汽車新能源可燃冰的開發與利用

劉福基

（無錫科技職業學院，江蘇 無錫 214028）

汽車新能源可燃冰的開發與利用

劉福基

（無錫科技職業學院，江蘇 無錫 214028）

《巴黎協定》引起世界上不少國家紛紛調整發展戰略，先后推出了全面禁售燃油車的時間表。根據部分新能源開發成本高昂等情況，可燃冰的開發和利用或將為中國乃至世界提供新的清潔能源選擇，為一些受環境問題困擾的國家帶去福音，也將為汽車工業的發展提供長期的清潔新能源。

可燃冰；汽車；新能源；開發

1 清潔能源可燃冰

進入20世紀80年代以來，隨著經濟的發展，具有全球性影響的環境問題日益突出。不僅發生了區域性的環境污染和大規模的生態破壞，而且出現了溫室效應、酸雨、物種滅絕、土地沙漠化、土壤侵蝕等等大范圍的和全球性的環境危機，嚴重威脅著全人類的生存和發展。燃油汽車排放的廢氣所造成的環境污染，對人類和動、植物危害甚大。

國際社會在經濟、政治、科技、貿易等方面形成了廣泛的合作關系，并建立起了一個龐大的國際環境條約體系，聯合治理環境問題。《巴黎協定》是2015年12月12日在巴黎氣候變化大會上通過、2016年4月22日在紐約簽署的氣候變化協定。《巴黎協定》為2020年后全球應對氣候變化行動作出安排。全面禁售燃油車就是各國為了保護環境對《巴黎協定》的積極響應。荷蘭和挪威宣布2025年將禁售燃油車，是實施全面禁售燃油車最早的國家；德國也表示在2030年開始禁售燃油車；英國、法國將在2040年禁售燃油車。前不久，中國工信部表示，中國也啟動了相關研究，將協同我國相關部門制訂我國禁售燃油車的時間表，這些舉措必將推動我國汽車產業發展的環境和動力發生深刻變化。長安汽車集團率先表示將在2025年停止生產燃油車，打響了我國禁售燃油車的第一槍。

世界各國先后禁售燃油車，汽車新能源呼之欲出，可燃冰的開發和利用就成為許多國家重點關注的項目。

可燃冰學名叫作天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，簡稱NGH），是水和天然氣在高壓低溫條件下形成的類冰狀結晶物質，因其外觀像冰一樣且遇火即可燃燒，所以又被稱作可燃冰。其燃燒后僅會生成少量的二氧化碳和水，污染比煤、石油、天然氣小很多，但能量高出十倍。可燃冰分布于深海沉積物或陸域永久凍土中，英國廣播公司在報道中強調了可燃冰開發的重要意義，認為可燃冰有潛力成為一種革命性的新能源，將對滿足未來能源需求發揮重要作用，并且很可能會成為全球最后一種主要的碳基燃料資源。

2 可燃冰的研究與開發

全球蘊藏的常規石油天然氣資源由于消耗巨大，很快就會枯竭。科學家的評價結果表明，僅在海底區域，可燃冰的分布面積就達4000萬km2，占地球海洋總面積的1/4。2011年，世界上已發現的可燃冰分布區多達116處，其礦層之厚、規模之大，是常規天然氣田無法相比的。科學家估計，海底可燃冰的儲量至少夠人類使用1000年。可燃冰儲量巨大，所含有機碳資源總量相當于全球已知煤、石油和天然氣總量的兩倍，被國際公認為石油、天然氣的替代能源。當然可燃冰開采難度之大也是業界公認的。可燃冰靠低溫高壓封存，如溫度升高，水合物中的甲烷可能溢出；或者如冰塊消融、壓力回升，一旦控制不當，可能造成海底滑坡等地質災害。

我國作為第三大凍土大國，具備良好的天然氣水合物賦存條件和資源前景。通過15年的調查發現，在南海地區預計有800億t油當量的可燃冰；除了南海外，在青海地區又發現了350億t標準油當量的可燃冰。考慮到青藏高原仍有未探明儲量的資源，這一地區的可燃冰資源儲量將會更大。

從1810年首次在實驗室發現天然氣水合物伊始已經過去了200多年。現在世界上至少有30多個國家和地區正在進行可燃冰的研究與開發。

1960年，前蘇聯在西伯利亞發現了可燃冰，1965年，前蘇聯首次在西西伯利亞永久凍土帶發現天然氣水合物礦藏；并于1969年投入開發；1970年，前蘇聯開始對該天然氣水合物礦床進行商業開采。

美國于1969年開始實施可燃冰調查，1998年把可燃冰作為國家發展的戰略能源列入國家級長遠計劃；日本開始關注可燃冰是在1992年；完成周邊海域的可燃冰調查與評價。但最先挖出可燃冰的是德國。

1996年和1999年期間，德國和美國科學家通過深潛觀察和抓斗取樣，在美國俄勒岡州岸外海臺的海底沉積物中取到嘶嘶冒著氣泡的白色水合物塊狀樣品，該水合物塊可以被點燃，并發出熊熊的火焰。

1998年，日本通過與加拿大合作，在加拿大西北三角洲進行了水合物鉆探，在890～952m深處獲得37m水合物巖心。該鉆井深1150m，是高緯度地區永凍土帶研究氣體水合物的第一口井。

1999～2001年，中國地質調查局科技人員首次在南海西沙海槽發現了顯示天然氣水合物存在的地震異常信息。2002年國務院批準設立我國海域天然氣水合物資源調查專項。

21世紀開始，可燃冰的研究與勘探進入高峰期，為開發這種新能源，國際上成立了由19個國家參與的地層深處海洋地質取樣研究聯合機構，有50個科技人員駕駛著一艘裝備有先進實驗設施的輪船從美國東海岸出發進行海底可燃冰勘探。

自2002年起，中國地質調查局對我國凍土區特別是青藏高原凍土區開展了地質、地球物理、地球化學和遙感調查，發現我國凍土區具備較好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景，其中羌塘盆地為一級遠景區，祁連山、漠河盆地和風火山——烏麗地區為二級遠景區。

1999年在國家發展改革委、財政部等大力支持下，國土資源部正式啟動天然氣水合物資源調查，包括在珠江口盆地開展天然氣水合物綜合調查40個航次，完成高分辨率多道地震測量45800km、多波束測量36800km、淺地層剖面測量7100km、海底地質取樣1480個站位、海底熱流測量222個站位等調查工作，開啟了我國可燃冰開發的先河。

2005年4月14日，中國在北京舉行中國地質博物館收藏中國首次發現的天然氣水合物碳酸鹽巖標本儀式。宣布中國首次發現世界上規模最大的被作為可燃冰存在重要證據的“冷泉”碳酸鹽巖分布區，其面積約為430km2。

2007年5月1日凌晨，中國在南海北部的首次采樣成功，證實了中國南海北部蘊藏豐富的天然氣水合物資源，標志著中國天然氣水合物調查研究水平已步入世界先進行列。中國在南海北部成功鉆獲實物樣品可燃冰，從而成為繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發計劃采到可燃冰實物樣品的國家。

2009年9月中國地質部門公布，在青藏高原發現了可燃冰，預計十年左右能投入使用。初略的估算，遠景資源量至少有350億t油當量。

2013年6月～9月，我國海洋地質科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度可燃冰樣品，并通過鉆探獲得可觀的控制儲量。此次發現的天然氣水合物樣品具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高4個主要特點。控制儲量1000億m3～1500億m3，相當于特大型常規天然氣礦規模。

2016年6月25日上午，廣州海洋地質調查局通報，繼我國在南海發現大面積可燃冰分布后，我國首次在南海北部陸坡西部海域發現規模空前的活動性冷泉“海馬冷泉”，分布面積約618km2。它的發現是我國可燃冰勘查的重大突破。

2017年，我國在南海北部神狐海域進行的可燃冰試采獲得成功。在試采作業區水深1266m海底以下礦藏開采出天然氣。自5月18日試采成功之后，一直到6月2日，已連續22天產出甲烷含量高達99.5%的天然氣，平均日產8350m3。并且鉆井作業安全，試采區海底地層穩定，井底狀況良好，未發生地質災害，大氣和海水甲烷含量無異常變化，沒有環境污染。同時獲得各項測試數據264萬組，為下一步工作奠定了堅實基礎。這次試開采取得圓滿成功，標志著我國成為全球海域可燃冰試開采連續產氣時間最長的國家。可燃冰是未來全球能源發展的戰略制高點，我國在全球率先試采成功，宣告了在這一領域的領跑地位。

3 汽車新能源可燃冰

可燃冰何時能被商業開發成為了人們關注的焦點。據了解，技術問題和開采成本成為了制約各國開采可燃冰的瓶頸。在人類日益為能源所困的今天，可燃冰的成功試采自然是萬眾矚目。2017年我國在全球范圍內首次成功試開采，實現了六大技術體系二十項關鍵技術自主創新。但這僅是萬里長征邁出關鍵性一步，未來要實現產業化和商業化開采，仍有很長的路要走。特別是要作為汽車新能源，也還有許多亟待解決的問題。

進入21世紀以來，我國汽車產業實現快速發展。2016年汽車產銷量突破2800萬輛，已連續八年位居世界第一位。汽車市場在國民經濟中的支柱作用不斷增強，汽車稅收占全國稅收比重、從業人員數占全國就業人員數比重、汽車銷售額占全國商品零售總額的比重均超過10%。尤其在新能源汽車領域，我國已成為最大的生產和銷售市場。根據中國汽車工業協會數據顯示，2016年中國新能源汽車銷量同比增長53%至50.7萬輛，已累計推廣超過100萬輛，且2017年1～7月新能源車銷量同比增長超過20%，但是目前新能源車保有量和燃油車兩億輛的保有量之間還是有相當大的差距。并且新能源汽車主要以純電動汽車和混合動力汽車為主。

我國正在研究汽車發動機可燃冰混合燃料的燃燒特性與排放性能，并成功進行了相應的仿真試驗。結果表明，在相同的發動機轉速下，隨著混合燃料中可燃冰燃料摻混比例的增加，發動機燃油消耗率降低，有效熱效率增加，提高了發動機的燃燒特性。另外發動機的外特性功率和扭矩隨著混合燃料摻混比例的增加有所下降。但CO的排放量有大幅度的降低，NO的排放量無明顯變化。這充分表明可燃冰是真正清潔高效的汽車新能源。

作為世界上首先獲得可燃冰開采成熟技術的國家，在可燃冰的運用上，有著得天獨厚的技術優勢。一輛使用天然氣為燃料的汽車，如果一次加100升天然氣能跑300km的話，那么加入相同體積的可燃冰，這輛車就能跑5萬km。相對于傳統的汽車來說，可燃冰汽車差不多是個永久燃料的汽車了。可能開一輩子車，也不用加幾次燃料。可燃冰汽車的運用，必將帶來汽車行業天翻地覆的變化，而中國汽車行業，也將是這次行業大洗牌中的唯一勝出者。

可燃冰開采完成后的最終形態與天然氣大同小異，以我國目前的天然氣發動機的技術儲備，這項技術在汽車上的運用難度并不大。對照天然氣發動機的開發，可燃冰今后或許可直接作為動力能源應用于汽車。目前天然氣發動機的技術已經相對成熟，如果可燃冰作為車用燃料，那么以后開發出專用的天然氣發動機將會十分必要，天然氣汽車的比例也將會大幅度提高。隨著可燃冰的運用，在可燃冰的存放、加注、運輸、安全等方面也應該逐步健全和完善。只有一系列的配套設施完善了，可燃冰在汽車領域的運用才會真正變成現實。到那時，人們就可以用上令人刮目相看的可燃冰汽車了。

劉福基（1960-），男，江蘇無錫人，副教授，主要研究方向：信息管理、汽車營銷等。