“可燃冰”将成为本世纪的一种主要能源,但开采成本很高。
谈到能源,人们立即想到的是能燃烧的煤、石油或天然气,很少会联想到晶莹剔透的“冰”。然而,自20世纪60年代以来,人类陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的、白色的、外形像冰的固体物质,这就是可作为优质能源的“可燃冰”。这种“可燃冰”在地质上被称为天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate),主要由水分子和烃类气体分子(主要是甲烷)组成,所以也称它为甲烷水合物,又称“笼形包合物”(Clathrate),分子结构式为:CH4•8H2O。
研究发现,“可燃冰”是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下,由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。 一旦温度升高或压强降低,甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解 (1立方米可燃冰可在常温常压下可释放164立方米天然气及0.8立方米淡水),所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于 300 米的海底沉积物中或寒冷的永久冻土中。
科学家估计,海底“可燃冰”的分布范围约占海洋总面积的10%,约4000万平方公里,是迄今为止海底最具价值的矿产资源,可供人类使用1000年!而陆地上的“可燃冰”都在永久冻土带,其成矿机理大致是:煤层气向上逸散,而上面有冻土层的覆盖,煤层气和水在高压、低温的条件下形成“可燃冰”,其组分除了甲烷,还有少量乙烷、丙烷等气体。
美国地质调查局经过多年调查研究认为,“可燃冰”将成为本世纪的一种主要能源,是能源的“一个新领域”。按保守估计,全世界以天然气水合物形式存在的碳的总量是地球上已知化石燃料(包括煤)中碳含量的2倍。
如此储量巨大的“可燃冰”却也存在致命的缺点,那就是开发不当可能引发环境地质灾害。因此世界各国均采取了谨慎的态度和明智的做法——在没有找到理想的开采方法解决其对自然界环境的影响之前,不能像常规一次性矿产资源那样大量开采“可燃冰”。
“可燃冰”的开采方法主要有三种:一是热解法,二是降压法,三是置换法。前两种方法无非是通过破坏可燃冰的存在条件而使其脱离固态而变成气态以便收集。第三种则是用二氧化碳置换出“可燃冰”里的天然气。
笔者认为最有潜力且有“一石二鸟”之功效的当属“二氧化碳置换开采法”。这个计划“看上去很美”:既能生产燃料又能封存温室气体至冰冷的大洋底部。它克服了“可燃冰”利用中的瓶颈,消除了气候变化的威胁。研究发现,当给“可燃冰”晶状体的压强加到很大时,二氧化碳就能渗入晶体中,也就是说它填充了甲烷提取后形成的空洞,同时将甲烷“挤出”。这样二氧化碳被锁在了水形成的“牢笼”中。令人吃惊的是,研究发现一份甲烷水合物分解后在冰层中形成的空白可以容纳5份二氧化碳水合物。这一发现使得置换法更具吸引力,然而这项技术趋于完善还有很长的路要走。
就人类目前的技术,开采“可燃冰”主要面临三个难题。首先,可能导致大量温室气体排放污染环境。“可燃冰”中甲烷的总量大致是大气中甲烷数量的3000倍。作为温室气体,甲烷比二氧化碳所产生的温室效应要大得多。“可燃冰”非常不稳定,在常温和常压环境下极易分解。这些冰球一旦从海底升到海面就会砰然而逝,最后变成一摊水。学者认为,“可燃冰”矿藏哪怕受到最小的破坏,甚至是自然的破坏,都足以导致甲烷气的大量散失。而这种气体进入大气,无疑会增加温室效应,进而使地球升温更快。
其次,特殊的存在条件极有可能引发地质灾害。日益增多的研究成果表明,由自然或人为因素所引起的温压变化,均可使水合物分解,造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。美国地质调查所的调查表明,“可燃冰”能导致大陆斜坡上发生滑坡,这对各种海底设施是一种极大的威胁。由此可见,“可燃冰”作为未来新能源的同时也是一种危险的能源。
另外,目前技术条件下开采成本过于高昂。“可燃冰”开采的最大难点是保证井底稳定,使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。但世界上还没有任何一个国家能对“可燃冰”进行大规模商业开采。从各国进行的试验性开采看,这些方法要么技术复杂、成本高昂,要么推广价值不大,不适合大规模作业。
2009年9月25日,在国土资源部的一场新闻发布会上宣布了一条特大新闻:在中国青海祁连山(600720,股吧)南缘永久冻土带成功钻获天然气水合物!这一成功钻获,证明我国冻土区存在丰富的天然气水合物资源,对认识天然气水合物成藏规律、寻找新能源具有重大意义。国土资源部总工程师、中国地质调查局副局长张洪涛说:“我国在青海省祁连山南缘永久冻土带成功钻获天然气水合物实物样品的意义,不亚于发现大庆油田。”有人估算,青海蕴藏的“可燃冰”远景资源量至少有350亿吨油当量。
