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(guān)注的“可燃冰”。支持者認(rèn)為，可燃冰能夠消除地球能源危機(jī)，但是對(duì)它們的探測(cè)是否存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)？
日本海底之下蘊(yùn)藏著甲烷層，這些甲烷困在冰“分子籠”中。在一些海底環(huán)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，它們像海底浮起的臟冰。
“火柴點(diǎn)燃可燃冰，不僅會(huì)融化，還會(huì)燃燒?！?/p>
從海底采集一塊可燃冰拿到地面上，除了放在手掌上會(huì)發(fā)出一種“嘶嘶”聲，它在視覺(jué)和觸覺(jué)上都非常像冰塊，但用火柴點(diǎn)燃它時(shí)，它不僅會(huì)融化，還會(huì)燃燒。日本和其他國(guó)家的大型國(guó)際研究項(xiàng)目和公司都競(jìng)相從海底提取可燃冰。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，預(yù)計(jì)未來(lái)10年內(nèi)可以開(kāi)始采集，但是迄今為止，可燃冰的開(kāi)采仍是困難重重。
近期評(píng)估數(shù)據(jù)表明，可燃冰占石油、天然氣和煤等化石燃料碳總量的三分之一。全球一些國(guó)家，尤其是日本非常迫切地進(jìn)行開(kāi)采。通常在海底發(fā)現(xiàn)可燃冰并不難，因?yàn)榭扇急鶗?huì)留下顯著的震波信號(hào)，能夠被研究測(cè)量船發(fā)現(xiàn)。但是該計(jì)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(guó)地質(zhì)調(diào)查局可燃冰項(xiàng)目負(fù)責(zé)人卡羅琳·魯佩爾(Carolyn Ruppel)說(shuō)：“有一點(diǎn)非常清楚，我們不會(huì)無(wú)限制地開(kāi)采這些類(lèi)似冰的沉積物，這些資源是有限的，很寶貴?！?/p>
這一切都?xì)w結(jié)于可燃冰的物理屬性，可燃冰對(duì)壓力和溫度非常敏感，無(wú)法簡(jiǎn)單地挖出來(lái)帶到地面上。它們通常形成于500米深海底之下數(shù)百米深處，那里的壓力比水面壓力大，溫度接近0攝氏度。如果提取出來(lái)，它們會(huì)在甲烷被利用之前就開(kāi)始分解，但事實(shí)上還有其他的方法進(jìn)行提取。魯佩爾說(shuō)：“如果讓這些海底沉積物釋放出甲烷，就可以提取該氣體?！?/p>
日本政府投資的一個(gè)研究項(xiàng)目正試圖完成這一目標(biāo)，它的最初任務(wù)是發(fā)現(xiàn)2013年可能存在可燃冰的地點(diǎn)。日本石油天然氣金屬?lài)?guó)家公司可燃冰研發(fā)小組負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)人山本浩二(Koji Yamamoto)稱(chēng)，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鉆孔開(kāi)采甲烷水合物氣體，通過(guò)對(duì)該資源降壓處理，成功地釋放和收集甲烷氣體。這項(xiàng)測(cè)試持續(xù)了6天時(shí)間，直到沙子進(jìn)入鉆孔井堵塞了氣體釋放。
2017年，研究人員在南海槽進(jìn)行了第二次測(cè)試，此次研究人員使用了兩口測(cè)試井。第一個(gè)測(cè)試井運(yùn)行了幾天之后就遭受了以前出現(xiàn)的沙子堵塞問(wèn)題，然而第二個(gè)測(cè)試井持續(xù)運(yùn)行了24天也沒(méi)有出現(xiàn)任何技術(shù)問(wèn)題。
“總體而言，人們對(duì)任何海底勘探操作都感到恐懼，畢竟海床不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)地震。”
夏威夷自然能源研究所技術(shù)翻譯Ai Oyama曾從事可燃冰分析研究工作，他表示，盡管該測(cè)試工作僅持續(xù)很短時(shí)間，但日本可能擁有可用碳基自然資源。然而，公眾對(duì)可燃冰開(kāi)采的反應(yīng)褒貶不一，一些人支持日本擁有獨(dú)立能源的想法，另一些人則對(duì)破壞附近海床板塊邊界的任何技術(shù)持非常謹(jǐn)慎的態(tài)度?？傮w來(lái)看，人們覺(jué)得在海底進(jìn)行勘測(cè)采集工作是令人擔(dān)憂(yōu)的，因?yàn)楹５篆h(huán)境非常不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生地震。
令人擔(dān)憂(yōu)的是，對(duì)甲烷水合物沉積層任何一處進(jìn)行降壓處理，都可能導(dǎo)致整個(gè)海底沉積層變得不穩(wěn)定?？_琳說(shuō)：“人們擔(dān)心我們開(kāi)始從天然氣水合物中提取甲烷會(huì)陷入一種失控的連鎖分解反應(yīng)，使海底不穩(wěn)定狀態(tài)無(wú)法停止下來(lái)。可燃冰采集過(guò)程將存在雙方面問(wèn)題，首先，大量甲烷氣體會(huì)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(shí)還會(huì)釋放大量的水，這些水會(huì)滲入海床下方的沉積物中，在海底地形陡峭的環(huán)境中，很可能會(huì)造成滑坡和塌方，一些環(huán)保主義者甚至擔(dān)心這會(huì)導(dǎo)致可怕的海嘯災(zāi)難。
然而甲烷水合物的物理性質(zhì)會(huì)自然地阻止這一系列事件的發(fā)生，從海底沉積物中釋放甲烷，必須向系統(tǒng)注入能量。在沒(méi)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(wěn)定。
雖然不太可能出現(xiàn)反應(yīng)失控的情況，但是日本這個(gè)研究項(xiàng)目仍在進(jìn)行廣泛的環(huán)境測(cè)試，分析可燃冰提取的安全性。山本浩二表示，依據(jù)2013年首次測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，以及2017年進(jìn)行的第二次較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，迄今沒(méi)有數(shù)據(jù)表明該技術(shù)會(huì)破壞海底穩(wěn)定。但是一旦提取可燃冰的操作失控，很可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事件，并引起民眾的高度恐慌。
山本浩二說(shuō)：“我們認(rèn)為可燃冰對(duì)于環(huán)境是安全的，但是公眾仍然擔(dān)心甲烷水合物的負(fù)面影響?！?/p>
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(guān)注和青睞。他們?cè)跍\層海域的勘測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)日本西部海域海底表面存在著淺層沉積物，但是采集這些淺層海底沉積物將面臨著潛在風(fēng)險(xiǎn)。
美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物項(xiàng)目資深科學(xué)家蒂姆·科利特(Tim Collett)說(shuō)：“這些都是非?；钴S的生物環(huán)境，整個(gè)生物環(huán)境都是以甲烷維持生命?！?/p>
這樣的淺海底環(huán)境存在大量奇特生物，從細(xì)菌至大型管蟲(chóng)和螃蟹，它們都是以甲烷為能量。地球上其他甲烷基礎(chǔ)的生物種落環(huán)境，通常都作為罕見(jiàn)的自然資源進(jìn)行保護(hù)。
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(qū)域和高山地區(qū)地面上一層永久凍結(jié)巖石或者土壤。來(lái)自日本的研究人員正在阿拉斯加北坡地區(qū)進(jìn)行一項(xiàng)雄心勃勃的陸地可燃冰提取實(shí)驗(yàn)，目前日本陸地環(huán)境并未發(fā)現(xiàn)永久凍土層。
今年12月開(kāi)始，日本國(guó)家研究項(xiàng)目研究人員與美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、美國(guó)能源部進(jìn)行合作，他們的最初目標(biāo)是希望建立一個(gè)長(zhǎng)期甲烷水合物測(cè)試地點(diǎn)。雖然甲烷水合物的來(lái)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(shuō)：“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(shí)證明，盡管北極永久凍土層和海底環(huán)境明顯不同，但是這些沉積物的物理屬性，以及它們?nèi)绾卧诔练e層中出現(xiàn)，似乎是非常相似的?！?/p>
阿拉斯加永久凍土層使用的可燃冰采集技術(shù)可能最終會(huì)轉(zhuǎn)移到海底勘測(cè)中，但是這仍有很大的挑戰(zhàn)。迄今為止，在陸地和海洋任何環(huán)境未進(jìn)行長(zhǎng)期甲烷水合物提取活動(dòng)。
科利特說(shuō)：“當(dāng)前我們?nèi)蕴幱谘芯侩A段。”考慮到從甲烷水合物中回收天然氣的難度，以及圍繞關(guān)于開(kāi)采的擔(dān)憂(yōu)，畢竟一個(gè)國(guó)家在該技術(shù)上大舉投資的風(fēng)險(xiǎn)很高。在日本國(guó)內(nèi)能源方面，幾乎沒(méi)有其它能源開(kāi)采選擇，從而使得難以采集的甲烷資源成為一個(gè)誘人的發(fā)展前景。日本不是一個(gè)依靠其他碳基能源的國(guó)家，畢竟這個(gè)國(guó)家自然資源十分匱乏。
山本浩二說(shuō)：“日本進(jìn)口大量天然氣，這些資源價(jià)格非常昂貴，如果我們擁有自己的國(guó)內(nèi)能源，這將有助于提高日本能量的安全性?！?/p>
作為一種經(jīng)濟(jì)資源，可燃冰的吸引力是顯而易見(jiàn)的。但是從根本上講，它只是天然氣的另一種來(lái)源，燃燒天然氣會(huì)導(dǎo)致氣候發(fā)生變化。
所有與化石燃料有關(guān)的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題都適用于甲烷水合物
科利特說(shuō)：“最重要的是，我們需要認(rèn)識(shí)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(huì)產(chǎn)生相關(guān)的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題?！?/p>
在這種情況下，可燃冰如果作為日本未來(lái)的重要能源，很可能被當(dāng)作一種過(guò)渡性可再生能源。天然氣是最低碳密度的化石燃料，每個(gè)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(chǔ)的燃料，燃燒它仍然會(huì)導(dǎo)致氣候發(fā)生變化。
山本浩二說(shuō)：“我們需要改變可再生能源，但是完全轉(zhuǎn)向可再生能源需要很長(zhǎng)時(shí)間?！?/p>
卡羅琳說(shuō)：“即使作為過(guò)渡燃料，天然氣水合物也可能非常重要，如果一個(gè)國(guó)家能夠有效地從這些沉積物質(zhì)中提取甲烷氣體，它可能開(kāi)啟過(guò)渡燃料至另一種未來(lái)能源的一個(gè)新領(lǐng)域?！?/p>
可燃冰未來(lái)能發(fā)揮多大的作用主要取決于它們以多快的速度被提取并以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。依據(jù)最新戰(zhàn)略能源計(jì)劃，日本政府希望開(kāi)始最新戰(zhàn)略能源計(jì)劃，2023-2027年之間啟動(dòng)可燃冰勘探。這個(gè)目標(biāo)可能有些雄心勃勃，東京大學(xué)能源與資源前沿研究中心研究員Jun Matsushima預(yù)測(cè)稱(chēng)，日本實(shí)現(xiàn)可燃冰開(kāi)采預(yù)計(jì)在2030-2050年之間，可燃冰商業(yè)化開(kāi)采仍有很長(zhǎng)的路要走。
卡羅琳說(shuō)：“至關(guān)重要的問(wèn)題是如果沒(méi)有技術(shù)問(wèn)題或者預(yù)算限制，能否長(zhǎng)期持續(xù)可燃冰開(kāi)采制造。我認(rèn)為到2025年會(huì)形成一個(gè)長(zhǎng)期的可燃冰測(cè)試，從幾個(gè)月至一年多時(shí)間，但這僅僅是我的猜測(cè)?！?/p>
與此同時(shí)，日本正致力于實(shí)現(xiàn)可再生能源制造和脫碳技術(shù)研發(fā)，隨著可再生能源技術(shù)日臻完善，并且成本更低，化石燃料的作用，尤其是像可燃冰這樣的珍貴燃料，數(shù)量將持續(xù)減少。商業(yè)規(guī)模采集甲烷所需時(shí)間越長(zhǎng)，利用它的有效時(shí)間窗口就可能更短。科利特稱(chēng)，另一種可能性是，增加一種新的可獲得化石燃料來(lái)源，這將延遲向可再生能源的過(guò)渡。
可燃冰的競(jìng)爭(zhēng)是一場(chǎng)獨(dú)特的競(jìng)賽，研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，但是該目標(biāo)在可再生能源實(shí)現(xiàn)時(shí)就會(huì)變得無(wú)關(guān)緊要。正因?yàn)槿绱?，可燃冰可能有“保質(zhì)期”，但是日本和其他正在積極探索可燃冰的國(guó)家，能否在可燃冰變得可消耗使用之前，以大規(guī)模開(kāi)采獲取，仍亟待觀察證實(shí)。
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