燃烧吧,能源水晶!

橡树村

可燃冰，学名“天然气水合物”，同时还有一个优雅的名字——“能源水晶”。在高压、低温条件下，天然气与水混合便会产生结晶化合物，形似冰雪，点火即燃。

深藏于陆地冻土和海底的可燃冰，因具有分布广、资源量大和能量密度大的先天优势，被人们称之为“未来最佳替代能源”。业界还流传着这样一句话：“谁掌握了天然气水合物的开采技术，谁就可以执21世纪世界能源之牛耳。”

横空出世，炙手可热

上世纪60年代，苏联科研人员在西伯利亚发现了一个奇特天然气田，在地下常规气田上面的永久冻土层里，有一种可以燃烧的冰。这是人类首次在自然界发现可燃冰资源。

固体可燃冰里藏有相当于自身体积近两百倍的天然气。如果可燃冰能保持固体状态被开采出来，就为远途运输天然气提供了一个新思路。很多天然气资源远离市场，因此输送天然气通常很不方便，须耗巨资铺设管道，或在低温高压条件下液化天然气并用昂贵的专用船只运送，对于产地附近的基础设施也有不少要求。而能量密度增加将近两百倍的可燃冰运输起来就方便不少。即便开采后难以使可燃冰保持固体状态，其蕴藏的天然气也是重要的化石能源。

美国立刻对这个发现表现出兴趣，开始在自己的极地冻土带寻找可燃冰，很快就在阿拉斯加寻获丰富的可燃冰。但此后的详细调查显示，更多的可燃冰资源在海底。世界上有永久冻土的国家很有限，但掌握海疆的国家为数不少。这个发现立刻让诸多国家眼前一亮，加拿大、日本、印度等国随即开始勘探研究。我国在2000年后积极加入这一行列，不仅在青藏高原永久冻土层发现了丰富的可燃冰资源，还在南海北部找到了品级很高的可燃冰，并组织专业人员进行开采及应用研究，计划于2020年试采，2030年后开始商业开采。

临渊羡鱼，退而结网

与陆地相比，海底是更适合生成可燃冰的辽阔温床。可燃冰的形成需甲烷、水、合适的温度和压力共同作用。海洋生物资源丰富，在数十亿年的历史里，有无数生物死后葬身海底。这些生物在沉积层内逐渐被微生物分解，在一定条件下释放甲烷。深海温度常年在2~4摄氏度之间，所受压力相当于几十甚至数百个大气压，同时还有丰富的水，正好符合可燃冰的形成条件。海洋学界普遍知晓的数据显示，海底可燃冰资源的分布非常广泛，即便保守估计，海底蕴藏的可燃冰总量也超过目前已知的常规石油、煤炭和天然气资源总和。在传统化石能源逐渐枯竭，新发现储量少于开采量，人们逐渐转向非传统化石能源等替代能源时，海底可燃冰资源自然不容小觑。

可燃冰的形成条件比较苛刻，所以只要破坏若干形成条件，就有望使可燃冰中的甲烷释放出来。对此，研发人员主要提出三种开采思路:降低压力、提高温度、添加其他化学物质。减压法就是通过打井，把可燃冰储层的压力直接释放，从而导致可燃冰分解，气体通过管道收集；加热法是向井下灌注热水，导致可燃冰分解释放甲烷；也可添加盐、醇等化学制剂来破坏可燃冰的形成条件，这个方法其实早已被人们用于消除天然气输送管道内凝结的可燃冰。还有人提出，可通过化学置换反应，用二氧化碳把固定在水分子笼里的甲烷“换”出来，开采天然气的同时存储人类排放的二氧化碳。

各种方案五花八门，不同的方法与不同的资源地质情况相对应。不过这些方法绝大多数仍处于模拟阶段，很少实际应用。在这方面，资源匮乏、海疆丰富的日本走在了前列。

2012年，日本率先在距离爱知县渥美半岛70公里、深达千米的海底，尝试用减压法开采，并在2013年3月宣布从海底可燃冰层中成功提取甲烷气，还宣布5年后可能进行商业化开采。

开采可燃冰面临不少技术难题。由于形成条件的限制，海底可燃冰资源都分布在水深至少数百米，埋藏深度又是几百米的沉积层下面。海底的温度、压力、海水的腐蚀等等都是要克服的技术问题。特别是目前发现的储量丰富、富集度适当的海底可燃冰资源，大多分布在大陆架边缘向深海过渡的地方，这就给开采设施的安装、运行及管道铺设带来不少麻烦。要解决这些问题，还须通过长时间工业实践来积累经验，从而逐渐找到降低开采成本的方法，使得可燃冰开采具有经济性。

作茧自缚，不可不防

开采之外的气候、地质问题则可能更加麻烦。进入工业时代以来，人类大量使用化石能源已导致海量二氧化碳排放，与此相关的气候变化已开始影响人类生活。甲烷是可燃冰中的主要有用成分。如以百年为限，甲烷在地球大气中的温室效应强度是二氧化碳的二十几倍。如人类开采可燃冰造成甲烷大量泄漏，显然会加剧目前日益严重的气候变化问题。

实际上，自然界中的不少甲烷泄漏就来源于可燃冰的分解。与常规天然气甚至页岩气资源不同，封闭可燃冰的地下岩层并不十分致密，有很多缝隙，气体完全可能通过这些缝隙释放。此前已有科研人员发现，由于气候变化导致冻土层融化，引发可燃冰分解，甲烷“出笼”。地质史上也有可燃冰大量快速分解的例子可循。

另一个担心看起来更加直观。有研究人员推测，海底沉积层内的可燃冰对沉积层的稳定性有重要作用，可燃冰早已成为海底结构的一部分，有的甚至起到骨架支撑作用。如果发挥关键支撑作用的可燃冰被开采，有可能导致海底结构破坏，引发地震。海底结构被破坏后还可能导致周边地区的可燃冰不稳定，引起大量甲烷释放。

这可不是耸人听闻。在大约8 000年前，挪威附近海底曾发生沉积层大规模运动，大面积沉积层从大陆架边缘滑向海底的情况，运动距离达到800公里。这次巨大的海底地震可能导致高达25米的海啸。这次事件很可能就是可燃冰大量分解破坏海底结构所致。现有证据显示，在阿拉斯加地区可能也曾发生过类似的史前地质事件。

人教版化学八年级第八单元“燃烧及其利用”课内知识拓展

☆编辑/王一鸣