满足人类使用1000年，这个“新能源”究竟是什么？ / 开普饭

2004年，青海煤炭地质105队的钻探队员们从西宁出发，穿过天峻县，北上到达钻探目的地——木里

在藏语里面，“木里”意为“有煤的地方”，而105队此行的目的也是为了探明该地煤炭的储藏情况。

对于经验丰富的队员而言、钻孔探煤这样的事儿可谓轻车熟路，但此次从地里钻出来的东西不只有夹杂着煤炭的冻土泥浆，还涌出了一股不明气流。

队员随手用打火机点了一下，“噗”的一声，伴随着钻孔上方蹿出了湛蓝色的火苗，我国中低纬度冻土地区存在可燃冰才算真正被载入史册。

什么是可燃冰

可燃冰其实就是天然气水合物，它是由小分子气体在一定压力以及温度下与水作用生成的冰状晶体。单看外观它看起来和普通的冰块无异，但因为含可燃气体，可以直接点着。

这些可燃气体就是甲烷、乙烷，我们可以用它来发电、生产化工原料。与石油以及煤炭相比，可燃冰清洁无污染之外，它的储量也远远领先另外两者。有资料显示，全球可燃冰含量约为2.1*10^16m3，其总有机碳（TOC）总量是煤炭、石油以及天然气总和的两倍。夸张点说，按照这个全球储量，满足人类用1000年没有问题，你看星际争霸那些农民头采的能量晶体不正是可燃冰吗？

（可燃冰全球含量极其丰富）

（500年后，可燃冰还是人类赖以生存的能源，至少Blizzard能证实这个事儿？）

另外，可燃冰还广泛分布于海洋以及冻土带，目前全球已经有116个地区发现了水合物存在的标志或实物样品，其中陆地（冻土带）38处，海洋环境78处。

（太公分猪肉，人人有份不用抢）

除了储量多、分布广之外，可燃冰的能量密度也高，单位体积的固态可燃冰就能释放150～180倍的甲烷气体（1m³可燃冰能释放164m³的甲烷）。按照目前国内燃气发电机组效率计算，每标准立方的甲烷（约0.71kg）就能发电3.59kWh，相比之下，1kg的煤炭发电量仅为3.3kWh，因此用甲烷发电比煤炭更高效。此外，甲烷燃烧生成的只有二氧化碳和水，没有氮化物以及硫化物，因此对环境也明显友善得多。

（来自@ worldoceanreview.com）

储量多、能量密度高、清洁无污染，如果能被商业化利用，那必然能大幅降低人类对传统化石能源的依赖。因此可燃冰也被誉为21世纪最理想的替代能源。

可燃冰怎么开采

可燃冰的开采，实质就是破坏它的稳态，把“囚禁”在冰里面的甲烷释放出来。考虑到可燃冰是在低温、高压的条件下形成，因此开采的原理简单来说就是加热水+降压。

目前主流的开采方式有两种，分别是传统开采法以及新型开采法。其中传统开采法又细分三类，分别是降压开采、注热开采以及注化学试剂开采。而新型开采法则细分CO2-CH4置换开采以及降压注热联合开采两类。目前我国南海的试采项目就利用了降压开采以及CO2-CH4置换开采两种方法。

简单科普一下两种开采方法：

降压开采法通过降低储层压力引发可燃冰的分解，从而达到开采目的。

简单来说就是把一根管子怼到可燃冰层，这时候位于管子下方的可燃冰压力会下降，压力下降，稳态被打破，可燃冰就会溶解，接着可燃气体就会析出并沿着管子到达地表。降压开采法成本低，可用于大面积的开采，但缺点是形成的地底空腔会降低海床的强度，从而带来滑坡风险，毕竟在那海床上面的可是水而不是空气呀…

（降压开采法示意图）

为了避免空腔的形成，就必须要用另外一种物质去替代析出的甲烷从而形成新的水合物进行回填，这便是CO2-CH4置换开采法。

从CH4-CO2-H2O相平衡图可以看到，在A、B区域对应的温度以及压力下，CH4水合物和CO2水合物可以共存，整个置换过程简单来说就是CO2代替CH4进入到水合物的笼形结构当中，从而形成稳定（新的）CH4-CO2-H2O水合物。

（CO2替代CH4，形成稳定的CH4-CO2-H2O水合物）

这些水合物会继续维持海床的稳定，当然因为把CO2“封印”在海里，似乎还能一定程度缓解大气温室效应？？不过现在讨论这个好像为时尚早了。

说到可燃冰在开采方面的研究，最早可以追溯到前苏联时期。在上世纪60年代，前苏联就在西伯利亚永久冻土区发现了世界上第一个具有商业开采价值的可燃冰气田——麦索雅哈气田，而我国则在2008年底成功在祁连山冻土区钻取到可燃冰的实验样品。

至于最早开采出可燃冰的国家则是德国，随后日本在2013年、2017年曾两次尝试开采，只是因为出沙等技术原因都宣布失败。我国则是首个能实现稳定开采的国家。

*我国能实现连续一周产气，最高单日产气量3.5万立方米。日本2次共18天总产气量3.5万立方米。

可燃冰开采有多危险

在自然界，可燃冰并不会一直稳定存在，温度、压力条件的变化会使其稳定带的范围不断改变，在碳循环的大链条上，它不断形成又不断分解，就像天上的云朵一样。只是对于人类而言，它是一种潜在经济效益极高的资源。

可是，如果可燃冰开采不当很可能会诱发生态灾难，最显而易见的就是海底地层的“山体滑坡”，若回填不当，可燃冰分解形成的空腔会削弱地层强度从而引起滑坡，就像煤矿塌陷一样。而不受控的分解则会导致地层下方气体压力过大，从而导致气体爆炸，炸成大坑。别以为距离我们数百海里的滑坡或者水下爆炸与我们无关，因蝴蝶效应而产生海啸的案例比比皆是。

（因可燃冰分解造成的著名海底滑坡“Storegga Slide”，黄色字就是引起海啸的高度）

除此之外，可燃冰分解所释放的甲烷也会和海水中的氧气发生反应，生成碳酸氢根，让海水变成了可乐。酸化的海水会严重影响海洋生物的钙质外骨骼形成（简单来说就是扇贝长不出壳了），引发大面积的物种死亡，最终影响到海洋食物链，人类也开始“无啖好食”。

（酸化的海洋坏境会溶解贝壳类生物）

那么难，还采来干嘛

在回答这个问题之前先看一组数据，1977～2017年，全球能源消费结构呈现出石油下降、煤炭平稳，天然气等清洁能源快速发展的趋势，其中2017年全球天然气平均占比23.8%，但问题是我国天然气仅占6.6%，煤炭依旧占了60%以上。

(天然气在各国能源消费结构当中的占比)

大量的煤炭燃烧正是我国严重空气污染的主要元凶，以煤炭为主的能源结构也让很多人质疑在国内使用电动车究竟是否真的环保。为此，国家也制定了相应的政策去提升清洁能源在消费结构当中的占比，例如到2030年，天然气就要提升到30%。但问题是，我国天然气产能严重不足，现在还需要大量进口。

自2018年开始，我国就成为全球第一大天然气进口国，其中管道气占比41%，主要来自哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦，LNG占比59%，主要来自澳大利亚、卡塔尔、印尼等国。因为进口，成本自然就居高不下，有一份数据显示，目前天然气的每度电净发电成本是煤炭的7倍，难怪不想用天然气发电了。（*管道气、LNG百分比参考2018年数据）