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[科學新知] 可燃冰燃燒21世紀能源新希望 [14P] [複製連結]

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發表於 2017-5-22 19:30:27 |只看該作者 |倒序瀏覽 | 被感謝次數

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可燃冰燃燒21世紀能源新希望

早於19世紀初，人們已經發現可燃冰這種物質。然而當時人們對可燃冰初次見面的印象，卻是跟現今號稱「21世紀的新能源」的形象大相逕庭。1934年前，蘇聯因天然氣輸送管遭到堵塞，意外發現可燃冰的存在，但令當時天然氣開採技術人員頭痛的是，可燃冰的分解汽化會影響施工人員安全。然而，在化石原料逐漸枯竭的現代，可燃冰已重新改頭換面，成為能源危機的救星。

可燃冰－會燃燒的冰

「可燃冰顧名思義就是會燃燒的冰，」台大地質科學研究所教授楊燦堯指出，在高壓低溫的狀態下，水分子會形成籠形構造，且在籠形結構中包覆天然氣水合物。這些天然氣水合物的成份以甲烷為主，又稱為甲烷水合物，其他還包含乙烷、丙烷、氫氣、二氧化碳等等。

楊燦堯解釋，可燃冰之所以稱作「可燃燒的冰」，是因為可燃冰在常溫常壓下就會解離，裡面的甲烷氣就會釋放出來。因為甲烷氣具有可燃性，只要在可燃冰上點火觸發甲烷氣，可燃冰就會輕易燃燒起來。

台大地質所教授楊燦堯認為可燃冰中的甲烷氣具有可燃性，可燃冰才會燃燒（攝影／郭婉容）

比起現有的化石原料，可燃冰的優勢其中之一，即是較乾淨的新能源。這是因為甲烷含碳量高，燃燒後雖會產生二氧化碳，但其二氧化碳排放量卻比汽油燃燒排放的二氧化碳量還少，因此可燃冰的使用應有助於減少地球環境汙染，降低二氧化碳含量。

可燃冰生成條件　高壓低溫是關鍵

值得注意的是，雖然甲烷水合物像冰塊，但並不需要在冰點以下才會形成，只要足夠的甲烷氣體量在50大氣壓以上，小於7度C的低溫之條件下即可能生存。

同時，大自然中地表下的溫度可以「地溫梯度」規則來依循。所謂「地溫梯度」指的是地表下每單位深度增加的溫度變化率。一旦地表深度加深，環境溫度變化達到可燃冰形成的溫度、壓力時，足夠的天然氣水合物即可能形成可燃冰。

以致，按照地溫梯度變化、甲烷氣分佈狀況，可發現自然界裡面南北兩極永凍層，以及海洋大陸斜坡等宏偉的自然景觀，絕大部分都是可燃冰生成的地域。海床底下因為海洋沉積物有較高含量的有機物質，可在海床底下形成甲烷氣。根據海洋的地溫梯度，符合可燃冰生成條件的海床，大致上必須位於海面下至少四百公尺之處，只是一般海水中甲烷含量太稀薄，所以在海水中未見甲烷水合物的存在。　

珍貴的乾淨能源　新能源寶藏開採

從永凍層的地下溫度、壓力變化、與甲烷水合物相界變化的條件綜合來看，甲烷水合物可以在約200 公尺到1080 公尺深度的地層中形成。除了南北極的永凍層發現可觀的可燃冰以外，美國阿拉斯加和俄羅斯西伯利亞等地區，也發現相當豐沛的可燃冰資源。從1969年起前蘇聯就已在西伯利亞進行可燃冰開採，可見得永凍層的開採已有相當成熟的技術。可燃冰的分布層如下圖所示。

（製圖／秦洛芸）

而在海平面四百公尺之下的海床中，只有環太平洋的大陸斜坡蘊藏大量天然氣水合物。因為海洋中間地帶都是以碳酸鈣為主的沉積物質，因而缺乏足夠量的甲烷形成可燃冰。反觀環太平洋的大陸斜坡沉積了大量來自陸地植物生成的有機物質，經過降解作用，便可生成可燃冰的主要成份氣體－甲烷。

再看看台灣，台灣為環太平洋的島國之一，在台灣西南方的大陸斜坡便具備形成甲烷的良好條件，為始終仰賴能源進口的台灣，開啟替代新能源的希望。許樹坤教授提到，台灣西南部已有許多甲烷水合物分佈的徵兆，非常有新能源開採的潛能。只是還沒有正式鑽井、開採。

開採可燃冰的難題　新技術增添可行性

甲烷水合物分布雖廣，但是必須有足夠量的甲烷水合物集中在一個小區域中較值得開採。目前仍在評估實際具開發條件的甲烷水合物總量有多少。

因為可燃冰原本在地表下是冰塊狀，若要開採則需要把冰塊溶解，通常為了開採會選擇注入熱水加溫使其汽化，以取得氣體狀態的天然氣水合物。但是可燃冰在解離為甲烷跟水的過程使出現吸熱反應，若沒有提供足夠熱能，汽化中的可燃冰就會吸取周圍可燃冰的熱能，使可燃冰溫度更低。這樣一來，解離中的吸熱反應降低週遭溫度，阻止水合物繼續解離。這個機制雖是大自然中甲烷水合物之所以能保持穩定狀態的原因之一，但對須連續開採供應的甲烷氣而言，卻是一個不利的因素。

對此，楊燦堯提到，今年(2013年)日本已經在三、四月進行開採測試，也於年底要進行生產測試，日本開採的豐富經驗，可提供台灣開採可燃冰的可行性。

地球自保效應發揮效用溫室效應影響不加劇

不過，楊燦堯指出，甲烷的溫室反應大概是二氧化碳引起的溫室反應的的二十幾倍。因而必須認知溫室氣體甲烷對地球的影響。

這是因為可燃冰不論在永凍層或在大陸斜坡海床下，其穩定度都跟距離海平面的深度有直接關係。隨著地球處於冰期或間冰期，地球的海平面會整體下降或上升。

如果地球處於冰期，南北極的溫度下降會使南北極結冰層較厚，則地球的海水因著南北極大量結冰導致水位下降，此時南北極的可燃冰就會趨於更穩定狀態。但也因為海平面下降，大陸斜坡的可燃冰會趨於不穩定狀態，在此情況下，甲烷氣有可能從大陸斜坡解離到空氣之中。

相反地，如果地球處於氣溫較高的間冰期，地球因為溫度上升，南北兩極的冰層融解變薄，原本穩定的可燃冰就會開始解離。舉例來說，現在可以觀察到，因為地球溫度上升，靠近南北兩極的冰層也溶解、崩塌，造成西伯利亞沼澤下開始冒氣泡，這些氣泡就是解離的甲烷氣體。但是兩極冰塊融化，海平面上升，又使得大陸斜坡海床下的可燃冰則趨於穩定狀態。

楊燦堯認為，這就是地球的自保效應，在某種程度上達到一個平衡，使得地球當中的甲烷解離的量維持穩定的總數。

開採可燃冰不汙染先進技術改善問題

甲烷氣體除了帶來溫室效應，也可能產生不穩定現象。若海底有斷層或者比較輕的岩球通過，影響了可燃冰周圍的溫度，會使冰塊溶化、冰層變薄。此時甲烷氣體處於不穩定狀態，則可能上升形成泥火山。

狀況不穩定的泥火山，若發生地點位於大陸斜坡就會造成影響，嚴重時可能造成海底崩移，甚至引起海底海嘯。

中央大學地球物理研究所教授許樹坤認為，可燃冰即使在不開採的情況下，也會因為溫度壓力變化變得不穩定。這些甲烷解離造成的環境動盪，不論可燃冰的開採與否，都可能面臨危機。

在這方面，楊燦堯接著提到，開採可燃冰對自然界的影響程度，可能比我們想像中的小。因為地球自保效應機制，開採可燃冰跟開採地底石油、天然氣，所造成影響相差不遠，如何降低開採對於環境的影響，絕對可以透過技術的進步達成。

楊燦堯又指出，日本是全世界地質環境最惡劣的國家，日本卻領先成為可燃冰研究、生產最迅速完善的國家。因此日本的開採成功的經驗，可以成為地質環境同樣較差的台灣，提供開採可燃冰的參考。

新形態能源　可燃冰蓄勢待發

雖然世界各國對於開採、研發技術已有一定發展，但是對於開採後並進行實際應用，還需要投入的設備、研究經費等，又是另一筆極高的成本。相對來說，目前石油跟天然氣成本較低，因此開採可燃冰的經濟效應自然不及傳統能源，也可炎冰開採尚未普及的主因。

許樹坤教授提到，美國最近也研發出頁岩油的開採技術，而使原傳統的化石原料相對可然冰耗費較少設備成本的情況下，資源增加。是因為以上因素，才使得可燃冰雖然開採技術成熟，卻尚未普及應用。　　

楊燦堯提到，目前可燃冰的研究、開採技術已相當成熟，就等實際大量開採的時機。然而以目前全球消耗石油、天然氣快速消耗的速度來看，勢必需要積極開發下一代的新能源做為替代。許多人因此把甲烷水合物視為二十一世紀最有潛力的新能源，科學家也推估全球甲烷水合物中甲烷含量大約有20 千兆立方公尺。初步估計甲烷水合物在地球所佔的含量，約為化石燃料的兩倍。科學家們進一步估算，單以美國東岸外海布萊克海脊處的甲烷水合物儲量，就足夠提供美國使用100 年以上。因此當這些化石原料漸漸耗竭時，可燃冰的應用就可取代石油。

雖然有源源不絕新技術、新能源被發掘，但任何形式的能源，都有耗竭的一天。因而，人類必須珍惜有限能源，才能真正做到地球生態的永續發展。

中國已成功開採可燃冰恐令油氣價格崩跌

中國大陸在南海北部神狐海域成功試採可燃冰，並成功連續8天穩定生產，準備於2030年前展開商業化開發。俄羅斯《塔斯社》報導指出，中國可燃冰開採技術完全可能使世界油氣價格「崩潰」。

（圖/取自《人民日報》）

科學家認為「可燃冰」是能夠滿足人類使用1000年的新能源，是今後替代石油、煤等傳統能源的首選。此次中國大陸試採成功意義重大，猶如打開一個可採千年的寶庫，甚至可改變世界能源供應格局。

對中國大陸開採可燃冰，擁有充沛石油與天然氣資源的俄羅斯相當重視。《俄羅斯報》網站2017年5月18日報導，中國石油專家在全球首次從南海海底開採出「可燃冰」。這種天然氣水合物本身不是「革命性的」，其豐富的儲量遍布全球。但迄今為止沒人下決心開採它。原因很多，包括技術和經濟因素。中國若成功實現工業開發「可燃冰」，那麼北京在同美國爭奪世界最發達經濟體的戰役中又多了一張非常重要的王牌。《塔斯社》更指，出1立方米可燃冰等同於160立方米的氣態天然氣。加100升天然氣的汽車能夠行駛300公里。如果汽車能夠使用可燃冰，那麼理論上100升「可燃冰」可跑5萬公里。顯然，該技術完全可能使世界油氣價格「崩潰」。

神秘可燃冰長這樣：海底深處沈睡的能量

節能減碳故事賞, 中時電子報, 新浪圖片

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發表於 2017-5-26 08:51:16 |只看該作者

俄羅斯國家能源安全基金首席分析師伊格裏·尤什科夫在5月20日對此評論說：
“這實際上並不是什麼很了不起的事情，只是他們試了試另一種方法，
要是把天然氣和泥沙先一起冷凍開採出來之後再分離會怎麼樣；這也不是什麼新能源，
也不是什麼新的能源形式，就是我們知道的普通的天然氣混在泥沙裏而已，只是儲存的方式不同。” 　

他還評論說：“由於中方沒有天然氣田，所以就得想辦法從別的地方採。實際上世界上最大的可燃冰礦藏也在俄羅斯，
就在貝加爾湖，只是目前的開採成本太高，開採這種可燃冰不合算。”

據俄媒體報導，目前美國、日本和印度等國家都在進行該領域的研究，日本專家們的研究結果顯示，
目前每千立方公尺天然氣的成本為400-1300美元，遠遠高於現在的普通天然氣。
　
俄羅斯專家們表示，中方目前只是試開採成功，到真正達到商業開採還需要數十年，
俄羅斯的天然氣不需要害怕中方的可燃冰天然氣的競爭。即使將來，可燃冰天然氣的開採技術出現了飛躍，
成本下降，俄羅斯仍然擁有世界上最大的可燃冰礦床。

來源: http:austoday.com.au/thread-249284-1-2.html

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