可燃冰的自白:五万公里黑不倒 我为人类续一秒

制作:中国科学技术大学袁岚峰

监制:中国科学院计算机网络信息中心

日前,中国率先实现“在海域可燃冰试开采中连续稳定产气”。这一进展也成为近期最火的新闻。

然而,在对这个新闻的解读中,出现了一些错误,而且这些错误广泛流传。同时,对可燃冰稳定开采的意义,大多数解读都说得不够透彻。

在这里,我想集中说说这些问题。

可燃冰的自白:五万公里黑不倒 我为人类续一秒

5万公里?此时间不可闹笑话

在关于可燃冰的报道中,最大的乌龙是这样一种说法:“可燃冰的最大特点就是能量密度高。它占用体积小,却蕴含大量能量。举个例子,一辆使用天然气为燃料的汽车,一次加100升天然气能跑300公里的话,那么加入相同体积的可燃冰,这辆车就能跑5万公里。”

呃,5万公里是什么概念?!这意味着每百公里只需要0.2升的可燃冰,而汽油车的百公里油耗一般在10升的量级,也就是说,可燃冰的单位体积能量密度大约是汽油的50倍?

但知道可燃冰是什么的人,立刻就会发现,这太离谱了。

可燃冰的化学结构是甲烷水合物,即甲烷分子被一个一个地包在水分子组成的笼子之中。

在一定条件下,笼子的组成是固定的,因此甲烷水合物是一种定比化合物(就是说,甲烷分子和水分子的比例是固定的),而不是溶液或者固溶体。用初中化学的语言说,这是一种纯净物,而不是甲烷和水的混合物。(敲黑板!)就像五水合硫酸铜CuSO4·5H2O是一种纯净物,而不是混合物,其中硫酸铜和水的比例必然是1:5。与之对照,硫酸铜水溶液却是混合物,因为其中硫酸铜和水的比例可以在一定范围内取任何值。

当然,在海底,甲烷水合物这种纯净物又跟泥沙混合在一起,这也增大了开采的难度。所以新华社的报道会强调:“中国此次试采可燃冰成功,也是世界首次成功实现资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采。” (《被誉为有重大战略意义的未来能源!大国都看上了可燃冰》http://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/share/index.html?docid=1846493)

可燃冰的自白:五万公里黑不倒 我为人类续一秒

图 从上往下依次是I型、II型、III型甲烷水合物

更具体地说,依温度、压强等条件不同,包裹甲烷分子的水分子笼分为几种,称为I型、II型、III型等等。甲烷和水的分子数之比,在I型水合物中为8:46,II型为24:136,H型为6:34,总之都接近1:6。

甲烷分子CH4的分子量是16,水分子H2O的分子量是18,两者接近,所以甲烷水合物中甲烷所占的质量比大致就是1/7。因此,1公斤甲烷水合物包含的能量相当于1/7公斤甲烷。

再拿甲烷跟汽油比,两者都是碳氢化合物,因此单位质量的能量密度应该差不多。汽油的密度在0.70 – 0.78 g/cm^3之间,比冰的密度0.9 g/cm^3稍微低一点,而可燃冰的密度跟冰也差不多。因此,论单位体积的能量密度,可燃冰大约是汽油的1/7 * 0.9/0.74 = 0.17倍,或者说是1/6。如果100升汽油能让汽车跑1000公里,那么100升可燃冰就可以让汽车跑170公里,四舍五入可以说200公里。这比5万公里少了两个数量级!小编该扣多少个鸡腿!

算完正确的数值,我们试图推理:这倒霉催的5万公里是怎么算出来的?

我估计,原因在于这个说法:“可燃冰就像《变形金刚》中机器人争夺的‘能量块’,占用体积小,蕴含的能量却不可估量。事实上,1立方米可燃冰可以分解释放出160立方米以上的天然气。”

天真的小编就把300公里乘以160,得到48000公里,四舍五入,bingo!

5万公里出炉。

这种做法的错误在哪里?错误在于,气体的体积是与温度、压强有关的。理想气体的状态方程学过没有?(敲黑板!)

PV = nRT,压强乘以体积等于物质的量(即“摩尔数”)乘以气体常数(R = 8.314 J/(mol·K))再乘以温度。同样的温度下,气体的压强增大一倍,体积就缩小一半。说1立方米可燃冰可以放出160立方米天然气时,指的可能是常温常压。而在说100升天然气可以让汽车跑300公里时,指的肯定是高压气瓶中的天然气。同样一单位体积,包含的质量不知差到哪里去了。

在不说清楚温度和压强的情况下,只说气体的体积,就是一笔糊涂账。这也是我在前面只用质量而不用体积来计算的原因。你们这些媒体啊,too simple!Sometimes naive!还是要提高自己的知识水平!

总而言之,可燃冰不是高爆炸药,更不是核燃料,它的能量密度并不很高,无论以质量计还是以体积计,都只是汽油的几分之一。如果说可燃冰好比能量块,那也是品位不太高的能量块,不可能是变形金刚最爱吃的那种,只能算是“无鱼虾也好”。如果擎天柱、威震天直接喝汽油,他们会开心得多。

可燃冰的自白:五万公里黑不倒 我为人类续一秒

可燃冰的优点,在于巨大的储量,达到石油加天然气的两倍,而不在于能量密度。

可燃冰的自白:五万公里黑不倒 我为人类续一秒

京剧大师马连良有一出经典唱段,《淮河营》中蒯彻对李左车和栾布唱的《此时间不可闹笑话》:“此时间不可闹笑话,胡言乱语怎瞒咱。在长安是你夸大话,为什么事到如今耍奸滑?左手拉住了李左车,右手再把栾布拉。三人同把那鬼门关上爬,生死二字且由他。”

在此把这出经典唱段送给相关的小编和媒体,希望不要再在科学问题上闹这种笑话了。

“领跑全球”是自欺欺人?为黑而黑不可取

5万公里是一个许多人都能看出来的错误,令人遗憾的是,这个错误助长了另外一个方向的舆论:认为中国这次试采完全没有意义,甚至是自欺欺人。

例如这样的说法:

“转一位专家的点评:看了关于我国可燃冰试采成功的报道,感到有必要在圈里普及一下有关可燃冰开采的基本常识。因为此次媒体报道中有些是误导性的信息。比如媒体报道的标题‘历史性突破!中国首次海域可燃冰试采成功,领跑全球’就带有很多的误导信息。

说是历史性突破,是可以的。因为在中国历史上确实是第一次试采可燃冰(其实我们在2008年就专门进行过可燃冰钻探,取了样并可点燃,但没试采)。但说是试采成功,就带有很大程度的误导性。如果仅仅说把水合物中的气采出来了,就叫试采成功,也无可厚非,但这只是自说自话。因为这与国际上公认的试采成功的技术和标准根本不是一回事。

我们所看到的宣传资料中没有任何技术上的突破。无论是钻井技术和采气技术都是常规技术。钻井船也是常规深海钻井船。只不过是在适应水深和钻井深度上有所突破,但这与可燃冰开采没有关系。也就是说钻井船并不是为开采可燃冰特造的专用船,也没有对开采可燃冰有特殊的技术设备和开采可燃冰专用装置。总之,此次使用的钻井技术,可燃冰开采技术和钻井船舶装备都是石油天然气勘探开发的常规技术和装备。这种用常规油气勘探开发的技术和装备来开采可燃冰全世界所有大石油公司都会干,都能干。

大家都知道中国是可燃冰理论研究也包括勘探开采技术研究的后来者。但是为什么其他国家先行者们,那些国际大公司都不这样来试呢?是因为谁都不敢用这种常规技术和生产方式来开采。他们必须要开发出特殊技术才敢开采。严格地说不仅是要有特殊开采技术,更难的是特殊的生态保护技术。

为什么?因为可燃冰一般埋藏在海底500米以浅的地方。可燃冰的封存是靠温度即靠零度以下的低温结成冰而封存的。也就是说它不像我们常规的油气田一样在油气层的上面有厚厚的盖层,能把油和气封住而不外溢。可燃冰上面没有任何盖层,只要温度升高了,冰融化了,水合物中的甲烷气就会从海底各处溢出来。同时,可燃冰又像页岩油/气一样是大面积连续分布在海底之下的。可以理解,随着人类的开采活动,可燃冰开采层及周围的温度一定会上升。当温度高于冰的熔点时,可燃冰就是真正的水合物了,其中的绝大部分甲烷气体就不会顺着我们常规采油的管道往外流,它可以不受限制的四处溢出。如果出现大面积海底甲烷气溢出,就会是生态灾难。

所以,可燃冰开采的真正技术难度不是如何能把气开采出来,而是开采气的同时不使温度升高,不使甲烷气从海底溢出。有什么样的技术可以把可燃冰融化后溢出的甲烷气盖在海底之下而不溢出海底呢?这就是为什么至今世界没有人去做我们现在做的这种实验。因为没有实质意义。即使称为试采成功,也不敢用这种方式大规模开采。如果说试采成功,仅仅表明该海域有可燃冰,并证实是可燃冰,还可以理解。否则就真的是忽悠社会,甚至误导高层。明白了这一点,再看报道题目中的‘领跑全球’就有点自欺欺人了。”

这个观点令许多人感到困惑,但大多数人难以在技术层面判断它的正误,只得将信将疑地把它转来转去。

Duang!

有一位地质学专家来正面刚了,他就是我十分尊敬的良师益友、中国科学院地学部院士、中国科学技术大学和中国地质大学教授李曙光先生。李曙光老师对我说:

“看了这位专家的点评,有几个问题提出来讨论。

1.根据什么说是用常规采油气技术?

众所周知可燃冰是固态,必需可控地局部将其分解为水和甲烷,才能以流体形式采出。难点在可控,不引发连锁反应形成甲烷不可控泄漏的生态灾难。常规采油气的对象都是流体,能解决这一技术问题吗?从照片看,喷出的水和燃烧的甲烷,说明成功使可燃冰分解并采出,同时没有造成不可控的大面积甲烷泄漏。如果发生泄漏,现在天上有日本、美国、中国三颗碳卫星,逃不过它们的监测。这种可控的开采技术在研究初始阶段能多控制一天也是了不起的进步,如同可控热核反应延长几秒都是重大进展。

2.这位专家说国外不搞是怕技术不成熟引发灾难,言外之意是我们不顾引发全球生态灾难,一意孤行进行开采。那么日本试采了6天怎么说?

3.当然,这次试采7天距商业性开采还有很长路要走,长时间开采还有很多技术问题要解决,万里长征还只走了第一步,但这并不能否定该技术进步的意义和地位。”

我把这段话转到微信群里,有科技背景的朋友们纷纷表示赞同,例如:

“关于可燃冰,我的理解是局部降压造成气化,便于开采。那个专家在胡扯,把整个海底加热,那是全球暖化的力道。大范围降压也可以造成大规模释放,但那是把海水抽干的节奏了。工具论(都是现有开采技术,所以谈不上突破)更是胡扯,工具是途径,不是目的,领先与否要看结果。”(自动化专家、军工科普作家“晨枫”)

“可燃冰的开采赌的是化石能源究竟还有多少年的好日子,或者说目前正在逐渐兴起的新能源技术需要多久能够真正威胁化石能源的市场地位。所以我觉得中国依靠国力去赌一赌,是值得的。西方大公司不去赌,和其有没有这个资本去赌也有关系,归结到我国不顾潜在生态危害去开发技术过分了。技术进步是需要肯定的。”(南非大学化工系高级研究员“橡树村”刘歆颖)

其实,李曙光院士的解释已经相当清晰了,如果读者还没有完全看懂,我再解释一下。

可燃冰的储量绝大部分在海底,只有极少部分在陆地上(主要是冻土带),而且又是固体,所以开采非常不易,这是利用它所面临的最大瓶颈。可想而知,从地下开采气体、液体是相对容易的,开采固体却十分困难。你用什么方法把固体传送上来?会不会堵塞管道?如何防止传输过程中天然气泄漏?都是令人头疼的问题。

这次中国之所以取得突破,就是因为把开采固体变成了开采气体,在原位通过降压把水合物中的甲烷释放出来,直接采甲烷,同时整个过程都保持可控,没有引发海底甲烷泄漏。

前引文中的那位专家认为中国是采用最没有技术含量的手段(升温)把甲烷取出来的,完全不顾泄漏的危险,然后认为这种做法别的国家也会,只是人家对环境负责没这么做。问题在于,中国这次试采的技术含量没有这位专家理解的这么低。

具体是怎么做的呢?可以参考今年1月的一则新闻《中国可燃冰开采技术获突破性进展 达国际先进水平》(http://www.guancha.cn/society/2017_01_29_391814.shtml):

“经10余年技术攻关,吉林大学科研团队研发出陆域天然气水合物冷钻热采关键技术,填补了国内该领域空白,总体达到国际先进水平。……

与国际上通用的‘被动式保压保温取样’钻探原理不同,新技术首次提出‘主动式降温冷冻取样’原理,发明了钻井泥浆强化制冷方法、水合物孔底快速冷冻取样方法和高温脉冲热激发开采技术,主要技术指标超过国外同类技术。……

该研究团队也表示,由于天然气水合物资源主要分布于海域,下一步该团队将针对海域天然气水合物钻采技术开展研究,为我国天然气水合物早日实现商业化开采做贡献,并为‘一带一路’战略服务。”

说到这儿您应该就知道了,中国是以高技术手段做到的试采,这位专家却当作了莽夫的盲干。

不要把别人都想得和你一样鲁莽嘛!在发言之前,为什么不先做做调研呢?

正确的理解该是什么样?

对于中国这次试采的意义,我在接受新华社记者采访时说:“有专家认为,从科学到技术创新要经历知其然(发现现象)、知其所以然(理论理解)、造其然(技术上可行)、利其然(经济上可行)的4个阶段。中国这次突破的意义,就是让利用可燃冰达到了‘造其然’的阶段。” (《被誉为有重大战略意义的未来能源!大国都看上了可燃冰》http://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/share/index.html?docid=1846493)

这里的“四阶段论”,来自我的朋友“资水东流”方承志博士的《技术大停滞》

(https://mp.weixin.qq.com/s? biz=MzI0NzQzMjU3Ng==&mid=2247485146&idx=1&sn=61eec6e8044820e63d3c7067d2d2c83e&chksm=e9b15235dec6db23f0074e7743ef569c1f10a25911f1406e2db4596bb8dc7fc47dd7c2232d2b)。

以上是一个就事论事的评价。但是此事的意义不止于此,还可以有更多更宏观的观察。

首先,这件事可以和2016年中国发射“墨子号”量子科学实验卫星放在一起看。量子卫星的发射标志着量子通信进入产业化,这是中国自近代以来第一次开创一个新的产业。中国在通信、高铁等领域做到世界第一,固然很了不起,但这些领域毕竟是别的国家开创的,我们是后来者。只有量子通信,是中国率先开创的产业。现在又可以加上可燃冰开采了,这成为中国自近代以来开创的第二个产业。

其次,国家之间的比较仍然不足以表示可燃冰开采的重要性。可燃冰开采真正的意义,在于给人类“续命”。说得具体一点,是为人类移民宇宙争取更多的时间。

从长远来看,地球的资源总是有限的。人类必须移民到其他星球去,才能有广阔的前途,否则困在地球上的结局,就会像一些太平洋上的孤岛一样,陷入资源耗尽、文明退化的绝境。在宇宙尺度上,地球只不过是一个大一些的复活节岛而已!(关于冲出地球的必要性和复活节岛的悲剧,参见《技术大停滞》

https://mp.weixin.qq.com/s? biz=MzI0NzQzMjU3Ng==&mid=2247485368&idx=2&sn=6f91efba0417769a1f628463a296a609&chksm=e9b15357dec6da4104b8787ab7628762a837b523a65fd9c0a55ddaf59ecde5190b01c0075e7a)

为了冲出地球,移民宇宙,唯一可行的能源是可控核聚变。人类能够用来开发可控核聚变的时间并不是无限的,而是有一个时间窗口,到化石能源耗尽为止。人类不能陶醉在小清新情绪中优游岁月,需要有紧迫感了!

可燃冰仍然是一种化石能源,不过由于其储量巨大,可望把这个时间窗口拓展一段可观的时间。人类一定要珍惜这次机会(可能是最后的机会),好好把握这个时间窗口,在化石能源耗尽之前冲出地球。

最后,需要注意到甲烷是一种温室气体,可燃冰开采存在一种最糟糕的可能性:对地层的扰动导致大量甲烷泄漏到大气中,导致严重的温室效应。这可能会破坏全球生态平衡,造成大灭绝。但即使如此,也不是因噎废食的理由。人类的命运系于此,因此只有前进,才是唯一的生路。只是需要强调,对开采过程中的风险要有清醒的估计,发展相应的技术。

可燃冰的自白:五万公里黑不倒 我为人类续一秒

《三体》

前进,前进,不择手段地前进!(《三体》中托马斯·维德的名言)

人类困在地球上是等死,开采可燃冰是找死。陈胜、吴广曰:等死,死国可乎?

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