新能源可燃冰的应用性分析研究

佘力渐，赵恬恬，郭佳沁，沈 畅

（黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150022）

1 可燃冰特性研究

1.1 概述

可燃冰，又称“天然气水合物”，化学式为CH4·nH2O，是一种气体分子和水分子在低温高压下形成的结晶物质，分解为气体后，甲烷含量一般在80%以上，最高可达99.9%。由于1 m3的可燃冰可以释放160 m3的天然气，其商业价值巨大，但同时也存在非常大的风险，如果开采时发生失误，会造成大量甲烷泄漏，加剧温室效应，盲目开采还会导致地质灾害发生，同样可燃冰的价值以及它的应用性也是各国关注的重点问题。21 世纪初，中国新能源产业进入快速发展阶段，随着2017 年以来新能源汽车在中国的普及，新能源在能源消费中的占比不断上升。可燃冰因其高热密度、易于采集和贮存等优点，被认为是替代传统化石能源的最佳选择[1-2]。

1.2 数据对比分析

在室温25 ℃，气压101.325 kPa（1 个标准大气压），无明显气流的密闭空间内，将体积为1 m3的可燃冰、煤炭、汽油样品放入热值分析仪进行实验，对比不同物质充分燃烧后产生的热量，生成物的成分和占比，以及不同物质的热转换效率，具体数据见表1。

表1 可燃冰、煤炭、汽油燃烧数据对比

由表1 可以看出，在环境相同、反应物体积相同的条件下，可燃冰的热值更高，热转换效率更高，燃烧后生成的温室气体较少，反应后没有残余物质，且不会生成有害物质。可燃冰的燃烧热值和热转换效率相比于传统化石能源更稳定，是理想的清洁能源。

1.3 可燃冰在不同温度和不同气压下的形态转化

在恒温恒压容器内，逐渐改变可燃冰样品所处的环境温度和气压，观察不同温度和不同气压条件下可燃冰的状态（见表2），验证直接运输固液混合态可燃冰或液态甲烷水合物的可能性。

表2 可燃冰在不同温度和不同气压下的状态

由表2 可以看出，可燃冰在不同温度和不同气压下，其状态会发生改变。可燃冰由甲烷等分子和水分子组成，当外界温度升高或气压减小时，可燃冰并不会直接溢出甲烷气体，而是逐渐从固态转变为固液混合态，最后转变为稳定的液态甲烷水合物。通过实验可以发现，高压是可燃冰能够“锁住”甲烷分子的必要条件。近些年来，通过管道运输液态甲烷水合物的方案被提及，耗费较低成本就能控制可燃冰的状态，使其变为液态甲烷水合物，再通过高压的管道进行运输。液态的甲烷水合物可以扩展可燃冰的应用范围，并在一定程度上降低可燃冰的开采成本。

2 可燃冰的开采与运输

2.1 可燃冰的开采

现如今开采成本是可燃冰应用需要克服的最大问题，我国在2020 年完成了第二次试采，此次试采持续产期42 d，累计产气总量149.86 万m3，是第一轮产量的4.8 倍，创造了产气总量和日均产气量两项世界纪录。中国的可燃冰开采技术在国际上已经是遥遥领先，并已具备了持续开采的能力。传统的开采方式有降压法和热解法，通过改变周围环境温度或气压，使可燃冰分解成甲烷和水。更先进的方法是置换法，向可燃冰内注入二氧化碳，置换出同质量的甲烷气体，该方法安全系数更高，同时能把大量二氧化碳送入深海，有助于减缓全球气候变暖[3]。这也间接完成了海底冰封二氧化碳的计划。除此以外，开采可燃冰的方式还有直接开采固态可燃冰和降压获得液态可燃冰等方法，但无论采用哪种方法，可燃冰的开采成本仍然过高。我国在试采期间，可燃冰的开采成本达到了1 323 元/m3，折合成开采出的天然气也就是8 元/m3，远远高于了天然气的开采成本，因此开采成本高仍然是可燃冰应用的最大障碍。

2.2 可燃冰的运输

2.2.1 运输液化天然气（LNG）

将可燃冰转化为LNG 是目前可燃冰运输最可行的方法，通过热解、降压或置换的方法将甲烷气体从可燃冰中采出，再压缩为LNG，通过现有天然气管道运输到各个城市。但由于这些方法的开采成本高，再加上压缩液化的成本，将进一步增加可燃冰的销售价格。

2.2.2 运输液化可燃冰

通过可燃冰状态转变实验可以得出，运输液化可燃冰的方法在特定的条件下是可行的，在常温常压的状态下，可燃冰无法保持原有的结构，但在一定的温度和气压下，可燃冰会液化成为液态的甲烷水合物，如果能直接运输液态的可燃冰将会省去压缩天然气的成本，降低可燃冰的销售价格，同时可以将液态可燃冰装入高压钢瓶，这将大幅度提升可燃冰在市场上的应用。

2.2.3 运输固态可燃冰颗粒

该方法目前许多国家都进行了尝试，不同于传统的采气，该方法是将可燃冰保持原有的状态进行运输，通过将采出完整的可燃冰颗粒化，然后装入软气袋中封闭，保持可燃冰的结构和固态稳定性，在需要使用时将其分解。除了作为燃料以外，由于可燃冰的升华会吸收大量的热，效果等同于干冰，因此固态可燃冰可以用于制冷，这在一定程度上提高了可燃冰的商业价值。

3 可燃冰应用前景

3.1 与现有天然气设备融合

近十年天然气的使用越来越广泛，在我国绝大部分城市家用天然气管道已经普及，全国各地的供暖也逐渐由燃煤变为燃气。同时汽车使用的压缩天然气技术已经非常成熟，随着天然气的推广，我国对于天然气的需求量越来越大，进口量每年也在持续稳步提高，而我国有着储量丰富的可燃冰，可燃冰开发的成功将直接解决天然气的供应问题，我国的油气管线发展较为成熟，可燃冰分解后可以直接通过现有天然气管道工程运往全国各地，可以实现可燃冰的快速市场化[4]。现如今我国最大的电力来源依旧是燃煤发电厂，近些年来，燃气发电厂已在部分城市运行，相比于燃煤，燃气有着低碳、环保、反应流程简单等优点，但我国天然气的供应紧张，注定无法大规模地采用燃气发电去替代燃煤发电，可燃冰一旦投入使用后，基本可以解决燃气的供应问题。

3.2 可燃冰制氢气

氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择，一直以来被广泛关注。氢能具有导热性及燃烧性好、零排放、无毒、利用形式广等优点，在交通领域具有很大的发展潜力，特别是在商用车辆和重型运输上。但氢能至今为止在各领域的使用并未取得实质性进展，其主要原因有生产成本较高、储存技术不成熟等问题。现如今工业制氢气的方法一般采用蒸汽重整（Steam Reforming） 法和部分氧化（Partial Oxidation） 法，这两种方法均使用甲烷气体作为燃料，在高温下反应生成氢气与二氧化碳[5]。而可燃冰的主要成分是甲烷，一旦可燃冰开采成功，既可以提供大量制氢原料，也可以降低氢气的生产成本，而产生的二氧化碳也可通过采集处理，用于可燃冰的置换开采[5]。因此，可燃冰开采成功后，可以为氢能产业提供更多清洁能源，有助于实现碳减排和可持续发展。

3.3 可燃冰用于汽车领域

可燃冰产出的甲烷气体可转换为压缩天然气（CNG） 和液化天然气（LNG），因此可广泛应用于汽车领域，然而天然气作为汽车能源之一近些年却并未得到广泛的应用，其原因之一是CNG 作为能源的续航能力表现差，无法满足长途的要求，而LNG 的使用更多是在纯燃气或气电混动公交车或其他大型载具上使用，在家用汽车上的使用极少。日前，油电混动车型占据市场主导地位，多家汽车制造厂宣布了停止制造燃油车的计划，将重心逐渐转向电动车的研究，而通过可燃冰生产出来的燃气只能作为传统汽车的能源，这对于可燃冰能源在市场上的推广有着不利因素，可燃冰能源应用的规模也间接决定了其售价。想要继续发展汽车领域的市场就需要开辟全新的道路，其一，继续发展燃气汽车，寻求和汽车厂商合作，推出新型高性能的纯燃气汽车，利用LNG 作为燃料，发挥其车身更轻量，更环保，续航能力强等优势，解决现如今市场上使用CNG 燃气汽车的种种不足；其二，推出气电混动车型，类似于市场上的油电混动，同样利用LNG作为燃料，保证续航能力，目前在大型客车上已经有应用，但因为使用起来过于复杂，已经逐渐被纯电车取代，想要重新发展气电混动，还需要技术上的不断创新；其三，将可燃冰用于氢能汽车，我国在氢燃料电池的研究上已经取得了显著进展，氢燃料电池汽车不同于常规锂电池汽车，它可以在几分钟内充满，而常规的电池则需要充上几个小时，但氢燃料电池无论从成本还是制造的难度都超过了常规电池，随着技术的攻克，氢燃料电池仍是未来的一大发展方向[6]。

3.4 可燃冰用于制冷领域

可燃冰在常温常压下会发生升华，吸收大量的热，达到如干冰一样的效果。根据可燃冰升华时的实验数据推算1 m3的可燃冰升华所吸收的热量大约在20 000 kJ 到30 000 kJ 之间，而1 m3的干冰升华所吸收的热量为5 710 kJ。由此可见，同体积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剂用于空调和制冷设备中，与传统的制冷剂相比，可燃冰对环境的影响更小，制冷效率更高。然而，目前对于可燃冰制冷技术的研发和商业应用还处于早期阶段。此外可燃冰还可以用于食品和药品的冷藏和保鲜，由于其低温高压的特性，可用于传导和吸热介质，有效地降低环境温度，从而延长食品或药品的保鲜期。

4 结束语

综上所述，可燃冰作为尚未普及的新能源，有着广阔的市场前景，一是可燃冰是一种丰富的天然气资源，储量巨大。它主要存在于大陆架和海洋底部，全球分布广泛，潜在储量巨大。开采和利用可燃冰可以满足全球能源需求，缓解化石能源消耗带来的压力；二是可燃冰是一种清洁能源，具有低碳排放的特点。相比传统燃煤和燃油，可燃冰燃烧过程中产生少量的二氧化碳，对于减少温室气体排放和应对气候变化具有重要意义。此外，可燃冰的开采和利用也可以促进地区经济发展和就业增长。许多国家和地区正在积极地开展可燃冰勘探和开发工作，这将促进可燃冰相关产业链的发展，增加就业机会。总体而言，可燃冰的市场前景广阔，其开发利用对于整个世界的能源供应安全、环境保护和经济发展都具有重要意义。然而，需要注意的是，现如今可燃冰的开采技术并不成熟，在开采和利用可燃冰的过程中，也需要加强环境保护和科学研究，确保可持续发展。