新能源可燃冰的應(yīng)用性分析研究

佘力漸，趙恬恬，郭佳沁，沈 暢

（黑龍江科技大學(xué)，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(xué)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(jié)晶物質(zhì)，分解為氣體后，甲烷含量一般在80%以上，最高可達(dá)99.9%。由于1 m3的可燃冰可以釋放160 m3的天然氣，其商業(yè)價值巨大，但同時也存在非常大的風(fēng)險，如果開采時發(fā)生失誤，會造成大量甲烷泄漏，加劇溫室效應(yīng)，盲目開采還會導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，同樣可燃冰的價值以及它的應(yīng)用性也是各國關(guān)注的重點問題。21 世紀(jì)初，中國新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)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(yōu)點，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)化石能源的最佳選擇[1-2]。

1.2 數(shù)據(jù)對比分析

在室溫25 ℃，氣壓101.325 kPa（1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），無明顯氣流的密閉空間內(nèi)，將體積為1 m3的可燃冰、煤炭、汽油樣品放入熱值分析儀進(jìn)行實驗，對比不同物質(zhì)充分燃燒后產(chǎn)生的熱量，生成物的成分和占比，以及不同物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)換效率，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 可燃冰、煤炭、汽油燃燒數(shù)據(jù)對比

由表1 可以看出，在環(huán)境相同、反應(yīng)物體積相同的條件下，可燃冰的熱值更高，熱轉(zhuǎn)換效率更高，燃燒后生成的溫室氣體較少，反應(yīng)后沒有殘余物質(zhì)，且不會生成有害物質(zhì)?？扇急娜紵裏嶂岛蜔徂D(zhuǎn)換效率相比于傳統(tǒng)化石能源更穩(wěn)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(tài)轉(zhuǎn)化

在恒溫恒壓容器內(nèi)，逐漸改變可燃冰樣品所處的環(huán)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(tài)（見表2），驗證直接運輸固液混合態(tài)可燃冰或液態(tài)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(tài)

由表2 可以看出，可燃冰在不同溫度和不同氣壓下，其狀態(tài)會發(fā)生改變?？扇急杉淄榈确肿雍退肿咏M成，當(dāng)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠎B(tài)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的液態(tài)甲烷水合物。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，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(tài)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(tài)，使其變?yōu)橐簯B(tài)甲烷水合物，再通過高壓的管道進(jìn)行運輸。液態(tài)的甲烷水合物可以擴(kuò)展可燃冰的應(yīng)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(xiàn)如今開采成本是可燃冰應(yīng)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(xù)產(chǎn)期42 d，累計產(chǎn)氣總量149.86 萬m3，是第一輪產(chǎn)量的4.8 倍，創(chuàng)造了產(chǎn)氣總量和日均產(chǎn)氣量兩項世界紀(jì)錄。中國的可燃冰開采技術(shù)在國際上已經(jīng)是遙遙領(lǐng)先，并已具備了持續(xù)開采的能力。傳統(tǒng)的開采方式有降壓法和熱解法，通過改變周圍環(huán)境溫度或氣壓，使可燃冰分解成甲烷和水。更先進(jìn)的方法是置換法，向可燃冰內(nèi)注入二氧化碳，置換出同質(zhì)量的甲烷氣體，該方法安全系數(shù)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(tài)可燃冰和降壓獲得液態(tài)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(dá)到了1 323 元/m3，折合成開采出的天然氣也就是8 元/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(xiàn)有天然氣管道運輸?shù)礁鱾€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(jìn)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(tài)轉(zhuǎn)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(tài)下，可燃冰無法保持原有的結(jié)構(gòu)，但在一定的溫度和氣壓下，可燃冰會液化成為液態(tài)的甲烷水合物，如果能直接運輸液態(tài)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(tài)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(yīng)用。

2.2.3 運輸固態(tài)可燃冰顆粒

該方法目前許多國家都進(jìn)行了嘗試，不同于傳統(tǒng)的采氣，該方法是將可燃冰保持原有的狀態(tài)進(jìn)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(jié)構(gòu)和固態(tài)穩(wěn)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(tài)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(yè)價值。

3 可燃冰應(yīng)用前景

3.1 與現(xiàn)有天然氣設(shè)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(jīng)普及，全國各地的供暖也逐漸由燃煤變?yōu)槿細(xì)?。同時汽車使用的壓縮天然氣技術(shù)已經(jīng)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(jìn)口量每年也在持續(xù)穩(wěn)步提高，而我國有著儲量豐富的可燃冰，可燃冰開發(fā)的成功將直接解決天然氣的供應(yīng)問題，我國的油氣管線發(fā)展較為成熟，可燃冰分解后可以直接通過現(xiàn)有天然氣管道工程運往全國各地，可以實現(xiàn)可燃冰的快速市場化[4]。現(xiàn)如今我國最大的電力來源依舊是燃煤發(fā)電廠，近些年來，燃?xì)獍l(fā)電廠已在部分城市運行，相比于燃煤，燃?xì)庥兄吞?、環(huán)保、反應(yīng)流程簡單等優(yōu)點，但我國天然氣的供應(yīng)緊張，注定無法大規(guī)模地采用燃?xì)獍l(fā)電去替代燃煤發(fā)電，可燃冰一旦投入使用后，基本可以解決燃?xì)獾墓?yīng)問題。

3.2 可燃冰制氫氣

氫能是替代化石能源實現(xiàn)碳中和的重要選擇，一直以來被廣泛關(guān)注。氫能具有導(dǎo)熱性及燃燒性好、零排放、無毒、利用形式廣等優(yōu)點，在交通領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是在商用車輛和重型運輸上。但氫能至今為止在各領(lǐng)域的使用并未取得實質(zhì)性進(jìn)展，其主要原因有生產(chǎn)成本較高、儲存技術(shù)不成熟等問題?，F(xiàn)如今工業(yè)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(yīng)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(chǎn)成本，而產(chǎn)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(chǎn)業(yè)提供更多清潔能源，有助于實現(xiàn)碳減排和可持續(xù)發(fā)展。

3.3 可燃冰用于汽車領(lǐng)域

可燃冰產(chǎn)出的甲烷氣體可轉(zhuǎn)換為壓縮天然氣（CNG） 和液化天然氣（LNG），因此可廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)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(yīng)用，其原因之一是CNG 作為能源的續(xù)航能力表現(xiàn)差，無法滿足長途的要求，而LNG 的使用更多是在純?nèi)細(xì)饣驓怆娀靹庸卉嚮蚱渌笮洼d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(jù)市場主導(dǎo)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(zhuǎn)向電動車的研究，而通過可燃冰生產(chǎn)出來的燃?xì)庵荒茏鳛閭鹘y(tǒng)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(yīng)用的規(guī)模也間接決定了其售價。想要繼續(xù)發(fā)展汽車領(lǐng)域的市場就需要開辟全新的道路，其一，繼續(xù)發(fā)展燃?xì)馄?，尋求和汽車廠商合作，推出新型高性能的純?nèi)細(xì)馄?，利用LNG 作為燃料，發(fā)揮其車身更輕量，更環(huán)保，續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)勢，解決現(xiàn)如今市場上使用CNG 燃?xì)馄嚨姆N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(xù)航能力，目前在大型客車上已經(jīng)有應(yīng)用，但因為使用起來過于復(fù)雜，已經(jīng)逐漸被純電車取代，想要重新發(fā)展氣電混動，還需要技術(shù)上的不斷創(chuàng)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(jīng)取得了顯著進(jìn)展，氫燃料電池汽車不同于常規(guī)鋰電池汽車，它可以在幾分鐘內(nèi)充滿，而常規(guī)的電池則需要充上幾個小時，但氫燃料電池?zé)o論從成本還是制造的難度都超過了常規(guī)電池，隨著技術(shù)的攻克，氫燃料電池仍是未來的一大發(fā)展方向[6]。

3.4 可燃冰用于制冷領(lǐng)域

可燃冰在常溫常壓下會發(fā)生升華，吸收大量的熱，達(dá)到如干冰一樣的效果。根據(jù)可燃冰升華時的實驗數(shù)據(jù)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(diào)和制冷設(shè)備中，與傳統(tǒng)的制冷劑相比，可燃冰對環(huán)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(shù)的研發(fā)和商業(yè)應(yīng)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(dǎo)和吸熱介質(zhì)，有效地降低環(huán)境溫度，從而延長食品或藥品的保鮮期。

4 結(jié)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(tǒng)燃煤和燃油，可燃冰燃燒過程中產(chǎn)生少量的二氧化碳，對于減少溫室氣體排放和應(yīng)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(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和就業(yè)增長。許多國家和地區(qū)正在積極地開展可燃冰勘探和開發(fā)工作，這將促進(jìn)可燃冰相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，增加就業(yè)機(jī)會?？傮w而言，可燃冰的市場前景廣闊，其開發(fā)利用對于整個世界的能源供應(yīng)安全、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義。然而，需要注意的是，現(xiàn)如今可燃冰的開采技術(shù)并不成熟，在開采和利用可燃冰的過程中，也需要加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和科學(xué)研究，確保可持續(xù)發(fā)展。