汽车新能源可燃冰的开发与利用

刘福基

（无锡科技职业学院，江苏 无锡 214028）

汽车新能源可燃冰的开发与利用

刘福基

（无锡科技职业学院，江苏 无锡 214028）

《巴黎协定》引起世界上不少国家纷纷调整发展战略，先后推出了全面禁售燃油车的时间表。根据部分新能源开发成本高昂等情况，可燃冰的开发和利用或将为中国乃至世界提供新的清洁能源选择，为一些受环境问题困扰的国家带去福音，也将为汽车工业的发展提供长期的清洁新能源。

可燃冰；汽车；新能源；开发

1 清洁能源可燃冰

进入20世纪80年代以来，随着经济的发展，具有全球性影响的环境问题日益突出。不仅发生了区域性的环境污染和大规模的生态破坏，而且出现了温室效应、酸雨、物种灭绝、土地沙漠化、土壤侵蚀等等大范围的和全球性的环境危机，严重威胁着全人类的生存和发展。燃油汽车排放的废气所造成的环境污染，对人类和动、植物危害甚大。

国际社会在经济、政治、科技、贸易等方面形成了广泛的合作关系，并建立起了一个庞大的国际环境条约体系，联合治理环境问题。《巴黎协定》是2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过、2016年4月22日在纽约签署的气候变化协定。《巴黎协定》为2020年后全球应对气候变化行动作出安排。全面禁售燃油车就是各国为了保护环境对《巴黎协定》的积极响应。荷兰和挪威宣布2025年将禁售燃油车，是实施全面禁售燃油车最早的国家；德国也表示在2030年开始禁售燃油车；英国、法国将在2040年禁售燃油车。前不久，中国工信部表示，中国也启动了相关研究，将协同我国相关部门制订我国禁售燃油车的时间表，这些举措必将推动我国汽车产业发展的环境和动力发生深刻变化。长安汽车集团率先表示将在2025年停止生产燃油车，打响了我国禁售燃油车的第一枪。

世界各国先后禁售燃油车，汽车新能源呼之欲出，可燃冰的开发和利用就成为许多国家重点关注的项目。

可燃冰学名叫作天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称NGH），是水和天然气在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，因其外观像冰一样且遇火即可燃烧，所以又被称作可燃冰。其燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水，污染比煤、石油、天然气小很多，但能量高出十倍。可燃冰分布于深海沉积物或陆域永久冻土中，英国广播公司在报道中强调了可燃冰开发的重要意义，认为可燃冰有潜力成为一种革命性的新能源，将对满足未来能源需求发挥重要作用，并且很可能会成为全球最后一种主要的碳基燃料资源。

2 可燃冰的研究与开发

全球蕴藏的常规石油天然气资源由于消耗巨大，很快就会枯竭。科学家的评价结果表明，仅在海底区域，可燃冰的分布面积就达4000万km2，占地球海洋总面积的1/4。2011年，世界上已发现的可燃冰分布区多达116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法相比的。科学家估计，海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。可燃冰储量巨大，所含有机碳资源总量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍，被国际公认为石油、天然气的替代能源。当然可燃冰开采难度之大也是业界公认的。可燃冰靠低温高压封存，如温度升高，水合物中的甲烷可能溢出；或者如冰块消融、压力回升，一旦控制不当，可能造成海底滑坡等地质灾害。

我国作为第三大冻土大国，具备良好的天然气水合物赋存条件和资源前景。通过15年的调查发现，在南海地区预计有800亿t油当量的可燃冰；除了南海外，在青海地区又发现了350亿t标准油当量的可燃冰。考虑到青藏高原仍有未探明储量的资源，这一地区的可燃冰资源储量将会更大。

从1810年首次在实验室发现天然气水合物伊始已经过去了200多年。现在世界上至少有30多个国家和地区正在进行可燃冰的研究与开发。

1960年，前苏联在西伯利亚发现了可燃冰，1965年，前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏；并于1969年投入开发；1970年，前苏联开始对该天然气水合物矿床进行商业开采。

美国于1969年开始实施可燃冰调查，1998年把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划；日本开始关注可燃冰是在1992年；完成周边海域的可燃冰调查与评价。但最先挖出可燃冰的是德国。

1996年和1999年期间，德国和美国科学家通过深潜观察和抓斗取样，在美国俄勒冈州岸外海台的海底沉积物中取到嘶嘶冒着气泡的白色水合物块状样品，该水合物块可以被点燃，并发出熊熊的火焰。

1998年，日本通过与加拿大合作，在加拿大西北三角洲进行了水合物钻探，在890～952m深处获得37m水合物岩心。该钻井深1150m，是高纬度地区永冻土带研究气体水合物的第一口井。

1999～2001年，中国地质调查局科技人员首次在南海西沙海槽发现了显示天然气水合物存在的地震异常信息。2002年国务院批准设立我国海域天然气水合物资源调查专项。

21世纪开始，可燃冰的研究与勘探进入高峰期，为开发这种新能源，国际上成立了由19个国家参与的地层深处海洋地质取样研究联合机构，有50个科技人员驾驶着一艘装备有先进实验设施的轮船从美国东海岸出发进行海底可燃冰勘探。

自2002年起，中国地质调查局对我国冻土区特别是青藏高原冻土区开展了地质、地球物理、地球化学和遥感调查，发现我国冻土区具备较好的天然气水合物成矿条件和找矿前景，其中羌塘盆地为一级远景区，祁连山、漠河盆地和风火山——乌丽地区为二级远景区。

1999年在国家发展改革委、财政部等大力支持下，国土资源部正式启动天然气水合物资源调查，包括在珠江口盆地开展天然气水合物综合调查40个航次，完成高分辨率多道地震测量45800km、多波束测量36800km、浅地层剖面测量7100km、海底地质取样1480个站位、海底热流测量222个站位等调查工作，开启了我国可燃冰开发的先河。

2005年4月14日，中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。宣布中国首次发现世界上规模最大的被作为可燃冰存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区，其面积约为430km2。

2007年5月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。中国在南海北部成功钻获实物样品可燃冰，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到可燃冰实物样品的国家。

2009年9月中国地质部门公布，在青藏高原发现了可燃冰，预计十年左右能投入使用。初略的估算，远景资源量至少有350亿t油当量。

2013年6月～9月，我国海洋地质科技人员在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度可燃冰样品，并通过钻探获得可观的控制储量。此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高4个主要特点。控制储量1000亿m3～1500亿m3，相当于特大型常规天然气矿规模。

2016年6月25日上午，广州海洋地质调查局通报，继我国在南海发现大面积可燃冰分布后，我国首次在南海北部陆坡西部海域发现规模空前的活动性冷泉“海马冷泉”，分布面积约618km2。它的发现是我国可燃冰勘查的重大突破。

2017年，我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功。在试采作业区水深1266m海底以下矿藏开采出天然气。自5月18日试采成功之后，一直到6月2日，已连续22天产出甲烷含量高达99.5%的天然气，平均日产8350m3。并且钻井作业安全，试采区海底地层稳定，井底状况良好，未发生地质灾害，大气和海水甲烷含量无异常变化，没有环境污染。同时获得各项测试数据264万组，为下一步工作奠定了坚实基础。这次试开采取得圆满成功，标志着我国成为全球海域可燃冰试开采连续产气时间最长的国家。可燃冰是未来全球能源发展的战略制高点，我国在全球率先试采成功，宣告了在这一领域的领跑地位。

3 汽车新能源可燃冰

可燃冰何时能被商业开发成为了人们关注的焦点。据了解，技术问题和开采成本成为了制约各国开采可燃冰的瓶颈。在人类日益为能源所困的今天，可燃冰的成功试采自然是万众瞩目。2017年我国在全球范围内首次成功试开采，实现了六大技术体系二十项关键技术自主创新。但这仅是万里长征迈出关键性一步，未来要实现产业化和商业化开采，仍有很长的路要走。特别是要作为汽车新能源，也还有许多亟待解决的问题。

进入21世纪以来，我国汽车产业实现快速发展。2016年汽车产销量突破2800万辆，已连续八年位居世界第一位。汽车市场在国民经济中的支柱作用不断增强，汽车税收占全国税收比重、从业人员数占全国就业人员数比重、汽车销售额占全国商品零售总额的比重均超过10%。尤其在新能源汽车领域，我国已成为最大的生产和销售市场。根据中国汽车工业协会数据显示，2016年中国新能源汽车销量同比增长53%至50.7万辆，已累计推广超过100万辆，且2017年1～7月新能源车销量同比增长超过20%，但是目前新能源车保有量和燃油车两亿辆的保有量之间还是有相当大的差距。并且新能源汽车主要以纯电动汽车和混合动力汽车为主。

我国正在研究汽车发动机可燃冰混合燃料的燃烧特性与排放性能，并成功进行了相应的仿真试验。结果表明，在相同的发动机转速下，随着混合燃料中可燃冰燃料掺混比例的增加，发动机燃油消耗率降低，有效热效率增加，提高了发动机的燃烧特性。另外发动机的外特性功率和扭矩随着混合燃料掺混比例的增加有所下降。但CO的排放量有大幅度的降低，NO的排放量无明显变化。这充分表明可燃冰是真正清洁高效的汽车新能源。

作为世界上首先获得可燃冰开采成熟技术的国家，在可燃冰的运用上，有着得天独厚的技术优势。一辆使用天然气为燃料的汽车，如果一次加100升天然气能跑300km的话，那么加入相同体积的可燃冰，这辆车就能跑5万km。相对于传统的汽车来说，可燃冰汽车差不多是个永久燃料的汽车了。可能开一辈子车，也不用加几次燃料。可燃冰汽车的运用，必将带来汽车行业天翻地覆的变化，而中国汽车行业，也将是这次行业大洗牌中的唯一胜出者。

可燃冰开采完成后的最终形态与天然气大同小异，以我国目前的天然气发动机的技术储备，这项技术在汽车上的运用难度并不大。对照天然气发动机的开发，可燃冰今后或许可直接作为动力能源应用于汽车。目前天然气发动机的技术已经相对成熟，如果可燃冰作为车用燃料，那么以后开发出专用的天然气发动机将会十分必要，天然气汽车的比例也将会大幅度提高。随着可燃冰的运用，在可燃冰的存放、加注、运输、安全等方面也应该逐步健全和完善。只有一系列的配套设施完善了，可燃冰在汽车领域的运用才会真正变成现实。到那时，人们就可以用上令人刮目相看的可燃冰汽车了。

刘福基（1960-），男，江苏无锡人，副教授，主要研究方向：信息管理、汽车营销等。