خودکفایی ژاپن در انرژی با کمک دریایی از متان یخ‌زده

زیر بستر دریاهای ژاپن، لایه‌‌های عظیمی از متان در ساختار مولکولی یخ به دام افتاده‌اند. در برخی از نقاط، حتی لایه‌‌های رسوب‌‌کرده روی این ذخایر منجمد از آب و متان از بین رفته و توده‌‌های سفیدرنگی از یخی کثیف از زیر بستر دریا نمایان شده‌اند.

اگر تکه‌‌ای از این مواد را با خود به سطح آب بیاورید، خواهید دید که شباهت بسیار زیادی به یخ دارد؛ ولی وقتی آن را در کف دست خود نگه می‌‌دارید، جوشش گاز را از درون آن احساس خواهید کرد. اگر یک شعله‌‌ی کبریت را به آن نزدیک کنید، خواهید دید که این یخ به‌‌جای آنکه ذوب شود، شعله‌ور می‌شود. برنامه‌های پژوهشی بین‌المللی و شرکت‌های بزرگ در ژاپن در حال رقابت هستند تا بتوانند روشی برای بازیابی این ماده‌‌ی عجیب و ناملموس از بستر دریا و بهره‌برداری از آن به‌‌عنوان سوخت بیابند. اگر همه‌‌چیز طبق برنامه‌ریزی پیش برود،  آن‌ها تا پایان دهه‌‌ی بعدی، شروع به استخراج این ماده (که به‌‌عنوان یخ آتشین نیز شناخته می‌شود) خواهند کرد. اما مسیر تجاری‌سازی این سوخت آن‌چنان هم که تصور می‌‌شود، هموار نیست.

بی‌‌شک هیدرات متان می‌تواند یکی از منابع اصلی سوخت تلقی شود و برآوردهای اخیر نشان می‌دهند که آن‌‌ها در حدود یک سوم کل کربن ذخیره‌شده در دیگر سوخت‌های فسیلی نظیر نفت، گاز و زغال‌سنگ را دارا هستند. چندین کشور جهان به‌‌ویژه ژاپن، قصد دارند این سوخت را استخراج کنند. پیدا کردن آن دشوار نیست؛ چرا که این ماده اغلب یک امضای لرزه‌ای مشخص را از خود به‌‌جای می‌‌گذارد که توسط کشتی‌های تحقیقاتی قابل‌تشخیص است. مشکل اصلی، در انتقال آن به سطح آب و روش بازیابی گاز متان است.

کارولین راپل که رهبری پروژه‌‌ی هیدرات‌‌های گازی از مرکز تحقیقات زمین‌‌شناسی آمریکا را بر عهده دارد، می‌گوید:

نکته‌‌ی واضح این است که هرگز قرار نیست ما به عمق دریا برویم و این ذخایر یخ‌‌زده را استخراج کنیم.

دلیل آن، مربوط به فیزیک است. هیدرات متان به‌‌اندازه‌‌ای به فشار و دما حساس است که امکان حفاری و انتقال مستقیم آن به سطح آب وجود ندارد. این مواد معمولاً چند صد متر پایین‌تر از کف دریا و در عمق ۵۰۰ متری آب تشکیل می‌‌شوند؛ محلی که در آن فشار بسیار بالاتر از سطح بوده و دما نزدیک به صفر درجه است. اگر مواد را از این محل خارج کنید، قبل از آ‌‌نکه بتوان متان را از آن جداسازی کرد، شروع به تجزیه‌‌شدن خواهد کرد. اما احتمالاً راه‌های بهتری نیز برای انجام این کار وجود دارد. راپل می‌گوید:

به‌‌جای این کار، شما باید شرایط را به‌‌گونه‌‌ای فراهم کنید که این مواد شروع به آزادسازی متان کنند و سپس گاز خارج‌‌شده را جمع‌‌آوری کنید.

یک برنامه‌‌ی پژوهشی موردحمایت دولت ژاپن، در تلاش برای تحقق این هدف است. پس از چندین سال پژوهش اولیه در زمینه‌‌ی شناسایی مکان‌‌های بالقوه برای استخراج هیدرات‌‌های متان، اولین مأموریت اجرایی در سال ۲۰۱۳ انجام شد. کوجی یاماموتو، مدیر کل پژوهش‌‌های هیدرات‌‌های متان و نیز مدیر گروه توسعه در شرکت ملی نفت، گاز و فلزات ژاپن و یکی از پژوهشگران پیشرو در برنامه‌‌ی پژوهشی هیدرات‌‌های گازی ژاپن اظهار می‌‌کند این اقدام، برای اولین بار در جهان در حال انجام است.

این تیم موفق شد که با حفر یک حلقه چاه در بستر دریای Nankai trough در نزدیکی ساحل شرقی ژاپن، از ذخایر هیدرات متان این منطقه، گاز استخراج کند. با کاهش فشار روی این ذخایر، آن‌ها توانستند گاز را از بستر آزاد و در نهایت جمع‌‌آوری کنند. این آزمایش به مدت ۶ روز ادامه یافت تا اینکه بالاخره ماسه وارد دهانه‌‌ی چاه شد و مخزن را مسدود کرد.

آزمایش دوم نیز در سال ۲۰۱۷ در همان منطقه انجام شد. این‌بار پژوهشگران از دو چاه آزمایشی استفاده کردند. یاماموتو می‌گوید که چاه اول با همان مشکل سابق مواجه شد و بعد از چند روز بهره‌‌برداری، توسط ماسه مسدود شد. اما چاه دوم توانست به‌‌مدت ۲۴ روز، بدون مشکل فنی به کار خود ادامه دهد.

اگرچه مدت‌زمان این آزمایش‌‌ها بسیار کوتاه بودند؛ ولی دستاورد آن‌‌ها، این بارقه‌‌ از امید بود که ژاپن نیز می‌‌تواند منابعی طبیعی از هیدروکربن‌‌های قابل‌‌استفاده داشته باشد. آی اویاما، مترجم فنی و تحلیلگر پژوهشی هیدرات‌‌های متان از موسسه‌‌ی انرژی طبیعی هاوایی می‌گوید که واکنش افکار عمومی درباره‌‌ی این موضوع تا حدی متنوع بوده است. برخی از این ایده که ژاپن می‌‌تواند استقلال انرژی داشته باشد، استقبال کردند. سایرین نسبت به انجام هر عملیات اجرایی در بستر دریا و در نزدیکی مرزهای تکتونیک زمین، بسیار محتاطانه می‌اندیشیدند.

اویاما می‌‌گوید:

به‌‌طور کلی، مردم از انجام هر کاری در بستر اقیانوس بسیار وحشت دارند. این ناحیه به‌‌خاطر ناپایداری و وقوع زلزله شهرت دارد.

ترس واقعی از آن است که افت فشار روی یک قسمت از ذخایر هیدرات متان سبب ناپایداری کل ذخایر شود. راپل نیز چنین نظری دارد:

مردم نگران هستند که ما شروع به استخراج گاز متان از هیدرات‌‌‌های گازی کنیم و در ادامه به واکنشی زنجیره‌‌ای برسیم که دیگر نتوانیم این روند را متوقف کنیم.

مشکل چنین حادثه‌‌ای از دو جهت خواهد بود. اول اینکه، مقدار زیادی گاز متان ناگهان در اقیانوس آزاد می‌شود که به‌‌طور بالقوه می‌تواند مقادیر عظیمی از گازهای گلخانه‌ای را به اتمسفر بیفزاید.

دوم اینکه، هیدرات متان درصورت ناپایداری، مقدار بسیار زیادی آب را به‌‌همراه متان آزاد خواهد کرد که این به‌‌معنای ورود حجم زیادی از مایعات به رسوبات بستر اقیانوس است که در یک بستر با شیب تند، این مقدار زیاد از آب اضافی می‌تواند منجر به رانش زمین شود. برخی از کارشناسان محیط‌زیست حتی از احتمال بروز سونامی سخن می‌‌گویند.

راپل می‌گوید که با این حال، خواص فیزیکی هیدرات متان به‌‌مثابه یک ترمز طبیعی برای این زنجیره از رویدادها خواهد بود. برای آزاد کردن متان از یک مخزن، شما باید به سیستم، انرژی وارد کنید. بدون مصرف انرژی برای آزاد کردن گاز (از طریق کاهش فشار یا بالا بردن دمای مخزن)، محتویات مخزن همچنان در شکل پایدار هیدرات خود باقی خواهند ماند.

راپل اضافه می‌‌کند:

پس مشکل در واقع برعکس است. شما ممکن است بتوانید فرآیند استخراج گاز را آغاز کنید؛ اما برای تداوم این روند، باید انرژی بیشتری به‌‌کار بگیرید.

با اینکه وقوع یک واکنش زنجیره‌‌ای محتمل نیست؛ ژاپن هم‌‌چنان به برنامه‌‌ی مطالعات محیطی گسترده برای اطمینان یافتن از ایمنی تولید هیدرات متان ادامه می‌دهد. یاماموتو می‌گوید که اطلاعاتی که برای اولین بار در آزمایش سال ۲۰۱۳ و پس از آن، در آزمایش دوم در سال ۲۰۱۷ جمع‌‌آوری شده، تاکنون هیچ‌موردی را مبنی بر  احتمال وقوع ناپایداری در بستر اقیانوس نشان نداده است. اما با توجه به تاریخچه‌‌ی بلایای طبیعی ژاپن، افکار عمومی به‌‌شدت ریسک‌‌گریز شده است (هنوز در حدود ۲۴ هزار نفر از زمان زلزله‌‌ی سال ۲۰۱۱ در توهوکو و سونامی، همچنان تحت‌‌تاثیر دستور تخلیه‌‌ی عمومی هستند).

یاماموتو می‌گوید:

ما احساس می‌کنیم که تولید هیدرات‌های گازی بی‌خطر است؛ اما مردم هنوز در مورد اثرات منفی تولید این ماده، احساس نگرانی می‌‌کنند.

علاوه‌‌بر ذخایر مدفون در کف دریا، نوع دیگری از رسوب هیدرات متان نیز وجود دارد که مورد توجه پژوهشگران ژاپنی قرار گرفته است. امروزه تلاش برای یافتن ذخایر متان در عمقی کمتر و در نقاطی بسیار نزدیک به کف دریا در دریای ژاپن (در غرب این کشور) آغاز شده‌ است؛ هرچند برداشت از این ذخایر سطحی، ریسک‌‌های متفاوتی را در پی خواهد داشت.

تیم کولت، دانشمند ارشد پروژه‌‌ی هیدرات‌‌های گازی از مرکز تحقیقات زمین‌‌شناسی آمریکا می‌گوید:

این نقاط درواقع محیط‌های زیستی بسیار فعالی محسوب می‌‌شوند. حیات گونه‌‌های بسیاری در اینجا، وابسته به متان است.

این محیط‌ها، غنی از ارگانیسم‌های منحصربه‌فرد هستند. از باکتری‌‌ها گرفته تا کرم‌‌های لوله‌‌ای و خرچنگ‌های بسیار بزرگ، همگی به‌‌گونه‌‌ای تکامل یافته‌‌اند که بتوانند از متان برای تولید انرژی مورد‌‌نیاز خود استفاده ‌کنند. در نقاط دیگر جهان، از زیستگاه این گونه‌‌های متکی‌به متان، اغلب به‌‌عنوان اقلیم‌‌های نادر طبیعی محافظت می‌شود.

در اعماق لایه‌‌های خاک یخ‌‌زده

با این حال، ژاپن برای استخراج گاز متان از  بستر دریا برنامه‌‌ای جدی ندارد؛ چرا که مکان دیگری نیز برای یافتن این یخ‌‌ آتشین وجود دارد: لایه‌‌های منجمد خاک و سنگ که بستر نواحی قطبی و کوهستان‌های مرتفع را پوشانده است. در حالی که ژاپن، خود از این لایه‌‌های منجمد خاک بی‌‌بهره است؛ اما پژوهشگرانی از این کشور در تلاش هستند تا در بلندپروازانه‌‌ترین آزمایش استخراج هیدرات متان از خاک در شمال آلاسکا مشارکت کنند.

در ماه دسامبر، پژوهشگران برنامه‌‌ی پژوهشی ملی ژاپن همکاری خود را با سازمان زمین‌شناسی و وزارت انرژی ایالات‌متحده آغاز کردند تا بتوانند یک واحد تولید آزمایشی متان را باقابلیت کار در بلندمدت راه‌اندازی کنند. در حالی که این منبع گاز متان تفاوت بسیاری با نوع قبلی دارد؛ ولی روش‌های استفاده‌شده برای استخراج آن‌‌ها، شباهت بسیاری دارند.

کولت می‌گوید:

شرایط فشار و دما در این منابع از خاک منجمد، شباهت فراوانی با وضعیت موجود در Nankai Trough دارد. امروزه مشخص شده است که علی‌‌رغم تفاوت فاحش در شرایط محیطی بین مناطق قطبی و دریایی، ویژگی‌های فیزیکی ذخایر و نحوه‌‌ی رسوب‌‌گذاری آن‌‌ها در این محیط‌‌ها بسیار مشابه هستند.

تکنیک‌های مورداستفاده در تولید متان در آلاسکا ممکن است در زیر دریا هم به کار آید. اما هنوز چالش‌های بزرگی وجود دارد؛ تولید هیدرات متان به‌‌صورت بلندمدت، هنوز در هیچ نقطه‌ای از زمین یا دریا عملی نشده است. کولت اضافه می‌‌کند که ما هنوز در مرحله‌‌ی پژوهش هستیم.

با توجه به دشواری بازیابی گاز از ذخایر هیدرات متان و نگرانی‌های موجود پیرامون مبحث استخراج، باید اذعان کرد که ریسک انجام یک سرمایه‌‌گذاری بزرگ در این حوزه از سوی یک کشور، بسیار زیاد خواهد بود؛ با این حال، محدودیت در تنوع منابع انرژی بومی باعث شده است که این منبع صعب‌‌الحصول از متان، همچنان جذابیت فراوانی داشته باشد. ژاپن منابع هیدروکربنی دیگری در اختیار ندارد که بتواند به آن تکیه کند. یاماموتو می‌‌گوید:

ژاپن حجم بالایی از واردات گاز طبیعی را دارد که هزینه‌‌های زیادی را به این کشور تحمیل می‌‌کند. اگر ما بتوانیم منابع بومی خودمان را داشته باشیم، این قضیه کمک شایانی به امنیت انرژی ژاپن خواهد کرد.

قطعه‌ای از رسوبات هیدرات متان در نواحی قطبی آلاسکا

هیدرات متان به‌‌عنوان یک سرمایه‌‌ی اقتصادی، جذابیت بالایی دارد؛ اما اساساً این سوخت هم در ردیف دیگر منابع گاز طبیعی قرار می‌‌گیرد و سوزاندن آن، عواقب ناخوشایندی در تغییرات اقلیمی به همراه خواهد داشت.

کولت می‌گوید:

از همه مهم‌تر، درک این قضیه است که هیدرات‌‌های گازی نیز تنها انواعی دیگر از سوخت‌‌های فسیلی هستند. تمام دغدغه‌‌های اجتماعی و زیست‌‌محیطی مربوط به سوخت‌‌های فسیلی، شامل هیدرات‌‌های گازی نیز خواهند شد.

در این راستا، چنانچه قرار باشد هیدرات‌‌های متان نقشی را در آینده‌‌ی انرژی ژاپن ایفا کنند، احتمالاً این ماده به‌‌عنوان سوختی واسطه در فرآیند تبدیل به انرژی‌های تجدیدپذیر تلقی خواهد شد. گاز طبیعی از جمله سوخت‌‌های فسیلی با میزان کربن پایین است و سوزاندن هر واحد از آن، دی‌اکسید کربن کمتری نسبت به زغال‌سنگ یا نفت آزاد می‌کند؛ اما به‌‌عنوان یک سوخت مبتنی بر کربن، سوزاندن آن همچنان تأثیرات بدی در روند تغییرات اقلیمی خواهد داشت.

یاماموتو می‌گوید:ما نیاز به حرکت به‌‌سمت انرژی‌‌های تجدیدپذیر داریم؛ اما جایگزینی کامل منابع پاک، زمان زیادی می‌‌طلبد.

راپل اظهار کرد:

هیدرات‌‌های گازی حتی در جایگاه سوخت‌‌های واسطه نیز از اهمیت بالایی برخوردار هستند. چنانچه یک کشور بتواند از چنین ذخایری، به‌‌صورت کارآمد متان برداشت کند، عرصه‌‌ای نوین در آینده‌‌ی سوخت‌‌های واسطه به‌‌وجود خواهد آمد.

سرعت روند تجاری‌‌سازی هیدرات‌‌های متان، عاملی تعیین‌‌کننده در نقش این سوخت در بازار تقاضای آینده خواهد بود.  بنابر آخرین برنامه‌‌ی استراتژیک انرژی، دولت ژاپن امیدوار است که در بازه‌‌ی زمانی سال‌‌های ۲۰۲۳ الی ۲۰۲۷ بتواند پروژه‌های تجاری برای اکتشاف هیدرات‌‌های متان را به بهره‌‌برداری برساند.

این هدف ممکن است کمی بلند‌‌پروازانه باشد. جون ماتسوشیما، کارشناس مرکز پژوهشی انرژی و منابع در دانشگاه توکیو، زمان واقعی برای تحقق این هدف را حدود سال‌‌های ۲۰۳۰ تا ۲۰۵۰ برآورد می‌‌کند. او بر این باور است که هنوز راهی طولانی برای تجاری‌‌سازی هیدرات‌‌های متان پیش‌رو است.

راپل می‌گوید که لحظه‌‌ی تعیین‌‌کننده، زمانی خواهد بود که بتوانیم یک آزمایش تولید بلندمدت را بدون هرگونه مشکل فنی و محدودیت اقتصادی مدیریت کنیم.

راپل می‌افزاید:

من حدس می‌زنم که تا سال ۲۰۲۵ بتوانیم به یک آزمایش تولید بلندمدت (چندماهه تا یک‌ساله) دست یابیم.

اما در عین حال، ژاپن متعهد به حرکت به‌‌سوی انرژی‌های تجدیدپذیر و کربن‌‌زدایی نیز است. از آنجا که فناوری‌های تولید انرژی تجدیدپذیر بهتر و اقتصادی‌‌تر شده‌اند، نقش سوخت‌های فسیلی (به‌ویژه انواع آزمایشی و پرهزینه‌‌ای نظیر متان) به‌مرور کم‌‌رنگ خواهد شد. هرچه زمان تجاری‌‌سازی استخراج متان از ذخایر هیدرات گازی بیشتر به درازا بکشد، امکان بهره‌‌برداری مفید از این منابع کمتر خواهد شد. کولت می‌گوید احتمال دیگر این است که دستیابی به یک منبع در دسترس و جدید از سوخت‌‌های فسیلی می‌‌تواند روند جایگزینی انرژی‌های تجدیدپذیر را به تأخیر بیندازد.

این نوع ذخایر کربن ممکن است یکی از آخرین انواع سوخت‌‌های فسیلی باشد که در مقیاس تجاری استخراج خواهند شد. رقابت بر سر تجاری‌‌سازی هیدرات متان یک مورد استثنایی است؛ چرا که پژوهشگران احتمالاً زمانی خواهند توانست به آن دست یابند که دیگر انرژی‌‌های تجدیدپذیر بر جهان سیطره یافته‌‌اند.

به همین دلیل، هیدرات متان ممکن است یک عمر محدود داشته باشد؛ اما باید دید که آیا ژاپن و کشورهای دیگر خواهند توانست پیش از آنکه عمر این فناوری به پایان برسد، آن را به بهره‌‌برداری تجاری برسانند.