欧博官网登录地址:可燃冰,究竟是不是画大饼?

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本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:中年维特, 校稿:辜汉膺,编辑:板栗,头图来自:视觉中国


2015年前后,在石油价格节节攀升,环境问题日益凸显的背景下,看名字就很有噱头的可燃冰一度成为地球村全村人的希望。不但中、美、日等大国纷纷进行实验性开发,还被编入考题,写进新闻,一时间风光无两。


可燃冰 新晋网红?


甚至数学不好的某媒体编辑,还闹出过“100L可燃冰,可让汽车跑5万公里”的大乌龙,经过广泛传播,进一步加深了可燃冰的神话色彩(100L可燃冰换算一下还不够100L常规液态天然气,别说5万公里,300公里也难跑到)


然而,几年过去了,曾经被嘲笑骗补贴的新能源发展成了“宁王”、“迪王”。可燃冰却不见踪迹,只是偶尔会被冠以“中国储量第一”、“够用1000年”的标题,出现在犄角旮旯的推文中。


可燃冰为什么搞不出大新闻了?它真的那么有前景吗?


一、能源续命的种子选手


可燃冰指的是天然气水合物,因看上去像冰却可以燃烧的特性得名。它通常在0℃~10℃、10MPa以上的压力、拥有充足水源和气源的环境下,由气体分子和水分子形成。气体可以是甲烷,也可以是乙烷、二氧化碳、硫化氢、氮气等,都是天然气田中的常见成分。


甲烷被水分子包围并被困在分子笼中这种分子结构被称为包合物(图:可燃冰球棍模型 参考:world ocean review)


可燃冰中的烃类气体主要有三种来源,有的来自于微生物的分解,称为微生物气型;有的来自于深部油气田的热降解,称为热解气型,两者混合形成的就叫混合气型。在海域发现的可燃冰绝大多数为微生物气型,在陆域发现的可燃冰以混合气型、热解气型为主。


(图:可燃冰生成过程 参考:world ocean review)


根据气体分子的不同,可燃冰可以分为三类:


  • I型由甲烷、乙烷、二氧化碳、硫化氢等较小直径的气体分子和水分子结合而成;


  • Ⅱ型由甲烷、乙烷等小分子,丙烷及异丁烷等较大分子和水分子结合而成;


  • H型由气体组分中有异戊烷等较大气体分子和水分子结合而成。


(各类可燃冰结构及组成 图:wiki)



(I型甲烷笼型结构 图:flickr)


在标准状况下,1立方米可燃冰可释放出164立方米天然气和0.8立方米的水,能量密度是天然气的2至5倍、是煤的10倍。惊人的能量密度让它具备广泛的应用场景。


更好的消息是,可燃冰的分布非常广泛,27%的陆域和90%的海域都存在可燃冰。前者主要分布在大陆永久冻土区;后者主要贮藏在深海浅底部的沉积物中,太平洋沿岸海域分布尤其密集。全球可燃冰含碳量超过已探明煤炭、石油、天然气三者含碳量总和的2倍。



横屏—全球可燃冰分布情况 (图:USGS)


中国的可燃冰开发潜力尤其巨大,根据《中国矿产资源报告2018》的初步预测,中国可燃冰资源量高达800亿吨油当量。


不过,正因为对于可燃冰的勘探与应用还在比较初期的阶段,很难给出一个可靠的世界各国可燃冰储量排名。所以中国的可燃冰储量虽然大,在现阶段渲染“全球储量第一”未必准确也缺乏实际意义。


中国的冻土区总面积达215万平方公里,排名世界第三,蕴藏着350亿吨油当量左右的可燃冰。冻土下的可燃冰可供我国使用近90年。


中国冻土区及可燃冰找矿远景预测图(参考:地质调查科普网 )


青藏高原、西部高原山地和大小兴安岭是中国陆域冻土区可燃冰的集中分布地区。然而,这些地方普遍位于交通不便的高寒地区,地质条件复杂,想要开发并不容易。


而且,这些地区又是中国乃至半个亚洲的水塔,中国、印度、中南半岛和俄罗斯远东地区的母亲河普遍发源于此。当地生态非常脆弱,一旦开发不当,就可能造成严重的环境后果。


中国广袤的深海中预计蕴藏着450亿吨油当量的可燃冰,又以南海的贮藏量最为突出。中国在南海已经发现了两个超千亿立方米的矿藏,圈定11个成矿远景区、25个有利区块。其中神狐海域的可燃冰已经分别于2017年和2020年完成了两次试采。


未来南海可能会成为中国的能源重地。


二、易散的白色石油


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可燃冰具备种种优势,奈何自然状态的可燃冰并不是纯净、集中、敲下来几块就能用的“可燃冰冰川”。而是深埋于高寒的冻土、深海海底沉积物之下,混杂于沙石之中的可燃冰矿产。



可燃冰形成条件十分复杂,在自然界往往呈现出多种形态(不同形态的可燃冰 图:USGS)


开采可燃冰,要面对井筒温度压力控制、安全钻井液密度窗口狭窄、试采出砂严重、环保风险等方方面面的问题。比石油、天然气麻烦多了,甚至比页岩油开采难度更大。


当代社会的能源、化工产业很多是与天然气适配的。能量密度很大的可燃冰,却不能以“冰”的形式直接利用。所以目前的开采方法,还是把可燃冰当作杂质多的天然气,想办法置换出其中的甲烷。


目前,中国、美国、日本、加拿大等强国都在努力研究、勘探可燃冰,谋求早日实现商业化开采。


2002年加拿大率先在北极冻土区利用注热法试采可燃冰。这种方法利用可燃冰20℃时气体分子就会溢出的特性,直接加热天然气水合物层,促使天然气溢出。这是最初级的方法。



注热法示意  (参考:world ocean review)


2008年,加拿大试验减压法,通过降低压力促使天然气水合物分解,取得了比第一次更好的效果。随后2013、2017年日本试采;2017、2020年中国试采使用的都是这种方式。目前减压法是相对比较成熟,应用最多的方法。



减压法示意(参考:world ocean review)


2012年,美国试验了二氧化碳置换开采法,在一定的温度和压强下注入二氧化碳,与水结合置换出甲烷。二氧化碳水合物形成会放热,进一步促进可燃冰分解。这种操作不但采集了甲烷,还封存了二氧化碳,而且更安全,就是难度系数太大,暂时没有商业化前景。



二氧化碳置换法示意 (参考:world ocean review)


除了这些成功试采的方法外,还有化学试剂注入开采法;直接开采可燃冰矿,在浅水分解的固体开采法等等方式。


从目前五花八门的开采方式便不难看出,可燃冰的大规模开采尚在试验阶段。类似20年前处在页岩革命前夕的页岩油气,可燃冰未来可期,但是当前技术却不够成熟,商业化成本较高。


三、为什么没下文了?


在2010年代,各国纷纷上马可燃冰试验,不但技术上突飞猛进,还在宣传上开足马力,让可燃冰似乎成为了接棒石油的新能源。如今关于可燃冰的消息似乎没了下文,这背后的原因是多方面的。


最根本的原因是如今常规天然气不够枯竭,如果没有地区冲突的影响,天然气供应非常稳定,价格也比较低廉。而水合物的分解是吸热反应,开采过程中需要不断注热和降压,以破坏相平衡条件。这就决定了可燃冰的开采成本低不了。


而可燃冰的竞争者却已经已经成熟了。页岩气革命比尚未达成的“可燃冰革命”早了几步,页岩气开采成本大幅下降。页岩气技术的成熟降低了发展可燃冰技术的紧迫性,进一步提高了商业化的难度。

其次在于开采可燃冰的生态风险过高。甲烷是一种强效温室气体,它的温室效应为二氧化碳的20倍,全球海底可燃冰中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍。


偏偏开采可燃冰容易引发甲烷泄露,甚至是海底滑坡,生产事故可能会演变为生态和地质的双重灾难。这进一步提高了可燃冰开采的成本和技术难度。



如何规避或应对开采可燃冰,可能引发的灾害还需进一步研究


更大的悲剧是,可燃冰尚未等到属于自己的时代,时代就已经变了。近年来,气候变化终于发展到了肉眼可见,影响每一个人生活的地步。绿色能源转型成为了全世界的共识。


天然气可以作为过渡但是终究不是长久之计。可燃冰这种“不纯的天然气”相较于风口上的风电、光电、锂电显然不是优先选择。


即使将来可燃冰大规模商业开发成功,也仅仅意味着成功为化石能源续命,而非从根本上改变能源结构。如果没有技术突破,可燃冰大规模商业化会以常规天然气资源进一步枯竭,气价上升为前提。到那时,发展可再生能源会变得更加紧迫。


即使如此,继续研究可燃冰依旧意义重大,因为可燃冰绝不仅仅是“有杂质的天然气”。可燃冰大量分解可能是二叠纪-三叠纪生物大灭绝的原因,了解背后的机制才能避免悲剧重演;海底和冻土中的天然气管道维护成本极高,偏偏符合低温、高压、有气源的条件,容易形成可燃冰堵塞管道。

只有研究可燃冰的生成原理,才能减少管道可燃冰的形成,降低维护成本。而且,人工可燃冰为更安全地运输天然气提供了新的可能。而二氧化碳封存技术即使不是为了能源,在双碳背景下也显得很有意义。


因此,可燃冰成为人类能源支柱的未来,并不是最好的未来,但是可燃冰的研究前景,却值得期待。


参考资料:

1.付亚荣,李明磊,王树义,李云峰,李莉.中国陆域冻土层可燃冰勘探开发现状与前景[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2018:6-16.2.任辉,周锋,宁树正,王松,兰友根.我国人工可燃冰开发利用状况与战略研究[J].中国煤炭地质,2019:5-11.3.汤晓勇,陈俊文,郭艳林,梁法春,王驰.可燃冰开发及试采技术发展现状综述[J].天然气与石油,2020:7-15.

4.https://www.cgs.gov.cn/ddztt/jqthd/trqshw/kybkp/201705/t20170527_430755.html

5.可燃冰——未来新能源的翘楚 - 地质调查科普网 (china-shj.org.cn)

6.不吹不黑,中国可燃冰开采真比外国强?_中国地质调查局 (cgs.gov.cn)


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