可燃冰:有可能成為未來的能源

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在日本周邊的海底之下,埋藏著甲烷儲層。在那裏,甲烷被困在冰晶體結構的水分子中。在有些地方,覆蓋在這些凍結的甲烷水合物礦藏表面的其他沉積物已被腐蝕殆盡,留下發白的,看上去像髒污冰塊一樣的可燃冰突起在海牀上。

拿起一塊帶到海面,你會發現它的外表和給人的感覺都很像冰,只不過你會發現它在你手中會發出噝噝的聲音,用點燃的火柴去靠近它,不僅會融化,還會燃燒起來。

大型國際研究項目和日本等國家的公司,正在爭相研究從海底開採這種與人的直覺不符的奇怪物質(人們稱之為可燃冰),以獲取其中的甲烷燃料。如果一切按計劃進行,十年後日本等國家們可能就要開始商業性開採。但截至目前,進展遠遠稱不上順利。

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Image caption 這種不起眼的物質能解決未來的能源危機嗎?

毫無疑問,甲烷水合物可能會成為一種主要的燃料來源。最近有人估計,它們大約相當於石油、天然氣和煤炭等其他化石燃料儲藏的總碳量的三分之一。多個國家,尤其是日本,希望對其進行開採。找到甲烷水合物並不難,它們通常會留下一種勘察船能夠以震測方式發現的特徵。真正的挑戰在於分離甲烷並將其輸送到海面。

美國地質調查局(US Geological Survey)的天然氣水合物項目負責人拉佩爾(Carolyn Ruppel)說,「有一點很清楚,我們永遠不會下到海底去開採這些像冰一樣的沉積物」。

一切問題都歸結於甲烷水合物的物理特性。它們對壓力和溫度非常敏感,人類根本無法簡單地將其開採出來並輸送到陸地上。可燃冰往往埋藏在水深約為500米的海底以下幾百米處。那裏的壓力遠高於海平面,溫度接近0攝氏度。離開高壓和低溫環境後,甲烷水合物會在甲烷被提取出來之前已經分解。不過還是有辦法開採。

拉佩爾說,「必須強迫這些沉積物在海底把甲烷釋放出來,然後再提取釋放出來的甲烷」。

甲烷水合物:一種全球性資源

在全世界都能找到所謂的「可燃冰」。隨著其他化石燃料來源的耗盡,它們將變得越來越寶貴。

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Image caption 全球的甲烷水合物儲藏分佈

日本政府資助的一個研究項目正在朝這個方向努力。日本經過幾年的初步研究,對可能存在甲烷水合物的海域進行了評估後,於2013年啟動了全球首個海底開採可燃冰測試計劃。日本石油天然氣和金屬國家公司(Japan Oil, Gas and Metals National Corporation)甲烷水合物研究與發展小組的負責人山本幸治(Koji Yamamoto,音)說,「這在全世界是首開先河」。山本幸治也是日本國家甲烷水合物研究項目的主要研究人員之一。

通過在日本本州東海灣附近的南海海溝的海底鑽孔,該團隊得以從甲烷水合物儲層中提取出了甲烷氣體。他們通過降低儲層受到的壓力,得以釋放並收集甲烷氣體。這場試驗持續了六天,直到沙子進入氣井,堵塞了管道。

2017年,日本又在南海海溝進行了第二次試驗。這一次,研究人員使用了兩口測試氣井。第一口井遇到了和之前一樣的問題,幾天后就被沙子堵住。但山本幸治說,第二口井連續24天沒有出現技術問題。

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Image caption 2013年,「地球號」(Chikyu)深海鑽井船成功地從日本中部附近海域中開採出了甲烷水合物。

儘管試驗持續的時間短,但顯示出日本將會擁有日本國產碳基能源的一線可能性。但技術翻譯、夏威夷自然能源研究所(Natural Energy Institute)的前甲烷水合物研究分析師小山愛(Ai Oyama)稱,日本公眾反應不一。有些人對日本有希望擁有自己的能源不再完全依賴進口這一點表示歡迎。有一些人則對任何破壞地殼板塊邊緣附近海牀的技術都非常擔心。

小山愛說,「總的來說,人們真的害怕破壞到日本海的海牀。眾所周知,那裏不穩定,時有地震發生」。

人們擔心,給甲烷水合物儲層的某個部分減壓可能會導致整個儲層變得不穩定。

「人們擔心我們會開始從這種天然氣水合物中提取甲烷,進而陷入一種我們無法阻止的失控崩潰中」,拉佩爾說。

這裏涉及的問題是兩方面的。首先,大量甲烷氣體會突然釋放出來,進入海洋,這可能會導致大氣中的溫室氣體大量增加。

其次,甲烷水合物分解時會釋放大量的水和甲烷,導致海牀以下的沉積物中的水分大大增加。在陡峭的斜坡環境中,水分過多可能會引發滑坡。一些環保人士甚至擔心這會引發海嘯。

然而,拉佩爾說,甲烷水合物的物理特性阻礙了這一系列事件的發生。要讓甲烷從沉積層中釋放出來,就必須向該系統注入能量。不努力讓甲烷釋放出來(釋放甲烷是通過降低壓力或提高沉積層的溫度),它就會保持甲烷水合物的穩定形態不變。

拉佩爾說,「所以說這個問題其實是對立的。你可以開啟讓甲烷氣體釋放出來的過程,但要讓這個過程持續下去,就要引入更多能量才能實現」。

儘管不太可能出現失控的反應,但日本這個項目仍在進行大範圍的環境研究,以測試甲烷水合物生產的安全性。山本幸治說,迄今為止,2013年第一次試驗和2017年持續時間較長的第二次試驗收集到的數據未表明這種技術會破壞海牀的穩定。但考慮到日本自然災害頻發的歷史,自2011年東北地方太平洋近海地震海嘯以來,仍有大約24000人處於被疏散狀態,民眾非常害怕再擔風險。

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Image caption 可燃冰可能容易破裂,如果在鑽井期間破裂,會向海洋釋放甲烷氣體。一些人擔心,這可能會引發海嘯。

山本幸治說,「我們認為這種天然氣水合物生產在環境方面是安全的,但(民眾)還是擔心天然氣水合物生產的負面影響」。

同時,除了深藏在海牀之下的甲烷水合物儲備外,另一種甲烷水合物也引起了日本研究人員的注意。日本正在該國以西的日本海,對非常接近海底表層的淺層甲烷天然氣儲藏進行研究和勘探。開採這些淺層甲烷水合物構成的潛在風險截然不同。

「這些海域生態環境非常活躍」,美國地質調查局天然氣水合物項目的高級科學家科萊特(Tim Collett)說,「有些生物群落全都以甲烷為生」。

在這些環境中,有種類豐富的獨特生物,從細菌到巨型管蟲和螃蟹,全部以甲烷為生,把甲烷作為它們的能量來源。在世界其他地方,以甲烷為生的生物群落棲息的海洋,通常被當作稀有自然環境而受到保護。

永凍層之下

但日本開採甲烷水合物的主要活動並不在海底,而是在永凍層深處。永凍層是極地和高山地表的一層永遠處於冰凍狀態的岩石或土壤,也是除海底之外唯一能夠找到可燃冰的地方。日本並沒有自己的永凍層。該國的研究人員正在阿拉斯加北坡協助進行迄今為止最雄心勃勃的陸上甲烷水合物開採試驗。

日本國家研究項目的研究人員將從2018年12月開始與美國地質調查局和美國能源部(Department of Energy)合作,開始建設試驗場地。他們希望打造一個長期的生產試驗場地。儘管這種甲烷水合物的來源截然不同,但開採方式其實非常接近。

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Image caption 可燃冰似乎會在融化時冒煙。

科萊特說,「永凍層下面的這些甲烷水合物所處的環境,和南海海溝的壓強和溫度相近。事實證明,至少據我們所知,儘管北極和海洋的環境大相徑庭,但甲烷水合物儲藏的物理性質和它們在沉積層中的反應似乎非常相似」。

在阿拉斯加使用的開採技術最終可能會適用於海洋環境。但目前仍存在巨大的挑戰。迄今為止,無論是在陸地冰凍層還是在海底,人類還沒有進行過長期的甲烷水合物開採。

科萊特說,「我們在很大程度上還處在研究階段」。

考慮到從甲烷水合物中提取天然氣的難度,以及對開採的擔憂,對大力投資這項技術的日本來說,投資風險必然很高。在國內能源方面,日本幾乎別無選擇。這使得開採難度頗大的甲烷資源成了一個誘人的希望。日本是沒有其他碳基能源資源可以依靠的國家。

山本幸治說,「日本進口大量的天然氣,但代價非常高。如果我們擁有自己的國內資源,(可能)有利於日本的能源安全」。

作為一種經濟資源,甲烷水合物的吸引力容易看到。但從根本上說,它只是另一種天然氣能源,其燃燒會加劇氣候變化。

科萊特說,「最重要的是認識到並承認天然氣水合物只是另一種化石燃料。與化石燃料有關的所有社會和環境問題,天然氣水合物都有」。

在這種背景下,甲烷水合物——如果它們即將參與日本的能源未來——應該只當成一種過渡燃料,以幫助過渡到轉用可再生能源。天然氣是碳排放最低的化石燃料,每單位能源釋放的二氧化碳少於煤炭和石油。但作為一種碳基燃料,它的燃燒仍會加劇氣候變化。

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Image caption 日本研究可燃冰的潛力有幾十年,但直到過去幾年,開採可燃冰才變得不久可以實現。

山本幸治說,「我們必須轉向可再生能源,但完全轉向可再生能源(需要)很長的時間」。

拉佩爾說,即使作為過渡燃料,天然氣水合物也可能非常重要, 「如果一個國家能夠高效地從這些儲藏中開採甲烷,就可能開啟過渡燃料的新領域,引領我們走向另一種能源未來」。

甲烷水合物在未來的作用取決於其何時可以開採,以及何時可以達到商業生產的規模。日本最新的戰略能源計劃(Strategic Energy Plan)顯示,日本政府希望在2023年到2027年之間啟動甲烷水合物的商業勘探項目。

這個目標可能有些太過雄心勃勃。東京大學先端能源與資源研究中心(Frontier Research Center for Energy and Resources at the University of Tokyo)的研究員松島潤(Jun Matsushima)估計,計劃實現時間估計應推遲到2030年前後到2050年之間。松島潤說:「要商業開採甲烷水合物有很長的路要走。」

拉佩爾表示,決定成敗的關鍵是長期的生產試驗能夠持續下去,此期間不會因技術問題或預算緊張導致開採試驗半途而廢。

拉佩爾說:「我猜會在2025年之前進行一次長期生產試驗,從幾個月到超過一年。但我沒有(能夠顯示未來的)水晶球。」

然而,與此同時,日本也承諾將向可再生能源和脫碳的方向發展。隨著利用可再生能源的技術變得更完善、更便宜,化石燃料的作用會減弱,尤其是像甲烷水合物這種仍在實驗性開採的昂貴燃料。從實驗開採到商業化規模開採的時期越長,利用甲烷水合物這種能源的有效窗口期可能就越短。科萊特說,另一種可能性是,出現一種可開採的化石燃料能源將會推遲向可再生能源的過渡。

作為世界上最豐富的碳來源,甲烷水合物可能是最後一批即將面臨商業化開採的新型化石燃料,也是唯一一種在化石燃料時代即將終結時才進場的化石燃料。各國爭搶開採甲烷水合物可說是最特別的能源爭奪戰,因為可能還沒有等到現在的開採研究出到成果,可燃冰就因為可再生能源成為主流而變得無關緊要。

因此,甲烷水合物很可能只是一種以備不時之需的能源。但日本和其他謀求開發甲烷水合物的國家是否能夠趕在這種能源變得無關緊要之前實現大規模開採,還有待觀察。

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