甲烷水合物会否成为国产能源资源

石川宪二 [作者简介]

[2013.06.10] 其它語言 : ENGLISH | 日本語 | 繁體字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL | Русский |

2013年3月,日本率世界之先,在爱知县海域海底储藏的甲烷水合物中成功地采集到天然气。它是否可能成为国产能源资源?请看作者立足于开发现状所做的分析。

2013年4月1日,日本政府下属的综合海洋政策本部公布了作为今后5年海洋政策方针的新海洋基本计划草案。甲烷水合物是其中的一大亮点。3月12日,日本从爱知县海域东部南海海沟地层中的甲烷水合物中成功采集出甲烷气,这在世界尚属首例。此后,甲烷水合物便作为一种国产能源资源迅速吸引了人们的关注。

上述计划提出,自2013年度开始,用3年左右时间调查日本海沿岸等日本周边的储量,推进旨在实现商业化发展的技术开发活动。鉴于这一动向,一部分人将甲烷水合物视为“日本国的海洋资源”,对其寄予了厚望,但也有一些专家断言“甲烷水合物并非资源”,实际情况扑朔迷离。在本文中,笔者将依据自己所掌握的信息,探讨其作为资源利用的可能性。

甲烷水合物与传统天然气的差异

首先简单介绍一下甲烷水合物这种物质。当代的主流学说认为,被称为传统型的普通石油和天然气主要来源于沉积在海底的浮游生物和藻类等有机物。这些有机物因地壳活动而进入地下深处(陆地或海底)后,在高温高压作用下发生化学变化,形成具有可燃性的油和燃气。而甲烷水合物则被认为是沉积的有机物在海底或海底浅表地层的低温高压环境下生成的。

请大家观察下图。此图显示了甲烷水合物的稳定区域,只要满足图左下方的条件,甲烷和水就会形成甲烷分子被水分子包围的水合物(hydrates)。源于生物的有机物被厌氧甲烷生成菌分解后产生出甲烷,或者像传统天然气那样,在地热和地压影响下也很容易生成甲烷。而海中和地下都存在大量的水,所以只要这两种原料进入稳定区域,就会自然而然地形成甲烷水合物。

图 海洋环境中甲烷水合物的稳定区域

出处:甲烷水合物资源开发研究协会《新型天然资源甲烷水合物“我国甲烷水合物开发计划”第2阶段》(2010年)

比如,若是在水深500米以上的深海,水温在摄氏5度以下就足以生成甲烷,条件毫不苛刻。基于这一点,人们预测认为“其资源量应该高于只能在地下深处生成的传统天然气”。此外,陆地上可以满足稳定条件的地点较少,仅在俄罗斯和加拿大等地的永冻土层下有少量发现。

人们之所以说日本近海拥有大量甲烷水合物,是因为日本的调查活动起步较早,其实世界上任何地方,只要是在大陆架延伸的深海地带,都有可能发现该物质。话虽如此,由于日本列岛位于欧亚大陆广阔的大陆架的东端,且四周遍布深海,所以事实上人们确实存在一种期待,即大量有机物应该已经高效地形成了甲烷水合物。

不过,时至今日仍频繁地在新闻中介绍的“日本周边的储量可维持国内100年的天然气消费量”这一数据,来源于1996年的论文,数字陈旧,完全没有可信度。目前,正式公布的信息仅有一条,即已经确认成功实现海底采气的东部南海海沟调查对象海域内,存在着按2011年液化天然气(LNG)进口量计算大约可供日本使用11年的甲烷水合物。

甲烷生产技术并不简单

尽管甲烷水合物储量丰富,但要从中提取出甲烷并作为能源资源加以利用,则并非易事。因此,其开发进度明显落后于传统的天然气。此外,由于天然气和近来引发热议的页岩气的主要成分都是甲烷,所以只要能从甲烷水合物中成功提取甲烷,之后就完全可以同样利用作燃料和化学原料了。

甲烷水合物的结构 绿色部分为甲烷,红色部分为水(图像提供:甲烷水合物资源开发研究协会)

甲烷水合物之所以被认为难以实现资源化利用,首要原因在于人们尚未掌握从水分子的“牢笼”中将一个个被禁锢的甲烷分子释放出来的有效方法。参考前面的图示可以发现,对甲烷水合物实施加热或减压处理,可以使其脱离稳定区域,但如果分解反应只在有限的狭窄范围内进行,甲烷气便收获无几。于是,日本在2001-2008年实施的甲烷水合物第1阶段的开发计划中,开展了陆上产气试验。由于陆上比海底更易于作业,所以加拿大的永冻土层成为了候选地。

2001年,最初采用的是灌输热水进行加热的方法。然而,甲烷水合物的分解属于吸热反应,热量被不断夺走,导致可采气区域仅局限于极小的范围内。此后,通过新一轮研究,2007年启动的第2次陆上产气试验采用了减压法。这一次,大约在6天时间内成功实现了甲烷气的连续生产,首次开辟了一条通向甲烷水合物资源化利用的道路。此外,之所以设定为6天,主要是出于试验时间的考虑,现场技术人员表示他们已确信可以开展持续时间更长的生产活动。

但是仍然存在着大量难题。甲烷水合物被认为难以用于采集甲烷气的另一个原因在于,资源量庞大的甲烷水合物层存在于海底地层中,夹杂着许多柔软的泥沙。原本计划将管道插入地下,通过内部减压的方式单独提取甲烷气,但砂土会进入竖井,致使其堵塞,已被减压的甲烷水合物层甚至有可能被来自上部的压力压垮。为了解决这一问题, 在2009年度启动的第2阶段开发计划中,开展了各种技术开发活动。万事俱备后,2013年3月取得了海洋产气试验的成功,终于跨越了一个巨大障碍。

甲烷水合物的开发处在哪一阶段?

东京大学名誉教授、前国立环境研究所所长石井吉德一直对上述一系列开发计划持有异议。20世纪90年代前5年,日本正式启动针对甲烷水合物的调查和研究活动时,石井担任了调查委员长,正因为如此,他的否定性言论更加引人注目。按照他的发言内容,我们可以了解到——起初,人们认为海底甲烷水合物层下方存在因地热而呈现气化状态的甲烷,可以进行采集,但实际上甲烷并未游离,而是保持着水合物状态。这样一来,成本因素导致难以单独提取甲烷,所以甲烷水合物算不上一种资源。

直至近年,许多研究人员一直都与石井抱有相同的看法。然而,开发团队的技术革新取得了超出人们的预期的进展,最终攻克了连续生产的技术难题;加上页岩气、页岩油、油砂、超深海石油天然气等高成本化石燃料相继投入市场,更是起到了推波助澜的作用。最关键的一点是,1999年至2008年期间,原油价格翻了15倍,人们已经难以用过去的常识来思考能源资源的价格了。这样一来,被推定为成本较高的甲烷水合物并非完全不可能实现商业化发展。

即便如此,本次海洋产气试验中,混入竖井的砂土量超过了预估水平,导致不得不缩短实验时间,且确认到甲烷水合物发生了分解的地点距离生产井只有20米左右,鉴于这些因素,今后似乎必须解决许多课题。而扫清这一切障碍后,在成本上如果无法战胜页岩气和深海天然气等市场竞争对手,那么依然无法开展商业化生产。

开发计划提出,要在截止到2015年度的第2阶段内,再次实施海洋产气试验,并在2016-2018年度的第3阶段对这些试验成果进行研究分析之后,就能否实现商业化发展做出最终评估。文章开头介绍的新海洋基本计划也依据这一程序,明确提出——

・在2018年度之前开发出旨在实现商业化发展的技术
・在2015-2020年期间,根据国际形势,推进技术开发,启动由民间企业主导、有助于实现商业化发展的项目。

而新闻报道却不知何故强行缩略了上述两句话,多采用“计划提出将力争在2018年之前实现甲烷水合物的商业化发展”( NHK“NEWS WEB”2013年4月5日播出)这样的表述,令人觉得仿佛是5年后就可以实现资源化生产。夸张的内容或许是为了吸引关注,但恐怕这还是那些不知资源开发难度的记者们得意忘形的败笔。

开发水平尚处 “1级阶段”

除了能源资源外,所有商品都应经过以下阶段后,在市场上发挥力量。比如,混合动力车过去长期停留在0级阶段,而通过丰田和本田的努力,如今已达到3级阶段。不过,由于其在全球汽车市场中所占比例尚低,所以始终难以迈入4级阶段。

0级阶段: 毫无商品价值
1级阶段: 可从科学层面实现生产(试验性生产)
2级阶段: 可从技术层面实现生产(实验性生产)
3级阶段: 可从经济层面实现生产(商业性生产)
4级阶段: 具有足以改变社会的强大商品力

如若石井所言,甲烷水合物或将永远处在0级阶段,但我认为,实际上陆上产气试验已达1级阶段,现在正为走向2级阶段而进行技术开发。因此,没有必要过度悲观,但话虽如此,炒作“由此即可彻底解决日本能源问题”实属无知。我们应该认识到,确立稳定连续生产技术是当下的首要课题,商业化发展则是第2阶段之后的目标。

最后我想指出,天然气在日本的一次能源(约等于全部能源)中所占的比例虽已大幅提高,但仍不过为20%左右,仅为石油的一半。同时,从现状来看,很难将天然气稳定地用作汽车燃料,不可能完全替代石油。因此,即使日本周边存在大量甲烷水合物,且实现了资源化利用,也只能满足我国的一部分能源需求。从这个意义来说,也非常需要大家保持冷静,关注未来的发展动向。

(2013年4月8日,标题图片:燃烧中的人工甲烷水合物(图片提供:甲烷水合物资源开发研究协会))

媒体人、作家、编辑。生于1958年。毕业于东京理科大学理学系。曾任周刊记者,后成为自由撰稿人和编辑。除了为书籍、杂志撰稿和创作小说外,在近30年的时间里,通过对企业的采访,撰写了大量有关技术和商业的说明性报道。主要著书有《海底资源 海洋国家日本的庞大隐形财富》(Ohmsha出版社,2012年)、《化石燃料革命 无“枯竭”时代的新战略》(日刊工业新闻社,2012年)、《最了解存储技术》(技术评论社,2012年)、《The Manga Guide to the Universe》(No Starch Press,2011年)、《自然能源的可能性与局限性》(Ohmsha出版社,2010年)等。

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