[科普中國]-黑央視可以，黑可燃冰不行

日前，中國率先實現(xiàn)“在海域可燃冰試開采中連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣”。這一進展也成為近期最火的新聞。

然而，在對這個新聞的解讀中，出現(xiàn)了一些錯誤，而且這些錯誤廣泛流傳。同時，對可燃冰穩(wěn)定開采的意義，大多數(shù)解讀都說得不夠透徹。

在這里，我想集中說說這些問題。

5****萬公里？此時間不可鬧笑話

在關(guān)于可燃冰的報道中，最大的烏龍是這樣一種說法：“可燃冰的最大特點就是能量密度高。它占用體積小，卻蘊含大量能量。舉個例子，一輛使用天然氣為燃料的汽車，一次加100升天然氣能跑300公里的話，那么加入相同體積的可燃冰，這輛車就能跑5萬公里?！?/p>

呃，5萬公里是什么概念？！這意味著每百公里只需要0.2升的可燃冰，而汽油車的百公里油耗一般在10升的量級，也就是說，可燃冰的單位體積能量密度大約是汽油的50倍？

但知道可燃冰是什么的人，立刻就會發(fā)現(xiàn)，這太離譜了。

可燃冰的化學(xué)結(jié)構(gòu)是甲烷水合物，即甲烷分子被一個一個地包在水分子組成的籠子之中。

在一定條件下，籠子的組成是固定的，因此甲烷水合物是一種定比化合物（就是說，甲烷分子和水分子的比例是固定的），而不是溶液或者固溶體。用初中化學(xué)的語言說，這是一種純凈物，而不是甲烷和水的混合物。（敲黑板！）就像五水合硫酸銅CuSO4·5H2O是一種純凈物，而不是混合物，其中硫酸銅和水的比例必然是1:5。與之對照，硫酸銅水溶液卻是混合物，因為其中硫酸銅和水的比例可以在一定范圍內(nèi)取任何值。

當(dāng)然，在海底，甲烷水合物這種純凈物又跟泥沙混合在一起，這也增大了開采的難度。所以新華社的報道會強調(diào)：“中國此次試采可燃冰成功，也是世界首次成功實現(xiàn)資源量占全球90%以上、開發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開采?！?（《被譽為有重大戰(zhàn)略意義的未來能源！大國都看上了可燃冰》http://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/share/index.html?docid=1846493）

圖 從上往下依次是I型、II型、III型甲烷水合物

更具體地說，依溫度、壓強等條件不同，包裹甲烷分子的水分子籠分為幾種，稱為I型、II型、III型等等。甲烷和水的分子數(shù)之比，在I型水合物中為8:46，II型為24:136，H型為6:34，總之都接近****1:6。

甲烷分子CH4的分子量是16，水分子H2O的分子量是18，兩者接近，所以甲烷水合物中甲烷所占的質(zhì)量比大致就是1/7。因此，1公斤甲烷水合物包含的能量相當(dāng)于1/7公斤甲烷。

再拿甲烷跟汽油比，兩者都是碳氫化合物，因此單位質(zhì)量的能量密度應(yīng)該差不多。汽油的密度在0.70 – 0.78 g/cm^3之間，比冰的密度0.9 g/cm^3稍微低一點，而可燃冰的密度跟冰也差不多。因此，論單位體積的能量密度，可燃冰大約是汽油的1/7 * 0.9/0.74 = 0.17倍，或者說是****1/6。如果100升汽油能讓汽車跑1000公里，那么100升可燃冰就可以讓汽車跑170公里，四舍五入可以說200****公里。這比5萬公里少了兩個數(shù)量級！小編該扣多少個雞腿！

算完正確的數(shù)值，我們試圖推理：這倒霉催的5萬公里是怎么算出來的？

我估計，原因在于這個說法：“可燃冰就像《變形金剛》中機器人爭奪的‘能量塊’，占用體積小，蘊含的能量卻不可估量。事實上，1立方米可燃冰可以分解釋放出160立方米以上的天然氣?！?/p>

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

5萬公里出爐。

**這種做法的錯誤在哪里？**錯誤在于，氣體的體積是與溫度、壓強有關(guān)的。理想氣體的狀態(tài)方程學(xué)過沒有？（敲黑板！）

PV = nRT，壓強乘以體積等于物質(zhì)的量（即“摩爾數(shù)”）乘以氣體常數(shù)（R = 8.314 J/(mol·K)）再乘以溫度。同樣的溫度下，氣體的壓強增大一倍，體積就縮小一半。說1立方米可燃冰可以放出160立方米天然氣時，指的可能是常溫常壓。而在說100升天然氣可以讓汽車跑300公里時，指的肯定是高壓氣瓶中的天然氣。同樣一單位體積，包含的質(zhì)量不知差到哪里去了。

在不說清楚溫度和壓強的情況下，只說氣體的體積，就是一筆糊涂賬。這也是我在前面只用質(zhì)量而不用體積來計算的原因。你們這些媒體啊，too simple！Sometimes naive！還是要提高自己的知識水平！

總而言之，可燃冰不是高爆炸藥，更不是核燃料，它的能量密度并不很高，無論以質(zhì)量計還是以體積計，都只是汽油的幾分之一。如果說可燃冰好比能量塊，那也是品位不太高的能量塊，不可能是變形金剛最愛吃的那種，只能算是“無魚蝦也好”。如果擎天柱、威震天直接喝汽油，他們會開心得多。

可燃冰的優(yōu)點，在于巨大的儲量，達到石油加天然氣的兩倍，而不在于能量密度。

京劇大師馬連良有一出經(jīng)典唱段，《淮河營》中蒯徹對李左車和欒布唱的**《此時間不可鬧笑話》**：“此時間不可鬧笑話，胡言亂語怎瞞咱。在長安是你夸大話，為什么事到如今耍奸滑？左手拉住了李左車，右手再把欒布拉。三人同把那鬼門關(guān)上爬，生死二字且由他?！?/p>

在此把這出經(jīng)典唱段送給相關(guān)的小編和媒體，希望不要再在科學(xué)問題上鬧這種笑話了。

“領(lǐng)跑全球”是自欺欺人？為黑而黑不可取

5萬公里是一個許多人都能看出來的錯誤，令人遺憾的是，這個錯誤助長了另外一個方向的輿論：認(rèn)為中國這次試采完全沒有意義，甚至是自欺欺人。

例如這樣的說法：

“轉(zhuǎn)一位專家的點評：看了關(guān)于我國可燃冰試采成功的報道，感到有必要在圈里普及一下有關(guān)可燃冰開采的基本常識。因為此次媒體報道中有些是誤導(dǎo)性的信息。比如媒體報道的標(biāo)題‘歷史性突破！中國首次海域可燃冰試采成功，領(lǐng)跑全球’就帶有很多的誤導(dǎo)信息。

說是歷史性突破，是可以的。因為在中國歷史上確實是第一次試采可燃冰（其實我們在2008年就專門進行過可燃冰鉆探，取了樣并可點燃，但沒試采）。但說是試采成功，就帶有很大程度的誤導(dǎo)性。如果僅僅說把水合物中的氣采出來了，就叫試采成功，也無可厚非，但這只是自說自話。因為這與國際上公認(rèn)的試采成功的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)根本不是一回事。

我們所看到的宣傳資料中沒有任何技術(shù)上的突破。無論是鉆井技術(shù)和采氣技術(shù)都是常規(guī)技術(shù)。鉆井船也是常規(guī)深海鉆井船。只不過是在適應(yīng)水深和鉆井深度上有所突破，但這與可燃冰開采沒有關(guān)系。也就是說鉆井船并不是為開采可燃冰特造的專用船，也沒有對開采可燃冰有特殊的技術(shù)設(shè)備和開采可燃冰專用裝置?？傊舜问褂玫你@井技術(shù)，可燃冰開采技術(shù)和鉆井船舶裝備都是石油天然氣勘探開發(fā)的常規(guī)技術(shù)和裝備。這種用常規(guī)油氣勘探開發(fā)的技術(shù)和裝備來開采可燃冰全世界所有大石油公司都會干，都能干。

大家都知道中國是可燃冰理論研究也包括勘探開采技術(shù)研究的后來者。但是為什么其他國家先行者們，那些國際大公司都不這樣來試呢？是因為誰都不敢用這種常規(guī)技術(shù)和生產(chǎn)方式來開采。他們必須要開發(fā)出特殊技術(shù)才敢開采。嚴(yán)格地說不僅是要有特殊開采技術(shù)，更難的是特殊的生態(tài)保護技術(shù)。

為什么？因為可燃冰一般埋藏在海底500米以淺的地方。可燃冰的封存是靠溫度即靠零度以下的低溫結(jié)成冰而封存的。也就是說它不像我們常規(guī)的油氣田一樣在油氣層的上面有厚厚的蓋層，能把油和氣封住而不外溢?？扇急厦鏇]有任何蓋層，只要溫度升高了，冰融化了，水合物中的甲烷氣就會從海底各處溢出來。同時，可燃冰又像頁巖油/氣一樣是大面積連續(xù)分布在海底之下的?？梢岳斫?，隨著人類的開采活動，可燃冰開采層及周圍的溫度一定會上升。當(dāng)溫度高于冰的熔點時，可燃冰就是真正的水合物了，其中的絕大部分甲烷氣體就不會順著我們常規(guī)采油的管道往外流，它可以不受限制的四處溢出。如果出現(xiàn)大面積海底甲烷氣溢出，就會是生態(tài)災(zāi)難。

所以，可燃冰開采的真正技術(shù)難度不是如何能把氣開采出來，而是開采氣的同時不使溫度升高，不使甲烷氣從海底溢出。有什么樣的技術(shù)可以把可燃冰融化后溢出的甲烷氣蓋在海底之下而不溢出海底呢？這就是為什么至今世界沒有人去做我們現(xiàn)在做的這種實驗。因為沒有實質(zhì)意義。即使稱為試采成功，也不敢用這種方式大規(guī)模開采。如果說試采成功，僅僅表明該海域有可燃冰，并證實是可燃冰，還可以理解。否則就真的是忽悠社會，甚至誤導(dǎo)高層。明白了這一點，再看報道題目中的‘領(lǐng)跑全球’就有點自欺欺人了。”

這個觀點令許多人感到困惑，但大多數(shù)人難以在技術(shù)層面判斷它的正誤，只得將信將疑地把它轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去。

Duang！

有一位地質(zhì)學(xué)專家來正面剛了，他就是我十分尊敬的良師益友、中國科學(xué)院地學(xué)部院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國地質(zhì)大學(xué)教授李曙光先生。李曙光老師對我說：

“看了這位專家的點評，有幾個問題提出來討論。

1. 根據(jù)什么說是用常規(guī)采油氣技術(shù)？

眾所周知可燃冰是固態(tài)，必需可控地局部將其分解為水和甲烷，才能以流體形式采出。難點在可控，不引發(fā)連鎖反應(yīng)形成甲烷不可控泄漏的生態(tài)災(zāi)難。常規(guī)采油氣的對象都是流體，能解決這一技術(shù)問題嗎？從照片看，噴出的水和燃燒的甲烷，說明成功使可燃冰分解并采出，同時沒有造成不可控的大面積甲烷泄漏。如果發(fā)生泄漏，現(xiàn)在天上有日本、美國、中國三顆碳衛(wèi)星，逃不過它們的監(jiān)測。這種可控的開采技術(shù)在研究初始階段能多控制一天也是了不起的進步，如同可控?zé)岷朔磻?yīng)延長幾秒都是重大進展。

2．這位專家說國外不搞是怕技術(shù)不成熟引發(fā)災(zāi)難，言外之意是我們不顧引發(fā)全球生態(tài)災(zāi)難，一意孤行進行開采。那么日本試采了6天怎么說？

3. 當(dāng)然，這次試采7天距商業(yè)性開采還有很長路要走，長時間開采還有很多技術(shù)問題要解決，萬里長征還只走了第一步，但這并不能否定該技術(shù)進步的意義和地位。”

我把這段話轉(zhuǎn)到微信群里，有科技背景的朋友們紛紛表示贊同，例如：

“關(guān)于可燃冰，我的理解是局部降壓造成氣化，便于開采。那個專家在胡扯，把整個海底加熱，那是全球暖化的力道。大范圍降壓也可以造成大規(guī)模釋放，但那是把海水抽干的節(jié)奏了。工具論（都是現(xiàn)有開采技術(shù)，所以談不上突破）更是胡扯，工具是途徑，不是目的，領(lǐng)先與否要看結(jié)果?！保ㄗ詣踊瘜＜摇④姽た破兆骷摇俺織鳌保?/p>

“可燃冰的開采賭的是化石能源究竟還有多少年的好日子，或者說目前正在逐漸興起的新能源技術(shù)需要多久能夠真正威脅化石能源的市場地位。所以我覺得中國依靠國力去賭一賭，是值得的。西方大公司不去賭，和其有沒有這個資本去賭也有關(guān)系，歸結(jié)到我國不顧潛在生態(tài)危害去開發(fā)技術(shù)過分了。技術(shù)進步是需要肯定的?！保戏谴髮W(xué)化工系高級研究員“橡樹村”劉歆穎）

其實，李曙光院士的解釋已經(jīng)相當(dāng)清晰了，如果讀者還沒有完全看懂，我再解釋一下。

可燃冰的儲量絕大部分在海底，只有極少部分在陸地上（主要是凍土帶），而且又是固體，所以開采非常不易，這是利用它所面臨的最大瓶頸?？上攵?，從地下開采氣體、液體是相對容易的，開采固體卻十分困難。**你用什么方法把固體傳送上來？會不會堵塞管道？如何防止傳輸過程中天然氣泄漏？**都是令人頭疼的問題。

這次中國之所以取得突破，就是因為把開采固體變成了開采氣體，在原位通過降壓把水合物中的甲烷釋放出來，直接采甲烷，同時整個過程都保持可控，沒有引發(fā)海底甲烷泄漏。

前引文中的那位專家認(rèn)為中國是采用最沒有技術(shù)含量的手段（升溫）把甲烷取出來的，完全不顧泄漏的危險，然后認(rèn)為這種做法別的國家也會，只是人家對環(huán)境負責(zé)沒這么做。問題在于，中國這次試采的技術(shù)含量沒有這位專家理解的這么低。

具體是怎么做的呢？可以參考今年1月的一則新聞《中國可燃冰開采技術(shù)獲突破性進展 達國際先進水平》（http://www.guancha.cn/society/2017_01_29_391814.shtml）：

“經(jīng)10余年技術(shù)攻關(guān)，吉林大學(xué)科研團隊研發(fā)出陸域天然氣水合物冷鉆熱采關(guān)鍵技術(shù)，填補了國內(nèi)該領(lǐng)域空白，總體達到國際先進水平?！?/p>

與國際上通用的‘被動式保壓保溫取樣’鉆探原理不同，新技術(shù)首次提出‘主動式降溫冷凍取樣’原理，發(fā)明了鉆井泥漿強化制冷方法、水合物孔底快速冷凍取樣方法和高溫脈沖熱激發(fā)開采技術(shù)，主要技術(shù)指標(biāo)超過國外同類技術(shù)?！?/p>

該研究團隊也表示，由于天然氣水合物資源主要分布于海域，下一步該團隊將針對海域天然氣水合物鉆采技術(shù)開展研究，為我國天然氣水合物早日實現(xiàn)商業(yè)化開采做貢獻，并為‘一帶一路’戰(zhàn)略服務(wù)?！?/p>

說到這兒您應(yīng)該就知道了，中國是以高技術(shù)手段做到的試采，這位專家卻當(dāng)作了莽夫的盲干。

不要把別人都想得和你一樣魯莽嘛！在發(fā)言之前，為什么不先做做調(diào)研呢？

正確的理解該是什么樣？

對于中國這次試采的意義，我在接受新華社記者采訪時說：“有專家認(rèn)為，從科學(xué)到技術(shù)創(chuàng)新要經(jīng)歷知其然（發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象）、知其所以然（理論理解）、造其然（技術(shù)上可行）、利其然（經(jīng)濟上可行）的4個階段。中國這次突破的意義，就是讓利用可燃冰達到了‘造其然’的階段?！?（《被譽為有重大戰(zhàn)略意義的未來能源！大國都看上了可燃冰》http://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/share/index.html?docid=1846493）

這里的“四階段論”，來自我的朋友“資水東流”方承志博士的《技術(shù)大停滯》（https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0NzQzMjU3Ng==&mid=2247485368
&idx=2&sn=6f91efba0417769a1f628463a296a609&chksm=e9b15357
dec6da4104b8787ab7628762a837b523a65fd9c0a55ddaf59ecde5190b01c0075e7a）。

以上是一個就事論事的評價。但是此事的意義不止于此，還可以有更多更宏觀的觀察。

首先，這件事可以和2016年中國發(fā)射“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星放在一起看。量子衛(wèi)星的發(fā)射標(biāo)志著量子通信進入產(chǎn)業(yè)化，這是中國自近代以來第一次開創(chuàng)一個新的產(chǎn)業(yè)。中國在通信、高鐵等領(lǐng)域做到世界第一，固然很了不起，但這些領(lǐng)域畢竟是別的國家開創(chuàng)的，我們是后來者。只有量子通信，是中國率先開創(chuàng)的產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在又可以加上可燃冰開采了，這成為中國自近代以來開創(chuàng)的第二個產(chǎn)業(yè)。

其次，國家之間的比較仍然不足以表示可燃冰開采的重要性。可燃冰開采真正的意義，在于給人類“續(xù)命”。說得具體一點，是為人類移民宇宙爭取更多的時間。

從長遠來看，地球的資源總是有限的。人類必須移民到其他星球去，才能有廣闊的前途，否則困在地球上的結(jié)局，就會像一些太平洋上的孤島一樣，陷入資源耗盡、文明退化的絕境。在宇宙尺度上，地球只不過是一個大一些的復(fù)活節(jié)島而已?。P(guān)于沖出地球的必要性和復(fù)活節(jié)島的悲劇，參見《技術(shù)大停滯》（https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0NzQzMjU3Ng==&mid=2247485368
&idx=2&sn=6f91efba0417769a1f628463a296a609&chksm=e9b15357
dec6da4104b8787ab7628762a837b523a65fd9c0a55ddaf59ecde5190b01c0075e7a）。

**為了沖出地球，移民宇宙，唯一可行的能源是可控核聚變。**人類能夠用來開發(fā)可控核聚變的時間并不是無限的，而是有一個時間窗口，到化石能源耗盡為止。人類不能陶醉在小清新情緒中優(yōu)游歲月，需要有緊迫感了！

**可燃冰仍然是一種化石能源，不過由于其儲量巨大，可望把這個時間窗口拓展一段可觀的時間。**人類一定要珍惜這次機會（可能是最后的機會），好好把握這個時間窗口，在化石能源耗盡之前沖出地球。

最后，**需要注意到甲烷是一種溫室氣體，可燃冰開采存在一種最糟糕的可能性：對地層的擾動導(dǎo)致大量甲烷泄漏到大氣中，導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。**這可能會破壞全球生態(tài)平衡，造成大滅絕。但即使如此，也不是因噎廢食的理由。人類的命運系于此，因此只有前進，才是唯一的生路。只是需要強調(diào)，對開采過程中的風(fēng)險要有清醒的估計，發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)。

《三體》

前進，前進，不擇手段地前進?。ā度w》中托馬斯·維德的名言）

人類困在地球上是等死，開采可燃冰是找死。陳勝、吳廣曰：等死，死國可乎？

作者簡介：袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

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