新能源可燃冰的應用性分析研究

佘力漸，趙恬恬，郭佳沁，沈 暢

（黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150022）

1 可燃冰特性研究

1.1 概述

可燃冰，又稱“天然氣水合物”，化學式為CH4·nH2O，是一種氣體分子和水分子在低溫高壓下形成的結晶物質，分解為氣體后，甲烷含量一般在80%以上，最高可達99.9%。由于1 m3的可燃冰可以釋放160 m3的天然氣，其商業價值巨大，但同時也存在非常大的風險，如果開采時發生失誤，會造成大量甲烷泄漏，加劇溫室效應，盲目開采還會導致地質災害發生，同樣可燃冰的價值以及它的應用性也是各國關注的重點問題。21 世紀初，中國新能源產業進入快速發展階段，隨著2017 年以來新能源汽車在中國的普及，新能源在能源消費中的占比不斷上升?？扇急蚱涓邿崦芏?、易于采集和貯存等優點，被認為是替代傳統化石能源的最佳選擇[1-2]。

1.2 數據對比分析

在室溫25 ℃，氣壓101.325 kPa（1 個標準大氣壓），無明顯氣流的密閉空間內，將體積為1 m3的可燃冰、煤炭、汽油樣品放入熱值分析儀進行實驗，對比不同物質充分燃燒后產生的熱量，生成物的成分和占比，以及不同物質的熱轉換效率，具體數據見表1。

表1 可燃冰、煤炭、汽油燃燒數據對比

由表1 可以看出，在環境相同、反應物體積相同的條件下，可燃冰的熱值更高，熱轉換效率更高，燃燒后生成的溫室氣體較少，反應后沒有殘余物質，且不會生成有害物質?？扇急娜紵裏嶂岛蜔徂D換效率相比于傳統化石能源更穩定，是理想的清潔能源。

1.3 可燃冰在不同溫度和不同氣壓下的形態轉化

在恒溫恒壓容器內，逐漸改變可燃冰樣品所處的環境溫度和氣壓，觀察不同溫度和不同氣壓條件下可燃冰的狀態（見表2），驗證直接運輸固液混合態可燃冰或液態甲烷水合物的可能性。

表2 可燃冰在不同溫度和不同氣壓下的狀態

由表2 可以看出，可燃冰在不同溫度和不同氣壓下，其狀態會發生改變?？扇急杉淄榈确肿雍退肿咏M成，當外界溫度升高或氣壓減小時，可燃冰并不會直接溢出甲烷氣體，而是逐漸從固態轉變為固液混合態，最后轉變為穩定的液態甲烷水合物。通過實驗可以發現，高壓是可燃冰能夠“鎖住”甲烷分子的必要條件。近些年來，通過管道運輸液態甲烷水合物的方案被提及，耗費較低成本就能控制可燃冰的狀態，使其變為液態甲烷水合物，再通過高壓的管道進行運輸。液態的甲烷水合物可以擴展可燃冰的應用范圍，并在一定程度上降低可燃冰的開采成本。

2 可燃冰的開采與運輸

2.1 可燃冰的開采

現如今開采成本是可燃冰應用需要克服的最大問題，我國在2020 年完成了第二次試采，此次試采持續產期42 d，累計產氣總量149.86 萬m3，是第一輪產量的4.8 倍，創造了產氣總量和日均產氣量兩項世界紀錄。中國的可燃冰開采技術在國際上已經是遙遙領先，并已具備了持續開采的能力。傳統的開采方式有降壓法和熱解法，通過改變周圍環境溫度或氣壓，使可燃冰分解成甲烷和水。更先進的方法是置換法，向可燃冰內注入二氧化碳，置換出同質量的甲烷氣體，該方法安全系數更高，同時能把大量二氧化碳送入深海，有助于減緩全球氣候變暖[3]。這也間接完成了海底冰封二氧化碳的計劃。除此以外，開采可燃冰的方式還有直接開采固態可燃冰和降壓獲得液態可燃冰等方法，但無論采用哪種方法，可燃冰的開采成本仍然過高。我國在試采期間，可燃冰的開采成本達到了1 323 元/m3，折合成開采出的天然氣也就是8 元/m3，遠遠高于了天然氣的開采成本，因此開采成本高仍然是可燃冰應用的最大障礙。

2.2 可燃冰的運輸

2.2.1 運輸液化天然氣（LNG）

將可燃冰轉化為LNG 是目前可燃冰運輸最可行的方法，通過熱解、降壓或置換的方法將甲烷氣體從可燃冰中采出，再壓縮為LNG，通過現有天然氣管道運輸到各個城市。但由于這些方法的開采成本高，再加上壓縮液化的成本，將進一步增加可燃冰的銷售價格。

2.2.2 運輸液化可燃冰

通過可燃冰狀態轉變實驗可以得出，運輸液化可燃冰的方法在特定的條件下是可行的，在常溫常壓的狀態下，可燃冰無法保持原有的結構，但在一定的溫度和氣壓下，可燃冰會液化成為液態的甲烷水合物，如果能直接運輸液態的可燃冰將會省去壓縮天然氣的成本，降低可燃冰的銷售價格，同時可以將液態可燃冰裝入高壓鋼瓶，這將大幅度提升可燃冰在市場上的應用。

2.2.3 運輸固態可燃冰顆粒

該方法目前許多國家都進行了嘗試，不同于傳統的采氣，該方法是將可燃冰保持原有的狀態進行運輸，通過將采出完整的可燃冰顆?；?，然后裝入軟氣袋中封閉，保持可燃冰的結構和固態穩定性，在需要使用時將其分解。除了作為燃料以外，由于可燃冰的升華會吸收大量的熱，效果等同于干冰，因此固態可燃冰可以用于制冷，這在一定程度上提高了可燃冰的商業價值。

3 可燃冰應用前景

3.1 與現有天然氣設備融合

近十年天然氣的使用越來越廣泛，在我國絕大部分城市家用天然氣管道已經普及，全國各地的供暖也逐漸由燃煤變為燃氣。同時汽車使用的壓縮天然氣技術已經非常成熟，隨著天然氣的推廣，我國對于天然氣的需求量越來越大，進口量每年也在持續穩步提高，而我國有著儲量豐富的可燃冰，可燃冰開發的成功將直接解決天然氣的供應問題，我國的油氣管線發展較為成熟，可燃冰分解后可以直接通過現有天然氣管道工程運往全國各地，可以實現可燃冰的快速市場化[4]?，F如今我國最大的電力來源依舊是燃煤發電廠，近些年來，燃氣發電廠已在部分城市運行，相比于燃煤，燃氣有著低碳、環保、反應流程簡單等優點，但我國天然氣的供應緊張，注定無法大規模地采用燃氣發電去替代燃煤發電，可燃冰一旦投入使用后，基本可以解決燃氣的供應問題。

3.2 可燃冰制氫氣

氫能是替代化石能源實現碳中和的重要選擇，一直以來被廣泛關注。氫能具有導熱性及燃燒性好、零排放、無毒、利用形式廣等優點，在交通領域具有很大的發展潛力，特別是在商用車輛和重型運輸上。但氫能至今為止在各領域的使用并未取得實質性進展，其主要原因有生產成本較高、儲存技術不成熟等問題?，F如今工業制氫氣的方法一般采用蒸汽重整（Steam Reforming） 法和部分氧化（Partial Oxidation） 法，這兩種方法均使用甲烷氣體作為燃料，在高溫下反應生成氫氣與二氧化碳[5]。而可燃冰的主要成分是甲烷，一旦可燃冰開采成功，既可以提供大量制氫原料，也可以降低氫氣的生產成本，而產生的二氧化碳也可通過采集處理，用于可燃冰的置換開采[5]。因此，可燃冰開采成功后，可以為氫能產業提供更多清潔能源，有助于實現碳減排和可持續發展。

3.3 可燃冰用于汽車領域

可燃冰產出的甲烷氣體可轉換為壓縮天然氣（CNG） 和液化天然氣（LNG），因此可廣泛應用于汽車領域，然而天然氣作為汽車能源之一近些年卻并未得到廣泛的應用，其原因之一是CNG 作為能源的續航能力表現差，無法滿足長途的要求，而LNG 的使用更多是在純燃氣或氣電混動公交車或其他大型載具上使用，在家用汽車上的使用極少。日前，油電混動車型占據市場主導地位，多家汽車制造廠宣布了停止制造燃油車的計劃，將重心逐漸轉向電動車的研究，而通過可燃冰生產出來的燃氣只能作為傳統汽車的能源，這對于可燃冰能源在市場上的推廣有著不利因素，可燃冰能源應用的規模也間接決定了其售價。想要繼續發展汽車領域的市場就需要開辟全新的道路，其一，繼續發展燃氣汽車，尋求和汽車廠商合作，推出新型高性能的純燃氣汽車，利用LNG 作為燃料，發揮其車身更輕量，更環保，續航能力強等優勢，解決現如今市場上使用CNG 燃氣汽車的種種不足；其二，推出氣電混動車型，類似于市場上的油電混動，同樣利用LNG作為燃料，保證續航能力，目前在大型客車上已經有應用，但因為使用起來過于復雜，已經逐漸被純電車取代，想要重新發展氣電混動，還需要技術上的不斷創新；其三，將可燃冰用于氫能汽車，我國在氫燃料電池的研究上已經取得了顯著進展，氫燃料電池汽車不同于常規鋰電池汽車，它可以在幾分鐘內充滿，而常規的電池則需要充上幾個小時，但氫燃料電池無論從成本還是制造的難度都超過了常規電池，隨著技術的攻克，氫燃料電池仍是未來的一大發展方向[6]。

3.4 可燃冰用于制冷領域

可燃冰在常溫常壓下會發生升華，吸收大量的熱，達到如干冰一樣的效果。根據可燃冰升華時的實驗數據推算1 m3的可燃冰升華所吸收的熱量大約在20 000 kJ 到30 000 kJ 之間，而1 m3的干冰升華所吸收的熱量為5 710 kJ。由此可見，同體積下可燃冰的制冷效果要比干冰好得多，因此可燃冰可以替代制冷劑用于空調和制冷設備中，與傳統的制冷劑相比，可燃冰對環境的影響更小，制冷效率更高。然而，目前對于可燃冰制冷技術的研發和商業應用還處于早期階段。此外可燃冰還可以用于食品和藥品的冷藏和保鮮，由于其低溫高壓的特性，可用于傳導和吸熱介質，有效地降低環境溫度，從而延長食品或藥品的保鮮期。

4 結束語

綜上所述，可燃冰作為尚未普及的新能源，有著廣闊的市場前景，一是可燃冰是一種豐富的天然氣資源，儲量巨大。它主要存在于大陸架和海洋底部，全球分布廣泛，潛在儲量巨大。開采和利用可燃冰可以滿足全球能源需求，緩解化石能源消耗帶來的壓力；二是可燃冰是一種清潔能源，具有低碳排放的特點。相比傳統燃煤和燃油，可燃冰燃燒過程中產生少量的二氧化碳，對于減少溫室氣體排放和應對氣候變化具有重要意義。此外，可燃冰的開采和利用也可以促進地區經濟發展和就業增長。許多國家和地區正在積極地開展可燃冰勘探和開發工作，這將促進可燃冰相關產業鏈的發展，增加就業機會?？傮w而言，可燃冰的市場前景廣闊，其開發利用對于整個世界的能源供應安全、環境保護和經濟發展都具有重要意義。然而，需要注意的是，現如今可燃冰的開采技術并不成熟，在開采和利用可燃冰的過程中，也需要加強環境保護和科學研究，確?？沙掷m發展。