燃燒吧,能源水晶!

橡樹村

可燃冰，學名“天然氣水合物”，同時還有一個優(yōu)雅的名字——“能源水晶”。在高壓、低溫條件下，天然氣與水混合便會產(chǎn)生結(jié)晶化合物，形似冰雪，點火即燃。

深藏于陸地凍土和海底的可燃冰，因具有分布廣、資源量大和能量密度大的先天優(yōu)勢，被人們稱之為“未來最佳替代能源”。業(yè)界還流傳著這樣一句話：“誰掌握了天然氣水合物的開采技術，誰就可以執(zhí)21世紀世界能源之牛耳?！?/p>

橫空出世，炙手可熱

上世紀60年代，蘇聯(lián)科研人員在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了一個奇特天然氣田，在地下常規(guī)氣田上面的永久凍土層里，有一種可以燃燒的冰。這是人類首次在自然界發(fā)現(xiàn)可燃冰資源。

固體可燃冰里藏有相當于自身體積近兩百倍的天然氣。如果可燃冰能保持固體狀態(tài)被開采出來，就為遠途運輸天然氣提供了一個新思路。很多天然氣資源遠離市場，因此輸送天然氣通常很不方便，須耗巨資鋪設管道，或在低溫高壓條件下液化天然氣并用昂貴的專用船只運送，對于產(chǎn)地附近的基礎設施也有不少要求。而能量密度增加將近兩百倍的可燃冰運輸起來就方便不少。即便開采后難以使可燃冰保持固體狀態(tài)，其蘊藏的天然氣也是重要的化石能源。

美國立刻對這個發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出興趣，開始在自己的極地凍土帶尋找可燃冰，很快就在阿拉斯加尋獲豐富的可燃冰。但此后的詳細調(diào)查顯示，更多的可燃冰資源在海底。世界上有永久凍土的國家很有限，但掌握海疆的國家為數(shù)不少。這個發(fā)現(xiàn)立刻讓諸多國家眼前一亮，加拿大、日本、印度等國隨即開始勘探研究。我國在2000年后積極加入這一行列，不僅在青藏高原永久凍土層發(fā)現(xiàn)了豐富的可燃冰資源，還在南海北部找到了品級很高的可燃冰，并組織專業(yè)人員進行開采及應用研究，計劃于2020年試采，2030年后開始商業(yè)開采。

臨淵羨魚，退而結(jié)網(wǎng)

與陸地相比，海底是更適合生成可燃冰的遼闊溫床?？扇急男纬尚杓淄椤⑺?、合適的溫度和壓力共同作用。海洋生物資源豐富，在數(shù)十億年的歷史里，有無數(shù)生物死后葬身海底。這些生物在沉積層內(nèi)逐漸被微生物分解，在一定條件下釋放甲烷。深海溫度常年在2~4攝氏度之間，所受壓力相當于幾十甚至數(shù)百個大氣壓，同時還有豐富的水，正好符合可燃冰的形成條件。海洋學界普遍知曉的數(shù)據(jù)顯示，海底可燃冰資源的分布非常廣泛，即便保守估計，海底蘊藏的可燃冰總量也超過目前已知的常規(guī)石油、煤炭和天然氣資源總和。在傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭，新發(fā)現(xiàn)儲量少于開采量，人們逐漸轉(zhuǎn)向非傳統(tǒng)化石能源等替代能源時，海底可燃冰資源自然不容小覷。

可燃冰的形成條件比較苛刻，所以只要破壞若干形成條件，就有望使可燃冰中的甲烷釋放出來。對此，研發(fā)人員主要提出三種開采思路:降低壓力、提高溫度、添加其他化學物質(zhì)。減壓法就是通過打井，把可燃冰儲層的壓力直接釋放，從而導致可燃冰分解，氣體通過管道收集；加熱法是向井下灌注熱水，導致可燃冰分解釋放甲烷；也可添加鹽、醇等化學制劑來破壞可燃冰的形成條件，這個方法其實早已被人們用于消除天然氣輸送管道內(nèi)凝結(jié)的可燃冰。還有人提出，可通過化學置換反應，用二氧化碳把固定在水分子籠里的甲烷“換”出來，開采天然氣的同時存儲人類排放的二氧化碳。

各種方案五花八門，不同的方法與不同的資源地質(zhì)情況相對應。不過這些方法絕大多數(shù)仍處于模擬階段，很少實際應用。在這方面，資源匱乏、海疆豐富的日本走在了前列。

2012年，日本率先在距離愛知縣渥美半島70公里、深達千米的海底，嘗試用減壓法開采，并在2013年3月宣布從海底可燃冰層中成功提取甲烷氣，還宣布5年后可能進行商業(yè)化開采。

開采可燃冰面臨不少技術難題。由于形成條件的限制，海底可燃冰資源都分布在水深至少數(shù)百米，埋藏深度又是幾百米的沉積層下面。海底的溫度、壓力、海水的腐蝕等等都是要克服的技術問題。特別是目前發(fā)現(xiàn)的儲量豐富、富集度適當?shù)暮５卓扇急Y源，大多分布在大陸架邊緣向深海過渡的地方，這就給開采設施的安裝、運行及管道鋪設帶來不少麻煩。要解決這些問題，還須通過長時間工業(yè)實踐來積累經(jīng)驗，從而逐漸找到降低開采成本的方法，使得可燃冰開采具有經(jīng)濟性。

作繭自縛，不可不防

開采之外的氣候、地質(zhì)問題則可能更加麻煩。進入工業(yè)時代以來，人類大量使用化石能源已導致海量二氧化碳排放，與此相關的氣候變化已開始影響人類生活。甲烷是可燃冰中的主要有用成分。如以百年為限，甲烷在地球大氣中的溫室效應強度是二氧化碳的二十幾倍。如人類開采可燃冰造成甲烷大量泄漏，顯然會加劇目前日益嚴重的氣候變化問題。

實際上，自然界中的不少甲烷泄漏就來源于可燃冰的分解。與常規(guī)天然氣甚至頁巖氣資源不同，封閉可燃冰的地下巖層并不十分致密，有很多縫隙，氣體完全可能通過這些縫隙釋放。此前已有科研人員發(fā)現(xiàn)，由于氣候變化導致凍土層融化，引發(fā)可燃冰分解，甲烷“出籠”。地質(zhì)史上也有可燃冰大量快速分解的例子可循。

另一個擔心看起來更加直觀。有研究人員推測，海底沉積層內(nèi)的可燃冰對沉積層的穩(wěn)定性有重要作用，可燃冰早已成為海底結(jié)構(gòu)的一部分，有的甚至起到骨架支撐作用。如果發(fā)揮關鍵支撐作用的可燃冰被開采，有可能導致海底結(jié)構(gòu)破壞，引發(fā)地震。海底結(jié)構(gòu)被破壞后還可能導致周邊地區(qū)的可燃冰不穩(wěn)定，引起大量甲烷釋放。

這可不是聳人聽聞。在大約8 000年前，挪威附近海底曾發(fā)生沉積層大規(guī)模運動，大面積沉積層從大陸架邊緣滑向海底的情況，運動距離達到800公里。這次巨大的海底地震可能導致高達25米的海嘯。這次事件很可能就是可燃冰大量分解破壞海底結(jié)構(gòu)所致?，F(xiàn)有證據(jù)顯示，在阿拉斯加地區(qū)可能也曾發(fā)生過類似的史前地質(zhì)事件。

人教版化學八年級第八單元“燃燒及其利用”課內(nèi)知識拓展

☆編輯/王一鳴