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【還能怎樣】林祥泰:甲烷可燃冰

什麼是可燃冰?

 

圖1如上圖,林祥泰教授一開頭便直接破題:顧名思義,可燃冰就是可以燃燒的冰塊。將這種冰塊放入玻璃皿或拿在手上點火即可燃燒,但由於冰塊體本身在燃燒過程中保持低溫,所以不燙手。

為什麼這種冰塊可以燃燒呢?

圖片2原來它不是普通的冰塊,而是水與甲烷(CH4,天然氣主要成分)在高壓低溫的條件下所合成的特殊冰塊,這種甲烷與水的混合物又可稱為甲烷水合物、甲烷冰或天然氣水合物;又因它在常溫常壓下可直接點火燃燒,故又稱可燃冰。

可燃冰與冰?

 

圖2可燃冰與冰的基本結構都是由水分子(H2O)組成,但排列出來的分子形狀差異很大,一般冰塊的結構(上圖右)整齊簡單地層層排列,而可燃冰(上圖左)則是由多個籠狀結構重複堆疊而成。放大可燃冰的結構(下圖)仔細觀察,籠狀結構讓可燃冰有多的空間可以容納甲烷分子,以構成可燃的甲烷冰。

可燃冰能量密度高,1立方公尺的可燃冰可釋出150立方公尺的天然氣,根據過去的統計,台灣每人每年的平均天然氣用量為430立方公尺,換算後則代表家中找塊空地存放3立方公尺的可燃冰,即可提供每人一年的天然氣用量!若可燃冰這種新型態的能源未來開發成功,那麼受惠最多的應屬偏鄉及高山地區居民了,因為這種能量密度高的可燃冰除了提供天然氣之外,還能同時提供乾淨的水源。

哪裡可以找到可燃冰?

圖4甲烷可燃冰的形成除了需要水與甲烷之外,還必須有適當的環境才能夠存在。可燃冰只能穩定存在於高壓低溫的環境,若在常溫常壓下它就會溶解。

1965年後,人類陸續發現天然的甲烷可燃冰,自然界的甲烷可燃冰存在於極區的永凍層,或大陸斜坡與大陸隆堆一帶的海床下面。

圖5海底當然有足夠的海水,但哪裡有大量甲烷可以與海水合成甲烷水合物呢?海底礦層的甲烷由兩種方式生成,一是死亡動植物沉積於海底後,因地熱而熱裂解,產生大量的甲烷;另外海底也有特別的微生物能透過化學反應生成甲烷。

 

圖片4高緯度永凍層區的可燃冰存在於地下約150~2000公尺之間,而深水區可燃存在於海床下約1000公尺內。

 

圖7全世界的可燃冰分布位置幾乎都在陸地沿岸附近,而台灣附近的西南海域也探測到兩個可燃冰蘊藏區。

 

可燃冰為什麼重要?

圖片8根據(上圖)有機碳在地球上的分布比重,可以發現(Gt=giga ton=109 ton=1012 kg)甲烷水合物的量為現存化石燃料的兩倍,或許能夠解決化石燃料即將用罄的能源危機。又與化石燃料相比,可燃冰是較為乾淨的能源。最後,可燃冰特殊的籠狀結構似乎能用來封存CO2 等溫室氣體,減緩日漸加劇的溫室效應;另外它還可能運送氣體,也可以對海水進行淡化,是很有潛力的新能源。

 

圖片6對台灣來說,目前我們使用的能源中有99.2%仰賴進口,而地質探勘的資料顯示西南海域的甲烷可燃冰存量,換算後約可供給台灣50~270年天然氣的使用量。即使技術尚未純熟且成本高,但此待開發的新能源是台灣目前唯一能夠自主開發使用的大量天然資源。況且若開始課徵碳稅,取出天然氣利用後的可燃冰能夠封存二氧化碳,達到溫室氣體的減量。

可燃冰的開採?

圖片7甲烷可燃冰適合存於高壓低溫的環境下,目前開採甲烷可燃冰的方法有兩種:第一種是升溫解離,在可燃冰賦存區開一個井後,灌熱水進去使其溫度上升,水合物一溶解,甲烷即釋出。第二種是減壓解離,一樣在可燃冰賦存區開井,接著把裡面的涵水抽出使其壓力降低,水合物溶解後甲烷就能釋出了。

 

圖片11世界各國對可燃冰的開採現況如下:2002年加拿大與德、日、美、印共同合作,為第一批在永凍原開採天然氣水合物的科學實驗小組;2008~2013年間美國測試以二氧化碳開採甲烷水合物,證實開採甲烷的同時可封存二氧化碳。而由於日本能源大多為進口,所以他們正積極開發可燃冰的開採技術,也是全球第一個掌握海底可燃冰開採技術的國家,正在評估準備商業開發。

 

可燃冰對未來的衝擊?

雖然甲烷可燃冰好處多多,但我們還是必須評估這個新能源可能會帶來的影響與衝擊。首先是能源使用型態的改變,從原本習慣的石化能源轉換到甲烷。第二是甲烷對環境的影響,根據美國研究表示,使用甲烷可燃冰所產生的二氧化碳量比使用頁岩氣所產生的二氧化碳量多好幾倍,加上甲烷本身也是溫室氣體,其暖化地球的威力是二氧化碳的25倍,故我們必須仔細評估利用甲烷天然氣是否會讓溫室效應加劇。

圖片16一旦開採可燃冰,開採區附近的生態及地質會遭到嚴重的破壞,周遭的生物棲息地被破壞必然導致生物聚落消失,而對地質的影響則更大,因為取出甲烷後的地層或海床會變得不穩定,可能崩毀或滑移,釀成地震或海嘯。最好的解決辦法是在取出甲烷的同時灌入二氧化碳封存,但這個技術目前並不純熟,尚待改進。

 

圖片13林祥泰教授的結論是:「甲烷可燃冰可以說是大自然給人類的GIFT」。GIFT可以解釋為禮物,可燃冰是儲存天然氣的大寶藏;GIFT亦可解釋為毒藥,可燃冰的開採對環境與生態有很嚴重的影響。究竟甲烷可燃冰是禮物還是毒藥,這就得看人類的造化了!

[Q&A]

Q:開採可燃冰的最大困難?
A:管線堵塞。

Q:對台灣來說可燃冰的開採是很急迫的嗎?
A:其實最近頁岩氣的開採,讓石化危機解除了,等到石化用完全球會先用頁岩氣,再過一段時間才會認真的來開發可燃冰。

 

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

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