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地質能源(4)可燃冰-天然氣水合物的潛能
天然氣水合物(gas hydrate),又被稱為可燃冰,是一種非傳統油氣資源。天然氣水合物大量且廣泛的分佈在全球的大陸棚以及永凍土層,資源量十分豐富。生產天然氣水合物可以得到甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、氮、二氧化碳、硫化氫等氣體,又因為90%以上的產出氣成份為甲烷氣,因此也被稱為甲烷水合物。甲烷氣是一種較為潔淨的的能源,其熱值高且不會排放有毒的氮、硫化物,是許多國家在未來希望開發的新興能源。經台灣研究人員調查,台灣本島西南海域可能蘊藏大量天然氣水合物,若得以成功開採,則能夠扭轉台灣能源自己嚴重不足的事態,建立更為可靠能源供應結構。
 
 
 

天然氣水合物的基本性質

 

天然氣水合物是一種冰狀的固體水分子結構,在低溫、高壓的環境下生成,水分子間彼此利用氫鍵連結行成牢籠,其中含有氣體分子。適當大小的氣體分子(ex. CO2、CH4)被分子間的凡德瓦引力限制在其中。相較於氣態時,氣體的體積被晶格高度壓縮,因此在常溫常壓下水合物分解後大約可以產生150~180單位體積的氣體及0.8單位體積的水。在大自然所發現的天然氣水合物,其包含的氣體以甲烷為主,佔有99% 以上,因此又稱為甲烷水合物(MethaneHydrate)。天然氣水合物可以直接點火燃燒,形成冰火共存燃燒的情形,因此也被稱為可燃冰。

 

天然氣水合物的蘊藏條件及資源量

 

受限於低溫、高壓的生成條件限制,目前已知的水合物資源多分佈於永凍土帶和海洋沉積物中,科學家推測全球27%的永凍土層和90%的海洋沉積物區都符合水合物的生成條件。海域中的天然氣水合物儲量為陸域的100倍,因此天然氣水合物的開採研究多集中在海域生產技術,這也提升了礦區生產難度以及運轉成本。目前預估全球天然氣水合物資源所含的甲烷氣總量高達兩萬兆立方公尺,約為目前已知傳統石油氣儲量的兩倍之高。

 

天然氣水合物的開採

 

在地層中,天然氣水合物是以固態存在,不易如傳統油氣資源一般直接進行鑽井降壓生產。而目前主流開採天然氣水合物的技術有三種:熱採法、降壓法以及注入化學抑制劑。熱採法是使用外來熱源(熱水、水蒸汽、加熱器)在水合物層中提升溫度、提供能量,達到破壞水合物結構穩定的條件,將水合物分解後所產生的氣體產出地層。降壓法則是利用壓力降來破壞水合物的相態穩定,使之分解並產出氣體。注入化學抑制劑則是透過注入能夠抑制水合物生成的化學物質來改變地層中水合物的生成平衡條件,進而使水合物分解產生氣體。目前國際上也在積極研究注入二氧化碳置換甲烷氣的生產方法。由於二氧化碳氣體分子與水分子同樣能夠生成水合物,且物理與化學性質較甲烷水合物穩定。若將二氧化碳打入地層,則二氧化碳氣體分子則會取代甲烷氣分子形成新的二氧化碳水合物,被取代的甲烷自由氣可以被生產至地表。二氧化碳注入法同時結合了二氧化碳封地質存的機制,在地層中形成穩定的二氧化碳水合物。然而天然氣水合物的開採也並非安全無虞。研究證實甲烷氣是一種比二氧化碳更為強烈的溫室氣體,而開採天然氣水合物的過程中會是天然氣水合物溶解,可能造成海的的層擾動、崩塌,進而釋出大量的甲烷氣體,造成溫室效應的加劇。

 

天然氣水合物分解後所產生的甲烷氣相較來說是一種比較潔淨的能源,以火力發電為例:相較於傳統燃煤發電,燃燒甲烷氣的熱值較高,效率較佳,二氧化碳排放量較低,且大幅降低傳統燃煤時所產生的硫化物、氮化物、懸浮微粒等空氣汙染。在台灣學者的海域地質調查結果中指出,在台灣西南海域的海底沉積層中已經有發現天然氣水合物存在的指標海底仿擬反射面(BSR,Bottom Simulating Reflector),若能實現開採必定能為仰賴進口能源的台灣增加可觀的能源自給率,對台灣的環境以及能源經濟有不可限量的幫助。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

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