冰與火之歌：新能源「可燃冰」

3/4/2021

什麼！竟然有冰可以燃燒！？
「可燃冰」是如何做到讓冰與火共存的呢？
快來一探究竟八！

Photo credit : U.S. Geological Survey via flickr. CC0 1.0

天然氣水合物(gas hydrate)是本篇文章要介紹的主角，在低溫高壓的環境下，氣體分子被呈籠狀結構的水分子包圍，形成冰晶狀的固體籠晶。其中被水所包覆的大多為小分子氣體，例如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)等，且因為甲烷佔比高於95%，所以又被稱為「 甲烷水合物(methane hydrate) 」。

甲烷水合物通常存在於低溫高壓的環境中，大多在海平面下300公尺以下的深海海域(此稱為「水合物穩定帶」)，僅有極少部分存在於陸地上，例如南北極的永凍土層中。當甲烷水合物被移至常溫常壓下，被水包覆住的氣體分子便會破壞晶體結構而逸出，一旦遇火便會燃燒，形成冰晶與火源共存的現象，所以又被稱作「可燃冰」。

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為何「可燃冰」被視為是一種新興能源呢？首先氣體的來源是埋藏於海床沉積物裡幾百萬年前的動物殘骸，經過細菌的分解作用後產生，在深海環境下形成水合物，所以「可燃冰」本身便是一種化石燃料，是石油和天然氣的同類。更重要的是，專家預估甲烷水合物的蘊藏量會是其他化石燃料礦藏的二至三倍！而且甲烷水合物在燃燒後並不會排放硫氧化合物，二氧化碳的排放量相較於燃煤和燃油要來的低，屬於一種比較乾淨的能源。

然而，甲烷水合物的開採並不是一件容易的事，因為它在地層中是以固態的形式存在，並不像石油那般只需要利用鑽井降壓便可以將液體抽出地表。那麼，到底該如何開採這項新興能源呢？現階段主流的方法有三種：

▍熱採法
熱採法是透過把高溫的流體(例如熱水、水蒸氣)打入地層，提供能量使水合物內部的氣體分子足以破壞晶格結構，從地層中逸出。

▍降壓法
降壓法是把地層中的水抽取出來，使得地層的壓力逐漸下降，而壓力減低會導致水合物的不穩定，進而產生解離現象，使內部的氣體釋出。

▍使用化學抑制劑
在不改變地層溫度和壓力的情況下，將能夠抑制水合物生成的化學物質注入地層之中，改變水合物生成的平衡條件，促使水合物自行分解產生氣體。

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可惜的是，至目前為止甲烷水合物的開採技術還未成熟，成本也居高不下，世界上還沒有出現商業化的開採成果。另外研究也證實出甲烷是一種比二氧化碳還要強的溫室氣體，若是開採不當，有可能會造成海床的擾動，嚴重時甚至會使海床崩塌引發海嘯，使大量的甲烷氣體釋出，造成溫室效應的加劇，這也是氣候和地質專家對於甲烷水合物最大的疑慮。