可燃冰能消除能源危機?但它可能分分鐘被取代

（原標題：why 『flammable ice』 could be the future of energy）

出品|網易科學人欄目組 卡麥拉

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2017年，日本成功地從海底提取一種新型燃料——甲烷水合物，也就是頗受人們關注的「可燃冰」。支持者認為，可燃冰能夠消除地球能源危機，但是對它們的探測是否存在環境風險？

日本海底之下蘊藏著甲烷層，這些甲烷困在冰「分子籠」中。在一些海底環境中，覆蓋著冰水和甲烷的沉積物已被侵蝕，只剩下一些白色物體，它們像海底浮起的髒冰。

「火柴點燃可燃冰，不僅會融化，還會燃燒。」

從海底採集一塊可燃冰拿到地面上，除了放在手掌上會發出一種「嘶嘶」聲，它在視覺和觸覺上都非常像冰塊，但用火柴點燃它時，它不僅會融化，還會燃燒。日本和其他國家的大型國際研究項目和公司都競相從海底提取可燃冰。如果一切按計劃進行，預計未來10年內可以開始採集，但是迄今為止，可燃冰的開採仍是困難重重。

近期評估數據表明，可燃冰佔石油、天然氣和煤等化石燃料碳總量的三分之一。全球一些國家，尤其是日本非常迫切地進行開採。通常在海底發現可燃冰並不難，因為可燃冰會留下顯著的震波信號，能夠被研究測量船發現。但是該計劃存在最大的困難是如何將回收的可燃冰帶回地球表面。

美國地質調查局可燃冰項目負責人卡羅琳·魯佩爾(Carolyn Ruppel)說：「有一點非常清楚，我們不會無限制地開採這些類似冰的沉積物，這些資源是有限的，很寶貴。」

這一切都歸結於可燃冰的物理屬性，可燃冰對壓力和溫度非常敏感，無法簡單地挖出來帶到地面上。它們通常形成於500米深海底之下數百米深處，那裡的壓力比水面壓力大，溫度接近0攝氏度。如果提取出來，它們會在甲烷被利用之前就開始分解，但事實上還有其他的方法進行提取。魯佩爾說：「如果讓這些海底沉積物釋放出甲烷，就可以提取該氣體。」

日本政府投資的一個研究項目正試圖完成這一目標，它的最初任務是發現2013年可能存在可燃冰的地點。日本石油天然氣金屬國家公司可燃冰研發小組負責人負責人山本浩二(Koji Yamamoto)稱，這是首例可燃冰研究工作。

研究小組在日本主島東海岸的南海槽海床鑽孔開採甲烷水合物氣體，通過對該資源降壓處理，成功地釋放和收集甲烷氣體。這項測試持續了6天時間，直到沙子進入鑽孔井堵塞了氣體釋放。

2017年，研究人員在南海槽進行了第二次測試，此次研究人員使用了兩口測試井。第一個測試井運行了幾天之後就遭受了以前出現的沙子堵塞問題，然而第二個測試井持續運行了24天也沒有出現任何技術問題。

「總體而言，人們對任何海底勘探操作都感到恐懼，畢竟海床不穩定，容易出現地震。」

夏威夷自然能源研究所技術翻譯Ai Oyama曾從事可燃冰分析研究工作，他表示，儘管該測試工作僅持續很短時間，但日本可能擁有可用碳基自然資源。然而，公眾對可燃冰開採的反應褒貶不一，一些人支持日本擁有獨立能源的想法，另一些人則對破壞附近海床板塊邊界的任何技術持非常謹慎的態度。總體來看，人們覺得在海底進行勘測採集工作是令人擔憂的，因為海底環境非常不穩定，經常發生地震。

令人擔憂的是，對甲烷水合物沉積層任何一處進行降壓處理，都可能導致整個海底沉積層變得不穩定。卡羅琳說：「人們擔心我們開始從天然氣水合物中提取甲烷會陷入一種失控的連鎖分解反應，使海底不穩定狀態無法停止下來。可燃冰採集過程將存在雙方面問題，首先，大量甲烷氣體會突然被釋放到海洋中，這可能向地球大氣釋放大量的溫室氣體；其次，甲烷水合物釋放大量甲烷的同時還會釋放大量的水，這些水會滲入海床下方的沉積物中，在海底地形陡峭的環境中，很可能會造成滑坡和塌方，一些環保主義者甚至擔心這會導致可怕的海嘯災難。

然而甲烷水合物的物理性質會自然地阻止這一系列事件的發生，從海底沉積物中釋放甲烷，必須向系統注入能量。在沒有必要釋放甲烷氣體的情況下，通常降低壓力或者提高沉積層溫度，可使可燃冰保持穩定。

雖然不太可能出現反應失控的情況，但是日本這個研究項目仍在進行廣泛的環境測試，分析可燃冰提取的安全性。山本浩二表示，依據2013年首次測試獲得的數據，以及2017年進行的第二次較長時間的測試，迄今沒有數據表明該技術會破壞海底穩定。但是一旦提取可燃冰的操作失控，很可能會導致災難性事件，並引起民眾的高度恐慌。

山本浩二說：「我們認為可燃冰對於環境是安全的，但是公眾仍然擔心甲烷水合物的負面影響。」

除了埋在海底的可燃冰之外，還有一種沉積可燃冰引起了日本研究人員的關注和青睞。他們在淺層海域的勘測過程中，發現日本西部海域海底表面存在著淺層沉積物，但是採集這些淺層海底沉積物將面臨著潛在風險。

美國地質調查局天然氣水合物項目資深科學家蒂姆·科利特(Tim Collett)說：「這些都是非常活躍的生物環境，整個生物環境都是以甲烷維持生命。」

這樣的淺海底環境存在大量奇特生物，從細菌至大型管蟲和螃蟹，它們都是以甲烷為能量。地球上其他甲烷基礎的生物種落環境，通常都作為罕見的自然資源進行保護。

永久凍土之下也有可燃冰

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夠找到可燃冰的地方——永久凍土層深處，永久凍土層是覆蓋在極地區域和高山地區地面上一層永久凍結巖石或者土壤。來自日本的研究人員正在阿拉斯加北坡地區進行一項雄心勃勃的陸地可燃冰提取實驗，目前日本陸地環境並未發現永久凍土層。

今年12月開始，日本國家研究項目研究人員與美國地質調查局、美國能源部進行合作，他們的最初目標是希望建立一個長期甲烷水合物測試地點。雖然甲烷水合物的來源顯著不同，但是永久凍土層的甲烷水合物的獲取方法卻較為接近。

科利特說：「永久凍土層之下可燃冰的壓力和溫度條件與日本南海槽海床非常相似。事實證明，儘管北極永久凍土層和海底環境明顯不同，但是這些沉積物的物理屬性，以及它們如何在沉積層中出現，似乎是非常相似的。」

阿拉斯加永久凍土層使用的可燃冰採集技術可能最終會轉移到海底勘測中，但是這仍有很大的挑戰。迄今為止，在陸地和海洋任何環境未進行長期甲烷水合物提取活動。

科利特說：「當前我們仍處於研究階段。」考慮到從甲烷水合物中回收天然氣的難度，以及圍繞關於開採的擔憂，畢竟一個國家在該技術上大舉投資的風險很高。在日本國內能源方面，幾乎沒有其它能源開採選擇，從而使得難以採集的甲烷資源成為一個誘人的發展前景。日本不是一個依靠其他碳基能源的國家，畢竟這個國家自然資源十分匱乏。

山本浩二說：「日本進口大量天然氣，這些資源價格非常昂貴，如果我們擁有自己的國內能源，這將有助於提高日本能量的安全性。」

作為一種經濟資源，可燃冰的吸引力是顯而易見的。但是從根本上講，它只是天然氣的另一種來源，燃燒天然氣會導致氣候發生變化。

所有與化石燃料有關的社會和環境問題都適用於甲烷水合物

科利特說：「最重要的是，我們需要認識到可燃冰僅是另一種化石燃料，它像石油等化石燃料一樣，都會產生相關的社會和環境問題。」

在這種情況下，可燃冰如果作為日本未來的重要能源，很可能被當作一種過渡性可再生能源。天然氣是最低碳密度的化石燃料，每個能源單位比煤或者石油釋放更少的二氧化碳，但是作為一種以碳為基礎的燃料，燃燒它仍然會導致氣候發生變化。

山本浩二說：「我們需要改變可再生能源，但是完全轉向可再生能源需要很長時間。」

卡羅琳說：「即使作為過渡燃料，天然氣水合物也可能非常重要，如果一個國家能夠有效地從這些沉積物質中提取甲烷氣體，它可能開啟過渡燃料至另一種未來能源的一個新領域。」

可燃冰未來能發揮多大的作用主要取決於它們以多快的速度被提取並以商業規模生產。依據最新戰略能源計劃，日本政府希望開始最新戰略能源計劃，2023-2027年之間啟動可燃冰勘探。這個目標可能有些雄心勃勃，東京大學能源與資源前沿研究中心研究員Jun Matsushima預測稱，日本實現可燃冰開採預計在2030-2050年之間，可燃冰商業化開採仍有很長的路要走。

卡羅琳說：「至關重要的問題是如果沒有技術問題或者預算限制，能否長期持續可燃冰開採製造。我認為到2025年會形成一個長期的可燃冰測試，從幾個月至一年多時間，但這僅僅是我的猜測。」

與此同時，日本正致力於實現可再生能源製造和脫碳技術研發，隨著可再生能源技術日臻完善，並且成本更低，化石燃料的作用，尤其是像可燃冰這樣的珍貴燃料，數量將持續減少。商業規模採集甲烷所需時間越長，利用它的有效時間窗口就可能更短。科利特稱，另一種可能性是，增加一種新的可獲得化石燃料來源，這將延遲向可再生能源的過渡。

可燃冰的競爭是一場獨特的競賽，研究人員正在努力實現這個目標，但是該目標在可再生能源實現時就會變得無關緊要。正因為如此，可燃冰可能有「保質期」，但是日本和其他正在積極探索可燃冰的國家，能否在可燃冰變得可消耗使用之前，以大規模開採獲取，仍亟待觀察證實。

本文來源：網易科學人 責任編輯：喬俊婧_NBJ11279