能源与环保间的平衡在全球一直都是十分火热的议题。火力发电、核分裂发电等高效率的发电方式，或许会对环境及生物造成永久危害；风力发电、大阳能电池等绿能，受限于天候而无法广泛应用；干净又有效率的核融合发电仍在开发阶段，还不到可以商用的程度。那么，通往干净能源的这条路，是否就这样被插上此路不通的标示牌呢？当然不！因为可燃冰为我们另开了一条蹊径。
图一 ：正在燃烧的可燃冰。
那么，可燃冰究竟是什么呢？是否如同字面上，是一种可以燃烧的冰？如果是，是何种机制会使冰能被点燃；如果不是，那么它是怎么形成冰晶状态的呢？若你好奇的话，请读下去吧！本篇会从可燃冰本身、其应用与开采问题，全面地介绍这种新能源。
可燃冰的性质可燃冰又称为「天然气水合物」，其中，甲烷气体若佔总天然气的 99%，则称为「甲烷水合物」。直接观察它被点燃的样子，就像是一块能燃起火焰的冰块，这也是「可燃冰」一称的由来。然而，确切来说，这颗「冰块」其实是水和甲烷气体在低温高压下混合形成的类冰物质。也就是说，可燃冰其实不是冰，而是由水分子组成的一个个「水笼」。如图二，笼中包含大量的甲烷气体，因此便不难理解它被称为「甲烷水合物」的原因。或许你十分好奇水笼的模样，不过在那之前，我们必须先谈谈组成水笼的栅栏——氢键。
图二：可燃冰是由水分子组成的一个个「水笼」。
氢键氢键为组成可燃冰结构举足轻重之角色，而为介绍水笼及避免混淆重点，氢键概念皆举水（简式 H2O）为例。顾名思义，氢键是一种以「已结合 1 个氧原子的氢原子」为中心，与另一个氧原子所形成的「作用力」。没错，氢键并没有产生实际的键结，本质上反而是一种电磁力。这个概念或许有点抽象，不过我们可以用小朋友吃蛋糕的例子来理解。
现在，老师分蛋糕给一群小朋友，高年级的小朋友可以分到比较多块且口味不同的蛋糕，而低年级的小朋友则只有一块蛋糕。分完蛋糕后，低年级的小朋友会跑去坐在大哥哥旁边吃蛋糕，因为当他拿出一半的蛋糕分享时，大哥哥也会分享一半的蛋糕给他，如此一来，他们都能吃到 2 种口味的蛋糕。若低年级的小朋友还想再和别人分享一次，他就必须拥有第二块蛋糕。然而，我们都知道他已经没有多的蛋糕了，所以他会跑到另一个拥有蛋糕的大哥哥旁边看着他，希望这个大哥哥能和他分享蛋糕。
看完这个故事，我们可以把蛋糕替换成电子、低年级生替换成氢（价电子数为 1），而拥有很多蛋糕的大哥哥即为拥有许多电子的氧（价电子数为 6）。因此，如图三（A）所示，当氢和氧各提供 1 个电子时，便会形成共价键。同时，已将电子用光的氢，会与另一颗带有 2 个多馀电子——或称作「孤电子对」（lone pair）——的氧形成氢键。
图三（A）：氢键结构。
其形成原因则如图三（B），当氢用掉唯一的电子后，部分氢原子相对带正电，会与另一个拥有孤电子对的原子互相吸引，故部分原子带负电的氧原子互相吸引。这个吸引力就是氢键，并且由于其成因，我们可以说氢键就是一种电磁力。
图三（B）：氢键形成原理。
水笼当许多个水分子以氢键结合时，水笼便形成了。
图四：水分子间的氢键。
事实上，水笼分为许多种类，有结构 Ⅰ 型水合物、结构 Ⅱ 型水合物以及结构 H 型水合物。如下方图五，在以单位晶格的尺度下观察，结构 Ⅰ 型为的水合物是以 2 个五角十二面体的小笼，和 6 个十四面体的大笼所组成。
这时，你可能会好奇：为什么是这个组合呢？让我们来想想拼图。当我们拿起一块拼图，会发现它会有凸出、凹陷，或是平平的不凸出也不凹陷等 3 种样式的「边」，或许是 4 个凸出、3 个凸出 1 个凹陷、2 个凸出 2 个凹陷，或是 1 个平平的边加上 3 个凹陷……。这时，如果我们拿起一块有「4 个凸出」的拼图，那么我们能把另外一块也是 4 个凸出的拼图拼在原本的那块上吗？
显然无法。因此，如果我们要将拼图拼起来，就需要拿出另外 4 片有凹陷的拼图，各接在原本那块拼图上，才能逐渐将这副拼图拼完。这个「拼拼图」的概念也就是为什么水笼结构会需要不同的立体形状组成了，因为这些不同的形状负责「镶嵌」彼此，从而形成一个完整的、没有空隙的拼图，也就是这个坚固的水笼。
接下来让我们继续介绍另外 2 种结构。结构 Ⅱ 型则以 16 个五角十二面体，加上另一种十六面体的大笼结合而成；结构 H 型则分别由 2 种小笼—— 3 个五角十二面体，及 2 个十二面体——与二十面体大笼组成。其中，不论是大笼或小笼，每个笼中皆包含 1 个甲烷分子。
值得注意的是，甲烷水合物属于结构 Ⅰ 型水合物，且其分子式为 CH4·8H20。理论上来说，一单位晶格内应含有 8 个甲烷分子与 64 个水分子。然而，由于可燃冰晶体中的水可与邻近的 2 个水笼共用，因此一单位晶格内实际上只有 46 个水分子，而这也是当我们将可燃冰转化后，可以产生大量天然气的原因。
图五：各类水笼结构及组成。
可燃冰的诞生上文有提到水和甲烷能在低温高压之下生成可燃冰。那么，是什么环境才会包含大量的水、足够的天然气，同时又有低温高压的特性呢？没错，就是海洋！现在，我们已经有足够多的水了，但要如何在海中找到大量的甲烷呢？以大西洋的布雷克海脊（Blake Ridge）为例，含有甲烷的沉积物称为「气水化合物稳定带」（GHSZ，GasHydrate Stability Zone），大约厚 300 至 500 公尺，且位于约 190 公尺至 450 公尺的中深度范围海域。在这些沉积物的孔隙中，有许多以溶解状态存在的甲烷。那么，问题又来了，这些深海矿床是怎么产生甲烷的呢？答案就是——细菌！
在深海中存在着 2 种细菌：好氧细菌和厌氧细菌。从他们各自的名字来看，很明显可以知道好氧细菌会进行有氧呼吸，也就是它们会以氧的化学反应来获得能量。反之，厌氧细菌不用以有氧呼吸来生存，意即它们可以生存在没有氧的环境中。
在深海矿床中，沉积物孔隙中的水在几公分的深度便是缺氧状态的，且由于这个区域的水域包含了沉淀率高、有机碳含量丰富、环境酸碱值适中等条件，厌氧细菌便会开始作用在这些沉积物的有机碳物质上，并产生甲烷。
事实上，大陆地区也可以生成可燃冰，但是蕴含量极少，大约只有 1% 的可燃冰储存在陆域。其原因或许和组成陆地的砂石成分有关，因为科学家采样之后的结果显示，这些生成于陆域的甲烷水合物仅会存在于深度 800 公尺以下的砂岩或粉沙岩岩床中。同时，存在于砂石缝隙中的化合物，会被热力或微生物分解；然而，重量较重的烃类——也就是组成天然气的原料，却会在较轻的化合物被分解完之后，才有机会被分解。可以看出大陆生成甲烷水合物的条件极为苛刻，因此，以这种方式形成的可燃冰，目前只存在于西伯利亚和阿拉斯加的永冻土中。
能源议题的救世主?可燃冰在近几十年突然出现在人们的面前，一跃成为炙手可热的能源议题新宠儿。事实上，人类早在 1810 年就已经于实验室中发现天然气水合物这种物质，只不过受限于当时的时空背景以及科学发展进程，1934 年才在美国的输气管道中，发现天然的甲烷水合物这种「可以燃烧的冰块」。直到 1968 年，苏联科学家才终于在西伯利亚发现了天然气水合物矿藏，而在此期间，人们普遍认为天然气水合物大多只会出现在太阳系外围的低温区。
那么，这种神祕的、甚至连科学家都还没完全搞清楚生成机制的化合物，究竟是怎么在这场能源大赛中「杀出重围」的呢？这和可燃冰的转化率、蕴藏量、能源危机，甚至人类环保意识的提升都有不可或缺的关系，可谓是天时地利人和的结果。
然而，目前可燃冰离完全商用仍有很长的一段路要走。先不提这个，我们来谈谈转化率，顾名思义就是「可燃冰转换成天然气的效率」。前面有提到，当可燃冰转化后，即可产生大量天然气，而若我们精确地看数字，就可以发现 1 立方公尺的可燃冰分解后，可释放出大约 164 立方公尺的天然气。
这个转化率着实惊人，因为若拿同等体积的天然气和可燃冰相比，可燃冰能产出的能量是天然气的 150 至 180 倍！所以，若可燃冰能顺利转为商用，无疑能使「运输天然气加盖地下管线」、「天然气存量减少以致价格上涨」等问题迎刃而解。
不过，某种能源能是否能顺利转为商用，还有一个重要的条件——蕴藏量。目前，人类就正在面临石化燃料存量枯竭的问题，然而人们的生活早已和石化燃料密不可分，小至织品原料，大至交通工具，或许都会面临一场重大的革新，而这些无疑会造成经济动荡，故这是十分棘手且严峻的状况。
那么，可燃冰的蕴藏量究竟能供人类使用多久呢？根据美国的天然气需求量来看，仅开发美国本土外海的天然气水合物，就足以供美国人使用 2000 年！而台湾在西南海域发现的存量，可以供台湾使用约 40 年！科学家也预估，可燃冰的天然存量大约是天然气的 2 至 10 倍。
由于可燃冰惊人的转化率、庞大的蕴藏量，再加上燃烧后不会产生残渣等特性，造成的污染相较于现今正在使用的各种燃料来说减少许多。在人类尽力追求经济产能与环保平衡的今天，无疑是救世主一般的存在。
如何开采可燃冰？可燃冰看似是目前能源议题的最佳解，但我们对它的了解仍远远不够，因为我们还不知道如何快速、安全且大量开采。自 40 年前第一次发现矿藏至今，科学家不断探索、采集并分析可燃冰这种新兴燃料，即使了解仍十分有限，但也已经发展出一些鑑别以及开采的方法。除了以前传统、直观（但是相对来说更低效且粗鲁）的加热法及减压法以外，甚至有了更新型的开采方法。不过，在介绍新型方法前，我们可以先从较传统的方法开始，以便更加了解开采可燃冰最基本的模型与原理。由于此种方法较为直观，篇幅会较为简短。
以下分别介绍 3 种传统与新型开采方法：
（一）、传统——加热法与减压法加热法，顾名思义就是将可燃冰层以对流法、电磁加热法[参考文献 6]等直接升温，将可燃冰分解为天然气与水，并且直接以管线收集天然气。减压法则是以管线导出可燃冰层下方的气体或流体，使可燃冰层的压力变小。此时，可燃冰中的「冰」就会因为压力下降而液化成为水，使得天然气被释放。
（二）、新型——二氧化碳置换开采法这个方法可说是传统加热法的进化型态，两者都是以同样的原理运作，即：使可燃冰升温，让水合物中的天然气释放出来，并加以收集。那么，二氧化碳置换法为什么是进阶版的加热法呢？原因就在于这种方法能在开采可燃冰的同时，将一部份的二氧化碳转为水合物，封存在海底。以环保的角度来说，简直可以称得上是高收益。
此方法的核心概念是利用天然气水合物和二氧化碳水合物保持稳定时的压力差进行开采，意思就是，当我们把压力控制在特定范围下，天然气水合物就会分解，而适合这个压力的二氧化碳水合物就会形成。图六是二氧化碳置换法的示意图，图六（A）是开发前蕴藏可燃冰矿藏的海床。开采时，如图六（B）所示，我们需要在可燃冰矿层的上方及下方都注入二氧化碳，下方那一层是主要运作的区域，而上方则用以阻隔并稳定海床。
接着，因为压力被控制在适合二氧化碳水合物生成的范围，因此当这种水合物逐渐生成并放热时，最靠近底层的可燃冰就会被这些热量分解，转化出大量甲烷。此时如图六（C），这些甲烷会被导管收集，所以下方的二氧化碳就会上移、填补空缺，然后持续生成二氧化碳水合物，使更多的可燃冰分解、释放甲烷。在这种连锁反应下，我们就可以达到在不断释放可燃冰中甲烷的同时，不断（以水合物的形式）封存注入至海床中的二氧化碳。
图六：以二氧化碳封存置换甲烷气示意图。
（三）、新型——固体开采法最初的固体开采法是直接采集可燃冰固体，并将可燃冰固体移至浅水海域后加以分解，因为若是以物理或化学方法就地分解，会产生消耗能源，而且经费昂贵。之后，固体开采法也衍生出了另一种更进阶的方式，称为「混合开采法」。这种方法是将可燃冰就地转为固体、液体混合的状态，再将包含了可燃冰固体、液体及气体的「泥浆」以导管传输至海平面上作业，借此取得天然气。这种不用再将矿产运送至浅水区的方式显然更加方便操作，且以导管运输的方式能进一步减少可燃冰的损耗。
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