可燃冰:有可能成为未来的能源

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在日本周边的海底之下,埋藏着甲烷储层。在那里,甲烷被困在冰晶体结构的水分子中。在有些地方,覆盖在这些冻结的甲烷水合物矿藏表面的其他沉积物已被腐蚀殆尽,留下发白的,看上去像脏污冰块一样的可燃冰突起在海床上。

拿起一块带到海面,你会发现它的外表和给人的感觉都很像冰,只不过你会发现它在你手中会发出咝咝的声音,用点燃的火柴去靠近它,不仅会融化,还会燃烧起来。

大型国际研究项目和日本等国家的公司,正在争相研究从海底开采这种与人的直觉不符的奇怪物质(人们称之为可燃冰),以获取其中的甲烷燃料。如果一切按计划进行,十年后日本等国家们可能就要开始商业性开采。但截至目前,进展远远称不上顺利。

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Image caption 这种不起眼的物质能解决未来的能源危机吗?

毫无疑问,甲烷水合物可能会成为一种主要的燃料来源。最近有人估计,它们大约相当于石油、天然气和煤炭等其他化石燃料储藏的总碳量的三分之一。多个国家,尤其是日本,希望对其进行开采。找到甲烷水合物并不难,它们通常会留下一种勘察船能够以震测方式发现的特征。真正的挑战在于分离甲烷并将其输送到海面。

美国地质调查局(US Geological Survey)的天然气水合物项目负责人拉佩尔(Carolyn Ruppel)说,“有一点很清楚,我们永远不会下到海底去开采这些像冰一样的沉积物”。

一切问题都归结于甲烷水合物的物理特性。它们对压力和温度非常敏感,人类根本无法简单地将其开采出来并输送到陆地上。可燃冰往往埋藏在水深约为500米的海底以下几百米处。那里的压力远高于海平面,温度接近0摄氏度。离开高压和低温环境后,甲烷水合物会在甲烷被提取出来之前已经分解。不过还是有办法开采。

拉佩尔说,“必须强迫这些沉积物在海底把甲烷释放出来,然后再提取释放出来的甲烷”。

甲烷水合物:一种全球性资源

在全世界都能找到所谓的“可燃冰”。随着其他化石燃料来源的耗尽,它们将变得越来越宝贵。

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Image caption 全球的甲烷水合物储藏分布

日本政府资助的一个研究项目正在朝这个方向努力。日本经过几年的初步研究,对可能存在甲烷水合物的海域进行了评估后,于2013年启动了全球首个海底开采可燃冰测试计划。日本石油天然气和金属国家公司(Japan Oil, Gas and Metals National Corporation)甲烷水合物研究与发展小组的负责人山本幸治(Koji Yamamoto,音)说,“这在全世界是首开先河”。山本幸治也是日本国家甲烷水合物研究项目的主要研究人员之一。

通过在日本本州东海湾附近的南海海沟的海底钻孔,该团队得以从甲烷水合物储层中提取出了甲烷气体。他们通过降低储层受到的压力,得以释放并收集甲烷气体。这场试验持续了六天,直到沙子进入气井,堵塞了管道。

2017年,日本又在南海海沟进行了第二次试验。这一次,研究人员使用了两口测试气井。第一口井遇到了和之前一样的问题,几天后就被沙子堵住。但山本幸治说,第二口井连续24天没有出现技术问题。

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Image caption 2013年,“地球号”(Chikyu)深海钻井船成功地从日本中部附近海域中开采出了甲烷水合物。

尽管试验持续的时间短,但显示出日本将会拥有日本国产碳基能源的一线可能性。但技术翻译、夏威夷自然能源研究所(Natural Energy Institute)的前甲烷水合物研究分析师小山爱(Ai Oyama)称,日本公众反应不一。有些人对日本有希望拥有自己的能源不再完全依赖进口这一点表示欢迎。有一些人则对任何破坏地壳板块边缘附近海床的技术都非常担心。

小山爱说,“总的来说,人们真的害怕破坏到日本海的海床。众所周知,那里不稳定,时有地震发生”。

人们担心,给甲烷水合物储层的某个部分减压可能会导致整个储层变得不稳定。

“人们担心我们会开始从这种天然气水合物中提取甲烷,进而陷入一种我们无法阻止的失控崩溃中”,拉佩尔说。

这里涉及的问题是两方面的。首先,大量甲烷气体会突然释放出来,进入海洋,这可能会导致大气中的温室气体大量增加。

其次,甲烷水合物分解时会释放大量的水和甲烷,导致海床以下的沉积物中的水分大大增加。在陡峭的斜坡环境中,水分过多可能会引发滑坡。一些环保人士甚至担心这会引发海啸。

然而,拉佩尔说,甲烷水合物的物理特性阻碍了这一系列事件的发生。要让甲烷从沉积层中释放出来,就必须向该系统注入能量。不努力让甲烷释放出来(释放甲烷是通过降低压力或提高沉积层的温度),它就会保持甲烷水合物的稳定形态不变。

拉佩尔说,“所以说这个问题其实是对立的。你可以开启让甲烷气体释放出来的过程,但要让这个过程持续下去,就要引入更多能量才能实现”。

尽管不太可能出现失控的反应,但日本这个项目仍在进行大范围的环境研究,以测试甲烷水合物生产的安全性。山本幸治说,迄今为止,2013年第一次试验和2017年持续时间较长的第二次试验收集到的数据未表明这种技术会破坏海床的稳定。但考虑到日本自然灾害频发的历史,自2011年东北地方太平洋近海地震海啸以来,仍有大约24000人处于被疏散状态,民众非常害怕再担风险。

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Image caption 可燃冰可能容易破裂,如果在钻井期间破裂,会向海洋释放甲烷气体。一些人担心,这可能会引发海啸。

山本幸治说,“我们认为这种天然气水合物生产在环境方面是安全的,但(民众)还是担心天然气水合物生产的负面影响”。

同时,除了深藏在海床之下的甲烷水合物储备外,另一种甲烷水合物也引起了日本研究人员的注意。日本正在该国以西的日本海,对非常接近海底表层的浅层甲烷天然气储藏进行研究和勘探。开采这些浅层甲烷水合物构成的潜在风险截然不同。

“这些海域生态环境非常活跃”,美国地质调查局天然气水合物项目的高级科学家科莱特(Tim Collett)说,“有些生物群落全都以甲烷为生”。

在这些环境中,有种类丰富的独特生物,从细菌到巨型管虫和螃蟹,全部以甲烷为生,把甲烷作为它们的能量来源。在世界其他地方,以甲烷为生的生物群落栖息的海洋,通常被当作稀有自然环境而受到保护。

永冻层之下

但日本开采甲烷水合物的主要活动并不在海底,而是在永冻层深处。永冻层是极地和高山地表的一层永远处于冰冻状态的岩石或土壤,也是除海底之外唯一能够找到可燃冰的地方。日本并没有自己的永冻层。该国的研究人员正在阿拉斯加北坡协助进行迄今为止最雄心勃勃的陆上甲烷水合物开采试验。

日本国家研究项目的研究人员将从2018年12月开始与美国地质调查局和美国能源部(Department of Energy)合作,开始建设试验场地。他们希望打造一个长期的生产试验场地。尽管这种甲烷水合物的来源截然不同,但开采方式其实非常接近。

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Image caption 可燃冰似乎会在融化时冒烟。

科莱特说,“永冻层下面的这些甲烷水合物所处的环境,和南海海沟的压强和温度相近。事实证明,至少据我们所知,尽管北极和海洋的环境大相径庭,但甲烷水合物储藏的物理性质和它们在沉积层中的反应似乎非常相似”。

在阿拉斯加使用的开采技术最终可能会适用于海洋环境。但目前仍存在巨大的挑战。迄今为止,无论是在陆地冰冻层还是在海底,人类还没有进行过长期的甲烷水合物开采。

科莱特说,“我们在很大程度上还处在研究阶段”。

考虑到从甲烷水合物中提取天然气的难度,以及对开采的担忧,对大力投资这项技术的日本来说,投资风险必然很高。在国内能源方面,日本几乎别无选择。这使得开采难度颇大的甲烷资源成了一个诱人的希望。日本是没有其他碳基能源资源可以依靠的国家。

山本幸治说,“日本进口大量的天然气,但代价非常高。如果我们拥有自己的国内资源,(可能)有利于日本的能源安全”。

作为一种经济资源,甲烷水合物的吸引力容易看到。但从根本上说,它只是另一种天然气能源,其燃烧会加剧气候变化。

科莱特说,“最重要的是认识到并承认天然气水合物只是另一种化石燃料。与化石燃料有关的所有社会和环境问题,天然气水合物都有”。

在这种背景下,甲烷水合物——如果它们即将参与日本的能源未来——应该只当成一种过渡燃料,以帮助过渡到转用可再生能源。天然气是碳排放最低的化石燃料,每单位能源释放的二氧化碳少于煤炭和石油。但作为一种碳基燃料,它的燃烧仍会加剧气候变化。

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Image caption 日本研究可燃冰的潜力有几十年,但直到过去几年,开采可燃冰才变得不久可以实现。

山本幸治说,“我们必须转向可再生能源,但完全转向可再生能源(需要)很长的时间”。

拉佩尔说,即使作为过渡燃料,天然气水合物也可能非常重要, “如果一个国家能够高效地从这些储藏中开采甲烷,就可能开启过渡燃料的新领域,引领我们走向另一种能源未来”。

甲烷水合物在未来的作用取决于其何时可以开采,以及何时可以达到商业生产的规模。日本最新的战略能源计划(Strategic Energy Plan)显示,日本政府希望在2023年到2027年之间启动甲烷水合物的商业勘探项目。

这个目标可能有些太过雄心勃勃。东京大学先端能源与资源研究中心(Frontier Research Center for Energy and Resources at the University of Tokyo)的研究员松岛润(Jun Matsushima)估计,计划实现时间估计应推迟到2030年前后到2050年之间。松岛润说:“要商业开采甲烷水合物有很长的路要走。”

拉佩尔表示,决定成败的关键是长期的生产试验能够持续下去,此期间不会因技术问题或预算紧张导致开采试验半途而废。

拉佩尔说:“我猜会在2025年之前进行一次长期生产试验,从几个月到超过一年。但我没有(能够显示未来的)水晶球。”

然而,与此同时,日本也承诺将向可再生能源和脱碳的方向发展。随着利用可再生能源的技术变得更完善、更便宜,化石燃料的作用会减弱,尤其是像甲烷水合物这种仍在实验性开采的昂贵燃料。从实验开采到商业化规模开采的时期越长,利用甲烷水合物这种能源的有效窗口期可能就越短。科莱特说,另一种可能性是,出现一种可开采的化石燃料能源将会推迟向可再生能源的过渡。

作为世界上最丰富的碳来源,甲烷水合物可能是最后一批即将面临商业化开采的新型化石燃料,也是唯一一种在化石燃料时代即将终结时才进场的化石燃料。各国争抢开采甲烷水合物可说是最特别的能源争夺战,因为可能还没有等到现在的开采研究出到成果,可燃冰就因为可再生能源成为主流而变得无关紧要。

因此,甲烷水合物很可能只是一种以备不时之需的能源。但日本和其他谋求开发甲烷水合物的国家是否能够赶在这种能源变得无关紧要之前实现大规模开采,还有待观察。

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