汽車新能源可燃冰的開發(fā)與利用

劉?；?/p>

（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

汽車新能源可燃冰的開發(fā)與利用

劉?；?/p>

（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

《巴黎協(xié)定》引起世界上不少國家紛紛調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，先后推出了全面禁售燃油車的時(shí)間表。根據(jù)部分新能源開發(fā)成本高昂等情況，可燃冰的開發(fā)和利用或?qū)橹袊酥潦澜缣峁┬碌那鍧嵞茉催x擇，為一些受環(huán)境問題困擾的國家?guī)ジＲ簦矊槠嚬I(yè)的發(fā)展提供長期的清潔新能源。

可燃冰；汽車；新能源；開發(fā)

1 清潔能源可燃冰

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有全球性影響的環(huán)境問題日益突出。不僅發(fā)生了區(qū)域性的環(huán)境污染和大規(guī)模的生態(tài)破壞，而且出現(xiàn)了溫室效應(yīng)、酸雨、物種滅絕、土地沙漠化、土壤侵蝕等等大范圍的和全球性的環(huán)境危機(jī)，嚴(yán)重威脅著全人類的生存和發(fā)展。燃油汽車排放的廢氣所造成的環(huán)境污染，對(duì)人類和動(dòng)、植物危害甚大。

國際社會(huì)在經(jīng)濟(jì)、政治、科技、貿(mào)易等方面形成了廣泛的合作關(guān)系，并建立起了一個(gè)龐大的國際環(huán)境條約體系，聯(lián)合治理環(huán)境問題?！栋屠鑵f(xié)定》是2015年12月12日在巴黎氣候變化大會(huì)上通過、2016年4月22日在紐約簽署的氣候變化協(xié)定?！栋屠鑵f(xié)定》為2020年后全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)作出安排。全面禁售燃油車就是各國為了保護(hù)環(huán)境對(duì)《巴黎協(xié)定》的積極響應(yīng)。荷蘭和挪威宣布2025年將禁售燃油車，是實(shí)施全面禁售燃油車最早的國家；德國也表示在2030年開始禁售燃油車；英國、法國將在2040年禁售燃油車。前不久，中國工信部表示，中國也啟動(dòng)了相關(guān)研究，將協(xié)同我國相關(guān)部門制訂我國禁售燃油車的時(shí)間表，這些舉措必將推動(dòng)我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的環(huán)境和動(dòng)力發(fā)生深刻變化。長安汽車集團(tuán)率先表示將在2025年停止生產(chǎn)燃油車，打響了我國禁售燃油車的第一槍。

世界各國先后禁售燃油車，汽車新能源呼之欲出，可燃冰的開發(fā)和利用就成為許多國家重點(diǎn)關(guān)注的項(xiàng)目。

可燃冰學(xué)名叫作天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，簡稱NGH），是水和天然氣在高壓低溫條件下形成的類冰狀結(jié)晶物質(zhì)，因其外觀像冰一樣且遇火即可燃燒，所以又被稱作可燃冰。其燃燒后僅會(huì)生成少量的二氧化碳和水，污染比煤、石油、天然氣小很多，但能量高出十倍?？扇急植加谏詈３练e物或陸域永久凍土中，英國廣播公司在報(bào)道中強(qiáng)調(diào)了可燃冰開發(fā)的重要意義，認(rèn)為可燃冰有潛力成為一種革命性的新能源，將對(duì)滿足未來能源需求發(fā)揮重要作用，并且很可能會(huì)成為全球最后一種主要的碳基燃料資源。

2 可燃冰的研究與開發(fā)

全球蘊(yùn)藏的常規(guī)石油天然氣資源由于消耗巨大，很快就會(huì)枯竭?？茖W(xué)家的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，僅在海底區(qū)域，可燃冰的分布面積就達(dá)4000萬km2，占地球海洋總面積的1/4。2011年，世界上已發(fā)現(xiàn)的可燃冰分布區(qū)多達(dá)116處，其礦層之厚、規(guī)模之大，是常規(guī)天然氣田無法相比的?？茖W(xué)家估計(jì)，海底可燃冰的儲(chǔ)量至少夠人類使用1000年?？扇急鶅?chǔ)量巨大，所含有機(jī)碳資源總量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣總量的兩倍，被國際公認(rèn)為石油、天然氣的替代能源。當(dāng)然可燃冰開采難度之大也是業(yè)界公認(rèn)的?？扇急康蜏馗邏悍獯?，如溫度升高，水合物中的甲烷可能溢出；或者如冰塊消融、壓力回升，一旦控制不當(dāng)，可能造成海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

我國作為第三大凍土大國，具備良好的天然氣水合物賦存條件和資源前景。通過15年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在南海地區(qū)預(yù)計(jì)有800億t油當(dāng)量的可燃冰；除了南海外，在青海地區(qū)又發(fā)現(xiàn)了350億t標(biāo)準(zhǔn)油當(dāng)量的可燃冰?？紤]到青藏高原仍有未探明儲(chǔ)量的資源，這一地區(qū)的可燃冰資源儲(chǔ)量將會(huì)更大。

從1810年首次在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)天然氣水合物伊始已經(jīng)過去了200多年?，F(xiàn)在世界上至少有30多個(gè)國家和地區(qū)正在進(jìn)行可燃冰的研究與開發(fā)。

1960年，前蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了可燃冰，1965年，前蘇聯(lián)首次在西西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)天然氣水合物礦藏；并于1969年投入開發(fā)；1970年，前蘇聯(lián)開始對(duì)該天然氣水合物礦床進(jìn)行商業(yè)開采。

美國于1969年開始實(shí)施可燃冰調(diào)查，1998年把可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級(jí)長遠(yuǎn)計(jì)劃；日本開始關(guān)注可燃冰是在1992年；完成周邊海域的可燃冰調(diào)查與評(píng)價(jià)。但最先挖出可燃冰的是德國。

1996年和1999年期間，德國和美國科學(xué)家通過深潛觀察和抓斗取樣，在美國俄勒岡州岸外海臺(tái)的海底沉積物中取到嘶嘶冒著氣泡的白色水合物塊狀樣品，該水合物塊可以被點(diǎn)燃，并發(fā)出熊熊的火焰。

1998年，日本通過與加拿大合作，在加拿大西北三角洲進(jìn)行了水合物鉆探，在890～952m深處獲得37m水合物巖心。該鉆井深1150m，是高緯度地區(qū)永凍土帶研究氣體水合物的第一口井。

1999～2001年，中國地質(zhì)調(diào)查局科技人員首次在南海西沙海槽發(fā)現(xiàn)了顯示天然氣水合物存在的地震異常信息。2002年國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立我國海域天然氣水合物資源調(diào)查專項(xiàng)。

21世紀(jì)開始，可燃冰的研究與勘探進(jìn)入高峰期，為開發(fā)這種新能源，國際上成立了由19個(gè)國家參與的地層深處海洋地質(zhì)取樣研究聯(lián)合機(jī)構(gòu)，有50個(gè)科技人員駕駛著一艘裝備有先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的輪船從美國東海岸出發(fā)進(jìn)行海底可燃冰勘探。

自2002年起，中國地質(zhì)調(diào)查局對(duì)我國凍土區(qū)特別是青藏高原凍土區(qū)開展了地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和遙感調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國凍土區(qū)具備較好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景，其中羌塘盆地為一級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)，祁連山、漠河盆地和風(fēng)火山——烏麗地區(qū)為二級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)。

1999年在國家發(fā)展改革委、財(cái)政部等大力支持下，國土資源部正式啟動(dòng)天然氣水合物資源調(diào)查，包括在珠江口盆地開展天然氣水合物綜合調(diào)查40個(gè)航次，完成高分辨率多道地震測量45800km、多波束測量36800km、淺地層剖面測量7100km、海底地質(zhì)取樣1480個(gè)站位、海底熱流測量222個(gè)站位等調(diào)查工作，開啟了我國可燃冰開發(fā)的先河。

2005年4月14日，中國在北京舉行中國地質(zhì)博物館收藏中國首次發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物碳酸鹽巖標(biāo)本儀式。宣布中國首次發(fā)現(xiàn)世界上規(guī)模最大的被作為可燃冰存在重要證據(jù)的“冷泉”碳酸鹽巖分布區(qū)，其面積約為430km2。

2007年5月1日凌晨，中國在南海北部的首次采樣成功，證實(shí)了中國南海北部蘊(yùn)藏豐富的天然氣水合物資源，標(biāo)志著中國天然氣水合物調(diào)查研究水平已步入世界先進(jìn)行列。中國在南海北部成功鉆獲實(shí)物樣品可燃冰，從而成為繼美國、日本、印度之后第4個(gè)通過國家級(jí)研發(fā)計(jì)劃采到可燃冰實(shí)物樣品的國家。

2009年9月中國地質(zhì)部門公布，在青藏高原發(fā)現(xiàn)了可燃冰，預(yù)計(jì)十年左右能投入使用。初略的估算，遠(yuǎn)景資源量至少有350億t油當(dāng)量。

2013年6月～9月，我國海洋地質(zhì)科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度可燃冰樣品，并通過鉆探獲得可觀的控制儲(chǔ)量。此次發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物樣品具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高4個(gè)主要特點(diǎn)?？刂苾?chǔ)量1000億m3～1500億m3，相當(dāng)于特大型常規(guī)天然氣礦規(guī)模。

2016年6月25日上午，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局通報(bào)，繼我國在南海發(fā)現(xiàn)大面積可燃冰分布后，我國首次在南海北部陸坡西部海域發(fā)現(xiàn)規(guī)模空前的活動(dòng)性冷泉“海馬冷泉”，分布面積約618km2。它的發(fā)現(xiàn)是我國可燃冰勘查的重大突破。

2017年，我國在南海北部神狐海域進(jìn)行的可燃冰試采獲得成功。在試采作業(yè)區(qū)水深1266m海底以下礦藏開采出天然氣。自5月18日試采成功之后，一直到6月2日，已連續(xù)22天產(chǎn)出甲烷含量高達(dá)99.5%的天然氣，平均日產(chǎn)8350m3。并且鉆井作業(yè)安全，試采區(qū)海底地層穩(wěn)定，井底狀況良好，未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，大氣和海水甲烷含量無異常變化，沒有環(huán)境污染。同時(shí)獲得各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)264萬組，為下一步工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這次試開采取得圓滿成功，標(biāo)志著我國成為全球海域可燃冰試開采連續(xù)產(chǎn)氣時(shí)間最長的國家?？扇急俏磥砣蚰茉窗l(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，我國在全球率先試采成功，宣告了在這一領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位。

3 汽車新能源可燃冰

可燃冰何時(shí)能被商業(yè)開發(fā)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)了解，技術(shù)問題和開采成本成為了制約各國開采可燃冰的瓶頸。在人類日益為能源所困的今天，可燃冰的成功試采自然是萬眾矚目。2017年我國在全球范圍內(nèi)首次成功試開采，實(shí)現(xiàn)了六大技術(shù)體系二十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新。但這僅是萬里長征邁出關(guān)鍵性一步，未來要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化開采，仍有很長的路要走。特別是要作為汽車新能源，也還有許多亟待解決的問題。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。2016年汽車產(chǎn)銷量突破2800萬輛，已連續(xù)八年位居世界第一位。汽車市場在國民經(jīng)濟(jì)中的支柱作用不斷增強(qiáng)，汽車稅收占全國稅收比重、從業(yè)人員數(shù)占全國就業(yè)人員數(shù)比重、汽車銷售額占全國商品零售總額的比重均超過10%。尤其在新能源汽車領(lǐng)域，我國已成為最大的生產(chǎn)和銷售市場。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2016年中國新能源汽車銷量同比增長53%至50.7萬輛，已累計(jì)推廣超過100萬輛，且2017年1～7月新能源車銷量同比增長超過20%，但是目前新能源車保有量和燃油車兩億輛的保有量之間還是有相當(dāng)大的差距。并且新能源汽車主要以純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車為主。

我國正在研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可燃冰混合燃料的燃燒特性與排放性能，并成功進(jìn)行了相應(yīng)的仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，隨著混合燃料中可燃冰燃料摻混比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低，有效熱效率增加，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。另外發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性功率和扭矩隨著混合燃料摻混比例的增加有所下降。但CO的排放量有大幅度的降低，NO的排放量無明顯變化。這充分表明可燃冰是真正清潔高效的汽車新能源。

作為世界上首先獲得可燃冰開采成熟技術(shù)的國家，在可燃冰的運(yùn)用上，有著得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢。一輛使用天然氣為燃料的汽車，如果一次加100升天然氣能跑300km的話，那么加入相同體積的可燃冰，這輛車就能跑5萬km。相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車來說，可燃冰汽車差不多是個(gè)永久燃料的汽車了?？赡荛_一輩子車，也不用加幾次燃料?？扇急嚨倪\(yùn)用，必將帶來汽車行業(yè)天翻地覆的變化，而中國汽車行業(yè)，也將是這次行業(yè)大洗牌中的唯一勝出者。

可燃冰開采完成后的最終形態(tài)與天然氣大同小異，以我國目前的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)儲(chǔ)備，這項(xiàng)技術(shù)在汽車上的運(yùn)用難度并不大。對(duì)照天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，可燃冰今后或許可直接作為動(dòng)力能源應(yīng)用于汽車。目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，如果可燃冰作為車用燃料，那么以后開發(fā)出專用的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)十分必要，天然氣汽車的比例也將會(huì)大幅度提高。隨著可燃冰的運(yùn)用，在可燃冰的存放、加注、運(yùn)輸、安全等方面也應(yīng)該逐步健全和完善。只有一系列的配套設(shè)施完善了，可燃冰在汽車領(lǐng)域的運(yùn)用才會(huì)真正變成現(xiàn)實(shí)。到那時(shí)，人們就可以用上令人刮目相看的可燃冰汽車了。

劉?；?960-），男，江蘇無錫人，副教授，主要研究方向：信息管理、汽車營銷等。