什么是甲烷水合物？
什么是甲烷水合物？
2022/07/27
甲烷水合物
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-实际应用的研发现状和挑战-
用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因
什么是甲烷水合物？
甲烷（CH）4)是天然气的主要成分，是碳氢化合物的一种。它在室温下是无色无味的气体，用作燃料和工业材料。另一方面，天然气水合物是甲烷分子由于氢键而被捕获在笼状水分子内的状态。甲烷水合物是气体水合物的一种，是笼状水分子内部含有甲烷分子的物质。在自然界中，它以冰的形式存在于海底和永久冻土带的地质地层中。当你把它拿出来放在火上时，甲烷就会着火并燃烧，这就是为什么它被称为“燃烧的冰”。人们发现日本列岛周围的海域中存在大量的甲烷，并且研究正在进行中，因为它有望成为未来的能源。
海洋甲烷水合物根据其存在位置大致可分为两种类型。一种是“沙层型甲烷水合物”，存在于海底数百米、深度超过500米的砂质沉积层中；另一种是“表层型甲烷水合物”，存在于海底和相对较浅深度的泥浆中。这两种物质在世界各地都可能大量存在，日本也正在努力将它们作为一个国家进行开发。 AIST从早期就开始研究和开发甲烷水合物，目标是将其作为国产能源进行商业化。我们向本次研究的核心能源过程研究部门的Norio Tenma询问了未来的前景。
甲烷水合物开发现状
为了使水和甲烷以甲烷水合物的形式稳定存在而不分解，需要低温高压的条件（大气压下-10℃以下，0℃时26个大气压以上）。如果不满足这个条件，水和甲烷分子将分离，留下水作为液体和甲烷作为气体。由于这些特性，甲烷水合物在海底和地下永久冻土中以稳定状态存在。
甲烷水合物
在甲烷水合物的研究和开采中，需要维持和管理低温和高压条件。称为岩心的柱状地质样品用于地质调查和研究，含有甲烷水合物的岩心必须在高压下收集和储存。近年来，这已成为可能，并且研究取得了进一步进展。
甲烷水合物的相变
日本周边海域已证实存在甲烷水合物。对于能源资源匮乏的日本来说，甲烷水合物的开发和商业化能力将对社会、产业和能源外交的未来产生影响。
经济产业省于2019年2月公布了修订后的《海洋能源和矿产资源开发计划》。其中指出，目标是在2023年至2027年期间启动由私营企业主导的商业化项目。
甲烷水合物的类型
甲烷水合物根据其存在位置可分为两种类型。沙层甲烷水合物存在于海底200至300米的沙质沉积层中，填充沙粒的空隙。另一方面，浅层甲烷水合物存在于海底表面附近的泥块中。
砂层型甲烷水合物和表层型甲烷水合物的方面
日本研究表明，南海海槽东部沙层甲烷水合物蕴藏量为11万亿立方米，相当于将所有甲烷水合物转化为甲烷气体，海高码头日本海一侧的表层甲烷水合物约有6亿立方米。
这两者有不同的发展阶段和系统。关于砂层甲烷水合物，AIST、JOGMEC（独立行政机构日本石油天然气金属公司）和 JMH（日本甲烷水合物研究有限公司）研发联盟“MH21-S”并致力于发展。 AIST 特别涉足生产技术领域，负责岩心分析以及气体预测模拟器的开发和改进。
地表型甲烷水合物目前正在经济产业省和产业技术研究院的主导下进行规划。包括能源过程研究部在内的多个研究领域和研究部门协作从事研究和开发。
天然甲烷水合物样品：表层型（左）、砂层型（右）
砂层状甲烷水合物开发现状及挑战
沙层甲烷水合物是研发较为先进的产品，预计将很快实现商业化。由于它位于海底较厚的地层之下并被厚厚的地层覆盖，因此即使开采，地面也相对不易塌陷，甲烷水合物也不太可能暴露，这使得利用井开采石油和天然气技术成为可能。目前，我们正在使用AIST提出的“减压方法”。这种方法是在海底挖井，泵入水，降低井周围的压力，分解砂层中的甲烷水合物，提取气态甲烷。
研究始于2001年，2013年在全球首次海洋生产试验中实现了6天产气，2017年在第二次海洋生产试验中实现了36天产气。展望未来，是否能够长期稳定生产还需要考察，我们正计划进行陆上生产试验。我们目前正准备在2022财年期间在阿拉斯加进行测试，也在日本进行有希望的集中区调查，并且还在准备试钻，包括简单的生产测试。
日本和中国是世界上仅有的进行过海上生产试验的国家，日本在甲烷水合物开采技术发展方面位居前列。我们还与多个国家合作，包括与美国进行联合测试以及支持印度的资源调查和岩心分析。
开发保压岩心分析技术及相关设备
表层甲烷水合物开发现状及挑战
近年来，表层甲烷水合物的开发已开始取得进展。日本产业技术研究院从2013年度开始，对以日本海为中心的10个海域的资源量进行了为期3年的调查，结果发现，表层甲烷水合物可能存在的地质构造有1742处。本次调查结果经外部专家验证后，我们于2016财年开始研究回收技术，并于2019财年开始研发。
由于表层甲烷水合物位于海底附近，因此即使采用针对砂层甲烷水合物提出的“减压法”打井抽水，也无法吸入周围的海水进行减压，而且还存在容易影响海底附近环境等缺点。此外，全球范围内尚无开发记录。因此，有必要开发表面型甲烷水合物新技术。
因此，AIST 通过公开征集提案的方式进行了研究，以便通过吸收私营公司的想法来推进回收技术的开发。因此，我们考虑了来自各个公司和大学的六项提案，并将其缩小到两项。一种方法使用大直径钻机，另一种方法使用悬挂式立式挖掘机。
此外，从2020年开始，我们将致力于开发这些所需的基础技术，将基础技术分为“采矿”、“回收”和“分离”三个类别，并进行示范实验和模拟，以验证基于大直径钻头的方法在技术上的可行性以及是否可以稳定、连续地运行。
首先，为了了解使用大直径钻头的钻探技术的性能，我们计划在北海道北见市的鄂霍茨克地区振兴研究园区进行实验，包括制造和刮除与甲烷水合物具有相同强度的大块冰，以及使用模拟地面进行刮削。一旦采矿技术确立，将考虑与回收和分离相结合。
两种甲烷水合物的特征
甲烷水合物实际应用的努力
至此，砂层甲烷水合物商业化已指日可待，表层甲烷水合物正处于探索和测试新系统、新技术的阶段。
与此同时，我们也在努力实现碳中和。当甲烷水合物用作燃料或用作制氢材料时，CO2会发生。在 AIST，这个 CO2，并开始研究和研究利用已开发的甲烷水合物技术，例如CCUS（二氧化碳捕获、有效利用和储存技术）。
我们将继续融合各领域的最新技术，建立更加完善、环境友好的甲烷水合物综合开发体系，并致力于将其作为不久的将来的能源之一进行利用和商业化。
<参考视频：燃烧的冰甲烷水合物[AIST官方]>