「橘氫」（orange hydrogen），這類利用人為注水與地熱達成的增強型地質氫，可能成為類似頁岩氣革命的關鍵突破。

過去氫氣被當作能源的「載體」，如今，來自地底深處的白氫，讓我們重新審視它成為「初級能源」的潛力。

 

參考文獻：
[1] R.B. Roger, W. Bach, L.F. Bobadilla, T.R. Reina, J.A. Odriozola, R. Amils, V. Blay (2024), Natural hydrogen in the energy transition: Fundamentals, promise, and enigmas, Renewable and Sustainable Energy Reviews 189, 113888.
[2] Gold Hydrogen project and exploration update. HydrogenToday
[3] Yale E360. (2023). Natural Geologic Hydrogen: Could Earth Hold Vast Stores of a New, Clean Fuel? https://e360.yale.edu/features/natural-geologic-hydrogen-climate-change
[4] FuelCellsWorks. (2024). Just a Fraction of the Hydrogen Hidden Beneath Earth’s Surface Could Power Earth for 200 Years, Scientists Findhttps://fuelcellsworks.com