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可燃冰能消除能源危机?但它可能分分钟被取代

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来源: 标签: 2018-12-04 11:45:53
2017年,日本成功地从海底提取一种新型燃料——甲烷水合物,也就是颇受人们关注的“可燃冰”。支持者认为,可燃冰能够消除地球能源危机,但是对它们的探测是否存在环境风险?日本海底之下蕴藏着甲烷层,这些甲烷困在冰“分子笼”中。在一些海底环境中

出品| 卡麦拉

2017年,日本成功地从海底提取一种新型燃料——甲烷水合物,也就是颇受人们关注的“可燃冰”。支持者认为,可燃冰能够消除地球能源危机,但是对它们的探测是否存在环境风险?

日本海底之下蕴藏着甲烷层,这些甲烷困在冰“分子笼”中。在一些海底环境中,覆盖着冰水和甲烷的沉积物已被侵蚀,只剩下一些白色物体,它们像海底浮起的脏冰。

“火柴点燃可燃冰,不仅会融化,还会燃烧。”

从海底采集一块可燃冰拿到地面上,除了放在手掌上会发出一种“嘶嘶”声,它在视觉和触觉上都非常像冰块,但用火柴点燃它时,它不仅会融化,还会燃烧。日本和其他国家的大型国际研究项目和公司都竞相从海底提取可燃冰。如果一切按计划进行,预计未来10年内可以开始采集,但是迄今为止,可燃冰的开采仍是困难重重。

近期评估数据表明,可燃冰占石油、天然气和煤等化石燃料碳总量的三分之一。全球一些国家,尤其是日本非常迫切地进行开采。通常在海底发现可燃冰并不难,因为可燃冰会留下显著的震波信号,能够被研究测量船发现。但是该计划存在最大的困难是如何将回收的可燃冰带回地球表面。

美国地质调查局可燃冰项目负责人卡罗琳·鲁佩尔(Carolyn Ruppel)说:“有一点非常清楚,我们不会无限制地开采这些类似冰的沉积物,这些资源是有限的,很宝贵。”

这一切都归结于可燃冰的物理属性,可燃冰对压力和温度非常敏感,无法简单地挖出来带到地面上。它们通常形成于500米深海底之下数百米深处,那里的压力比水面压力大,温度接近0摄氏度。如果提取出来,它们会在甲烷被利用之前就开始分解,但事实上还有其他的方法进行提取。鲁佩尔说:“如果让这些海底沉积物释放出甲烷,就可以提取该气体。”

日本政府投资的一个研究项目正试图完成这一目标,它的最初任务是发现2013年可能存在可燃冰的地点。日本石油天然气金属国家公司可燃冰研发小组负责人负责人山本浩二(Koji Yamamoto)称,这是首例可燃冰研究工作。

研究小组在日本主岛东海岸的南海槽海床钻孔开采甲烷水合物气体,通过对该资源降压处理,成功地释放和收集甲烷气体。这项测试持续了6天时间,直到沙子进入钻孔井堵塞了气体释放。

2017年,研究人员在南海槽进行了第二次测试,此次研究人员使用了两口测试井。第一个测试井运行了几天之后就遭受了以前出现的沙子堵塞问题,然而第二个测试井持续运行了24天也没有出现任何技术问题。

“总体而言,人们对任何海底勘探操作都感到恐惧,毕竟海床不稳定,容易出现地震。”

夏威夷自然能源研究所技术翻译Ai Oyama曾从事可燃冰分析研究工作,他表示,尽管该测试工作仅持续很短时间,但日本可能拥有可用碳基自然资源。然而,公众对可燃冰开采的反应褒贬不一,一些人支持日本拥有独立能源的想法,另一些人则对破坏附近海床板块边界的任何技术持非常谨慎的态度。总体来看,人们觉得在海底进行勘测采集工作是令人担忧的,因为海底环境非常不稳定,经常发生地震。

令人担忧的是,对甲烷水合物沉积层任何一处进行降压处理,都可能导致整个海底沉积层变得不稳定。卡罗琳说:“人们担心我们开始从天然气水合物中提取甲烷会陷入一种失控的连锁分解反应,使海底不稳定状态无法停止下来。可燃冰采集过程将存在双方面问题,首先,大量甲烷气体会突然被释放到海洋中,这可能向地球大气释放大量的温室气体;其次,甲烷水合物释放大量甲烷的同时还会释放大量的水,这些水会渗入海床下方的沉积物中,在海底地形陡峭的环境中,很可能会造成滑坡和塌方,一些环保主义者甚至担心这会导致可怕的海啸灾难。

然而甲烷水合物的物理性质会自然地阻止这一系列事件的发生,从海底沉积物中释放甲烷,必须向系统注入能量。在没有必要释放甲烷气体的情况下,通常降低压力或者提高沉积层温度,可使可燃冰保持稳定。

虽然不太可能出现反应失控的情况,但是日本这个研究项目仍在进行广泛的环境测试,分析可燃冰提取的安全性。山本浩二表示,依据2013年首次测试获得的数据,以及2017年进行的第二次较长时间的测试,迄今没有数据表明该技术会破坏海底稳定。但是一旦提取可燃冰的操作失控,很可能会导致灾难性事件,并引起民众的高度恐慌。

山本浩二说:“我们认为可燃冰对于环境是安全的,但是公众仍然担心甲烷水合物的负面影响。”

除了埋在海底的可燃冰之外,还有一种沉积可燃冰引起了日本研究人员的关注和青睐。他们在浅层海域的勘测过程中,发现日本西部海域海底表面存在着浅层沉积物,但是采集这些浅层海底沉积物将面临着潜在风险。

美国地质调查局天然气水合物项目资深科学家蒂姆·科利特(Tim Collett)说:“这些都是非常活跃的生物环境,整个生物环境都是以甲烷维持生命。”

这样的浅海底环境存在大量奇特生物,从细菌至大型管虫和螃蟹,它们都是以甲烷为能量。地球上其他甲烷基础的生物种落环境,通常都作为罕见的自然资源进行保护。

永久冻土之下也有可燃冰

然而,日本在提取甲烷水合物的主要努力根本不在海底,而是在除海底之外唯一能够找到可燃冰的地方——永久冻土层深处,永久冻土层是覆盖在极地区域和高山地区地面上一层永久冻结岩石或者土壤。来自日本的研究人员正在阿拉斯加北坡地区进行一项雄心勃勃的陆地可燃冰提取实验,目前日本陆地环境并未发现永久冻土层。

今年12月开始,日本国家研究项目研究人员与美国地质调查局、美国能源部进行合作,他们的最初目标是希望建立一个长期甲烷水合物测试地点。虽然甲烷水合物的来源显著不同,但是永久冻土层的甲烷水合物的获取方法却较为接近。

科利特说:“永久冻土层之下可燃冰的压力和温度条件与日本南海槽海床非常相似。事实证明,尽管北极永久冻土层和海底环境明显不同,但是这些沉积物的物理属性,以及它们如何在沉积层中出现,似乎是非常相似的。”

阿拉斯加永久冻土层使用的可燃冰采集技术可能最终会转移到海底勘测中,但是这仍有很大的挑战。迄今为止,在陆地和海洋任何环境未进行长期甲烷水合物提取活动。

科利特说:“当前我们仍处于研究阶段。”考虑到从甲烷水合物中回收天然气的难度,以及围绕关于开采的担忧,毕竟一个国家在该技术上大举投资的风险很高。在日本国内能源方面,几乎没有其它能源开采选择,从而使得难以采集的甲烷资源成为一个诱人的发展前景。日本不是一个依靠其他碳基能源的国家,毕竟这个国家自然资源十分匮乏。

山本浩二说:“日本进口大量天然气,这些资源价格非常昂贵,如果我们拥有自己的国内能源,这将有助于提高日本能量的安全性。”

作为一种经济资源,可燃冰的吸引力是显而易见的。但是从根本上讲,它只是天然气的另一种来源,燃烧天然气会导致气候发生变化。

所有与化石燃料有关的社会和环境问题都适用于甲烷水合物

科利特说:“最重要的是,我们需要认识到可燃冰仅是另一种化石燃料,它像石油等化石燃料一样,都会产生相关的社会和环境问题。”

在这种情况下,可燃冰如果作为日本未来的重要能源,很可能被当作一种过渡性可再生能源。天然气是最低碳密度的化石燃料,每个能源单位比煤或者石油释放更少的二氧化碳,但是作为一种以碳为基础的燃料,燃烧它仍然会导致气候发生变化。

山本浩二说:“我们需要改变可再生能源,但是完全转向可再生能源需要很长时间。”

卡罗琳说:“即使作为过渡燃料,天然气水合物也可能非常重要,如果一个国家能够有效地从这些沉积物质中提取甲烷气体,它可能开启过渡燃料至另一种未来能源的一个新领域。”

可燃冰未来能发挥多大的作用主要取决于它们以多快的速度被提取并以商业规模生产。依据最新战略能源计划,日本政府希望开始最新战略能源计划,2023-2027年之间启动可燃冰勘探。这个目标可能有些雄心勃勃,东京大学能源与资源前沿研究中心研究员Jun Matsushima预测称,日本实现可燃冰开采预计在2030-2050年之间,可燃冰商业化开采仍有很长的路要走。

卡罗琳说:“至关重要的问题是如果没有技术问题或者预算限制,能否长期持续可燃冰开采制造。我认为到2025年会形成一个长期的可燃冰测试,从几个月至一年多时间,但这仅仅是我的猜测。”

与此同时,日本正致力于实现可再生能源制造和脱碳技术研发,随着可再生能源技术日臻完善,并且成本更低,化石燃料的作用,尤其是像可燃冰这样的珍贵燃料,数量将持续减少。商业规模采集甲烷所需时间越长,利用它的有效时间窗口就可能更短。科利特称,另一种可能性是,增加一种新的可获得化石燃料来源,这将延迟向可再生能源的过渡。

可燃冰的竞争是一场独特的竞赛,研究人员正在努力实现这个目标,但是该目标在可再生能源实现时就会变得无关紧要。正因为如此,可燃冰可能有“保质期”,但是日本和其他正在积极探索可燃冰的国家,能否在可燃冰变得可消耗使用之前,以大规模开采获取,仍亟待观察证实。

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