上世纪70年代,美国地质学家在海洋钻探中发现了看起来像普通干冰的纯天然气水合物,因为它可以像是固体酒精一样被点燃,所以也被称为“可燃冰”,其能量密度非常高,1立方米可释放164立方米天然气。
自从可燃冰被发现之后,美国、日本、德国、中国、韩国、印度等多个国家都制定了天然气水合物勘探和开发的研究计划,这些国家的近海海域和冻土带也已发现了多个水合物矿点,这意味着有大量的可燃冰埋藏在地下,等待人类的挖掘。
科学研究结果表明,可燃冰仅存在于海底或陆地苔原内,分布区域也很特定,其主要分布于深水特定区域的松散沉积区域,或极地陆架水深100至250米以下的地方。天然气水合物资源巨大,保守估计世界海洋中天然气水合物能转化为甲烷气体的量已超过2亿立方米。
2亿立方米是非常庞大的数量,这相当于世界上已知的煤炭、石油和天然气总量的两倍多,因此天然气水合物,也就是可燃冰,已经是世界上最大的已知但尚未开发的能源。在人类担心石油和天然气储量很快就会耗尽的情况下,可燃冰势必是未来的能源希望。
科学家估计,仅在海底,可燃冰就覆盖了4000万平方公里的面积,也就是地球海洋总面积的四分之一。2011年,全球已有116个地点发现了可燃冰,其矿层之厚、规模之大是常规气田无法比拟的,据估计,海底可燃冰足够人类使用至少1000年。
可燃冰之所以备受关注,是因为全球资源的使用情况是一个重要的话题,很多重要资源的储量已经到了一个临界点、关键转折点,换句话说,人类面临着许多资源供应紧张和枯竭的问题,包括能源、水资源、矿产资源等。
其中,化石能源如石油、天然气和煤炭是全球能源供应的主要来源,然而,化石能源的使用已经达到了一个关键点,据国际能源机构的数据,全球每年消耗超过90亿吨的石油、30亿立方米的天然气和40亿吨的煤炭。
而水资源则是维持生态系统和人类生活所必不可少的重要资源,同样的,全球水资源面临非常严重的压力,约百分之40的人口生活在水资源紧缺地区,而世界各地又都有水资源匮乏和水污染的问题。例如,雅鲁藏布江的流量大幅减少,给当地人民的生活和农业带来了巨大挑战。
另外,矿产资源则是现代工业和技术发展的基石,可许多矿产资源也正面临枯竭的临界点。举例来说,稀土元素是高科技产品和绿色能源技术的重要组成部分,但少数国家垄断了稀土矿产资源的供应,而且随着开采量的增加,矿石品位不断下降,开采成本也随之上升。
面对资源枯竭和环境问题,可持续利用和寻找替代资源成为关键,许多国家已经采取了行动,推动能源转型,发展可再生能源如太阳能和风能,并提高能源利用效率。可燃冰也是备选之一,但是它的大规模开采和市场化仍然面临着一些局限。
甲烷水合物,也称为天然气水合物或可燃冰,是由甲烷气体和水组成的冰状物质。理论上,只要将甲烷与其他化合物分离,它就可以作为一种良好的能源来利用。然而,事实证明在自然界中提取和发现这种气体在技术上非常具有挑战性。
一方面,天然气水合物沉积物通常位于永久冻土层或海底之下,主动提取甲烷还会导致严重的环境影响,例如与甲烷逃逸到大气中有关的气候变化,毕竟甲烷也是温室气体。
另一方面,常规油气和页岩油气的市场在观察到替代能源的开发后,都会及时调整价格,保持相对较低的价格以吸引购买。而可燃冰短期来看,生产成本较高,所以对它的开采无法快速进入规模化、市场化。
由于这两方面的挑战,行业专家预计可燃冰的大规模商业化至少要到2030年才能实现。尽管如此,包括我国、日本、美国和印度在内的多个亚太国家已积极投资天然气水合物旨在利用该物质作为能源的研究。
其中,日本是甲烷水合物研究的另一个先驱,2013年,日本通过在太平洋的钻探试验成为第一个成功提取了海底甲烷的国家。日本之所以急切地寻找可燃冰,一方面因为其自然资源有限,另一方面则是在和2011年3月核电站事故的后果作斗争,他们认识到了实现能源供应组合多元化的重要性。