甲烷水合物會否成為國產能源資源

石川憲二 [作者簡介]

[2013.06.10] 其它語言:ENGLISH | 日本語 | 简体字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL | Русский |

2013年3月,日本率世界之先,在愛知縣海域海底儲藏的甲烷水合物中成功地採集到天然氣。它是否可能成為國產能源資源?請看作者立足於開發現狀所做的分析。

2013年4月1日,日本政府下屬的綜合海洋政策本部公布了作為今後5年海洋政策方針的新海洋基本計劃草案。甲烷水合物是其中的一大亮點。3月12日,日本從愛知縣海域東部南海海溝地層中的甲烷水合物中成功採集出甲烷氣,這在世界尚屬首例。此後,甲烷水合物便作為一種國產能源資源迅速吸引了人們的關注。

上述計劃提出,自2013年度開始,用3年左右時間調查日本海沿岸等日本周邊的儲量,推進旨在實現商業化發展的技術開發活動。鑑於這一動向,一部分人將甲烷水合物視為「日本國的海洋資源」,對其寄予了厚望,但也有一些專家斷言「甲烷水合物並非資源」,實際情況撲朔迷離。在本文中,筆者將依據自己所掌握的訊息,探討其作為資源利用的可能性。

甲烷水合物與傳統天然氣的差異

首先簡單介紹一下甲烷水合物這種物質。當代的主流學說認為,被稱為傳統型的普通石油和天然氣主要來源於沉積在海底的浮游生物和藻類等有機物。這些有機物因地殼活動而進入地下深處(陸地或海底)後,在高溫高壓作用下發生化學變化,形成具有可燃性的油和燃氣。而甲烷水合物則被認為是沉積的有機物在海底或海底淺表地層的低溫高壓環境下生成的。

請大家觀察下圖。此圖顯示了甲烷水合物的穩定區域,只要滿足圖左下方的條件,甲烷和水就會形成甲烷分子被水分子包圍的水合物(hydrates)。源於生物的有機物被厭氧甲烷生成菌分解後產生出甲烷,或者像傳統天然氣那樣,在地熱和地壓影響下也很容易生成甲烷。而海中和地下都存在大量的水,所以只要這兩種原料進入穩定區域,就會自然而然地形成甲烷水合物。

海洋環境中甲烷水合物的穩定區域

出處:甲烷水合物資源開發研究協會《新型天然資源甲烷水合物「我國甲烷水合物開發計劃」第2階段》(2010年)

比如,若是在水深500m以上的深海,水溫在5℃以下就足以生成甲烷,條件毫不苛刻。基於這一點,人們預測認為「其資源量應該高於只能在地下深處生成的傳統天然氣」。此外,陸地上可以滿足穩定條件的地點較少,僅在俄羅斯和加拿大等地的永久凍土下有少量發現。

人們之所以說日本近海擁有大量甲烷水合物,是因為日本的調查活動起步較早,其實世界上任何地方,只要是在大陸棚延伸的深海地帶,都有可能發現該物質。話雖如此,由於日本列島位於歐亞大陸廣闊的大陸棚的東端,且四周遍布深海,所以事實上人們確實存在一種期待,即大量有機物應該已經高效地形成了甲烷水合物。

不過,時至今日仍頻繁地在新聞中介紹的「日本周邊的儲量可維持國內100年的天然氣消費量」這一數據,來源於1996年的論文,數字陳舊,完全沒有可信度。目前,正式公布的資訊僅有一條,即已經確認成功實現海底採氣的東部南海海溝調查對象海域內,存在著按2011年液化天然氣(LNG)進口量計算大約可供日本使用11年的甲烷水合物。

甲烷生產技術並不簡單

儘管甲烷水合物儲量豐富,但要從中提取出甲烷並作為能源資源加以利用,則並非易事。因此,其開發進度明顯落後於傳統的天然氣。此外,由於天然氣和近來引發熱議的頁岩氣的主要成分都是甲烷,所以只要能從甲烷水合物中成功提取甲烷,之後就完全可以同樣利用作燃料和化學原料了。

甲烷水合物的結構 綠色部分為甲烷,紅色部分為水(圖像提供:甲烷水合物資源開發研究協會)

甲烷水合物之所以被認為難以實現資源化利用,首要原因在於人們尚未掌握從水分子的「牢籠」中將一個個被禁錮的甲烷分子釋放出來的有效方法。參考前面的圖示可以發現,對甲烷水合物實施加熱或減壓處理,可以使其脫離穩定區域,但如果分解反應只在有限的狹窄範圍內進行,甲烷氣便收穫無幾。於是,日本在2001-2008年實施的甲烷水合物第1階段的開發計劃中,開展了陸上產氣試驗。由於陸上比海底更易於作業,所以加拿大的永久凍土成為了候選地。

2001年,最初採用的是灌輸熱水進行加熱的方法。然而,甲烷水合物的分解屬於吸熱反應,熱量被不斷奪走,導致可採氣區域僅局限於極小的範圍內。此後,通過新一輪研究,2007年啟動的第2次陸上產氣試驗採用了減壓法。這一次,大約在6天時間內成功實現了甲烷氣的連續生產,首次開闢了一條通向甲烷水合物資源化利用的道路。此外,之所以設定為6天,主要是出於試驗時間的考慮,現場技術人員表示他們已確信可以開展持續時間更長的生產活動。

但是仍然存在著大量難題。甲烷水合物被認為難以用於採集甲烷氣的另一個原因在於,資源量龐大的甲烷水合物層存在於海底地層中,夾雜著許多柔軟的泥沙。原本計劃將管道插入地下,通過內部減壓的方式單獨提取甲烷氣,但砂土會進入豎井,致使其堵塞,已被減壓的甲烷水合物層甚至有可能被來自上部的壓力壓垮。為了解決這一問題, 在2009年度啟動的第2階段開發計劃中,開展了各種技術開發活動。萬事俱備後,2013年3月取得了海洋產氣試驗的成功,終於跨越了一個巨大障礙。

甲烷水合物的開發處在哪一階段?

東京大學名譽教授、前國立環境研究所所長石井吉德一直對上述一系列開發計劃持有異議。20世紀90年代前5年,日本正式啟動針對甲烷水合物的調查和研究活動時,石井擔任了調查委員長,正因為如此,他的否定性言論更加引人注目。按照他的發言內容,我們可以了解到——起初,人們認為海底甲烷水合物層下方存在因地熱而呈現氣化狀態的甲烷,可以進行採集,但實際上甲烷並未游離,而是保持著水合物狀態。這樣一來,成本因素導致難以單獨提取甲烷,所以甲烷水合物算不上一種資源。

直至近年,許多研究人員一直都與石井抱有相同的看法。然而,開發團隊的技術革新取得了超出人們的預期的進展,最終攻克了連續生產的技術難題;加上頁岩氣、頁岩油、油砂、超深海石油天然氣等高成本化石燃料相繼投入市場,更是起到了推波助瀾的作用。最關鍵的一點是,1999年至2008年期間,原油價格翻了15倍,人們已經難以用過去的常識來思考能源資源的價格了。這樣一來,被推定為成本較高的甲烷水合物並非完全不可能實現商業化發展。

即便如此,本次海洋產氣試驗中,混入豎井的砂土量超過了預估水準,導致不得不縮短實驗時間,且確認到甲烷水合物發生了分解的地點距離生產井只有20m左右,鑑於這些因素,今後似乎必須解決許多課題。而解決這一切障礙後,在成本上如果無法戰勝頁岩氣和深海天然氣等市場競爭對手,那麼依然無法開展商業化生產。

開發計劃提出,要在截止到2015年度的第2階段內,再次實施海洋產氣試驗,並在2016-2018年度的第3階段對這些試驗成果進行研究分析之後,就能否實現商業化發展做出最終評估。文章開頭介紹的新海洋基本計劃也依據這一程序,明確提出——

・在2018年度之前開發出旨在實現商業化發展的技術
・在2015-2020年期間,根據國際形勢,推進技術開發,啟動由民間企業主導、有助於實現商業化發展的項目。

而新聞報道卻不知何故強行縮略了上述兩句話,多采用「計劃提出將力爭在2018年之前實現甲烷水合物的商業化發展」( NHK「NEWS WEB」2013年4月5日播出)這樣的表述,令人覺得彷彿是5年後就可以實現資源化生產。誇張的內容或許是為了吸引關注,但恐怕這還是那些不知資源開發難度的記者們得意忘形的敗筆。

開發水準尚處 「1級階段」

除了能源資源外,所有商品都應經過以下階段後,在市場上發揮力量。比如,混合動力車過去長期停留在0級階段,而通過豐田和本田的努力,如今已達到3級階段。不過,由於其在全球汽車市場中所占比例尚低,所以始終難以邁入4級階段。

0級階段:毫無商品價值
1級階段:可從科學層面實現生產(試驗性生產)
2級階段:可從技術層面實現生產(實驗性生產)
3級階段:可從經濟層面實現生產(商業性生產)
4級階段:具有足以改變社會的強大商品力

如若石井所言,甲烷水合物或將永遠處在0級階段,但我認為,實際上陸上產氣試驗已達1級階段,現在正為走向2級階段而進行技術開發。因此,沒有必要過度悲觀,但話雖如此,炒作「由此即可徹底解決日本能源問題」實屬無知。我們應該認識到,確立穩定連續生產技術是當下的首要課題,商業化發展則是第2階段之後的目標。

最後我想指出,天然氣在日本的一次能源(約等於全部能源)中所占的比例雖已大幅提高,但仍不過為20%左右,僅為石油的一半。同時,從現狀來看,很難將天然氣穩定地用作汽車燃料,不可能完全替代石油。因此,即使日本周邊存在大量甲烷水合物,且實現了資源化利用,也只能滿足我國的一部分能源需求。從這個意義來說,也非常需要大家保持冷靜,關注未來的發展動向。

(2013年4月8日,標題圖片:燃燒中的人工甲烷水合物(圖片提供:甲烷水合物資源開發研究協會))

  • [2013.06.10]

媒體人、作家、編輯。生於1958年。畢業於東京理科大學理學系。曾任週刊記者,後成為自由撰稿人和編輯。除了為書籍、雜誌撰稿和創作小說外,在近30年的時間裏,通過對企業的採訪,撰寫了大量有關技術和商業的說明性報道。主要著書有《海底資源海洋國家日本的龐大隱形財富》(Ohmsha出版社,2012年)、《化石燃料革命無「枯竭」時代的新戰略》(日刊工業新聞社,2012年)、《最了解存儲技術》(技術評論社,2012年)、《The Manga Guide to the Universe》(No Starch Press,2011年)、《自然能源的可能性與局限性》(Ohmsha出版社,2010年)等。

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