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【還能怎樣】謝秉志:油氣能源的現在與未來

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紀錄:羅紹桀

石器時代的結束不是因為石頭消失,我們希望石油工業時代的結束也不是因為石油消失。

我們基本上可將能源分成兩種,再生能源與非再生能源,再生能源會不斷補充,源源不絕;而非再生能源嚴格來說也不是永遠不會再生,而是生命週期比起人類短暫的生命來說實在太長(動輒數百萬年),所以我們以人類的角度來看,非再生能源耗盡幾乎等於不會再生,因此我們除了希望能增加再生能源的產量,非再生能源目前的現況也是我們必須了解的。

今天成功大學資源工程系助理教授謝秉志將與我們分享台灣能源的現況與非傳統油氣資源的發展。

謝秉志:油氣能源的現在與未來

能源的現況─媒、石油和天然氣的比重

首先先來看看能源的趨勢,為了比較不同性質的能源,我們需要轉換成英制能量單位叫BTU,我們算出煤產出多少BTU、天然氣多少BTU、石油多少BTU,方便互相比較。

簡單來說,在2020年時,如果我們完全只用油來產生能源,我們預計一年要用一千億桶的油,但我們現實中不會完全使用油來產生能源,所以我們還要用油當量來作單位換算,但不管怎麼樣,使用能源的趨勢永遠是向上的,為什麼呢?除了因為世界人口不斷增加,經濟的發展也需要許多能量,目前能量的需求只會一路增加,並沒有可以下降的趨勢,因此,未來我們需要達到那些熱能,我們必須要一直「燒東西」,基本上我們會使用石油、天然氣再來就是煤炭,三樣共佔了七八成的百分比,核能目前沒有發展的趨勢,我們最希望發展的是再生能源,我們希望再生能源可以發展起來把前述的化石能源比例壓低,根據一些比較有權威性的報導,在2035年時,除非再生能源有所進展,石化能源預計還是會佔七成。

針對台灣的現況,根據能源局提出來的報告,我們在102年所使用的煤、石油和天然氣佔了百分之九十,核能並沒有增長、水力只佔了百分之零點三、風力只有百分之零點二,這樣的趨勢在未來幾年預計也不會有太大的改變,所以基本上我們相當依賴煤炭、石油和天然氣。

傳統/非傳統油氣資源

我們每年持續會增加能源使用量,照目前的趨勢來看,我們的有生之年油氣資源還會是主要的能量來源,除非我們有再生資源的突破性發展,只要再生能源起來,油氣資源就會下降,石器時代的結束並不是因為石頭消失,我們期望石油工業時代的結束也不是因為石油消失。

不過因為油氣資源現在還是我們最主要的能源,所以我們接下來會專注在油氣資源的部分,油氣資源有分兩種,傳統油氣資源和非傳統油氣資源,目前新聞上常有非傳統油氣資源的訊息,其中有許多比較有名的例子,例如美國的頁岩氣、台灣有可能發展的天然氣水合物和加拿大的油砂。

那傳統與非傳統油氣資源要怎麼區分呢?

我們要先提到砂岩,因為砂岩孔隙率滲透率高,岩層形成的過程發生在海中,所以砂岩本來裡面含水,油對砂岩來說是外來物,當它聚集起來時就形成一個油田,傳統油氣資源通常儲存在封閉的背斜,非傳統的油氣則不一定要是背斜構造,它可能在深處也可能在淺處,它可能均勻也可能不均勻地分佈。

頁岩氣─讓美國成為天然氣生產大國的功臣

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談到非傳統油氣資源,我們先來講影響美國非常大的頁岩氣,基本上頁岩氣就是從頁岩裡所開採的天然氣,頁岩氣開採時,必須打一口水平井下去,並把地層「有計劃地撐裂」,為什麼說有計劃呢?因為我們必須設計撐裂的過程中不能傷害到上方的蓋岩,通過這些水平井和裂縫,就能形成ㄧ個天然氣可以行走的走道,我們就能藉此汲取天然氣。

頁岩氣對美國造成很大的影響,因為頁岩氣,美國今年已經是全世界最大的天然氣生產國,目前只有美國成功將頁岩氣做商業化開採,2040年預計美國天然氣裡有將百分之五十會來自於頁岩氣,2080年甚至有可能達到能源自主,成為第五個能源自主的國家。

念石油工程的人都知道,美國油價和世界油價不連動,美國油稱為德州中級,世界油通常是布蘭特原油,以前德州中級油比布蘭特原油漂亮,因為其硫與碳量比較少,原本德州中級油的價格比布蘭特原油稍貴,但自從頁岩氣出來之後,美國油價就開始走自己的路,布蘭特原油就反映世界油價。

油砂─加拿大能源自主的秘密

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油砂是一種具有很高粘度石油的砂子 CC by James St. John

我們接下來談談油砂,這是最早出現的非傳統油氣,油砂是一種具有很高粘度石油的砂子,換句話說,沙中藴藏很高粘度的石油,因為高粘度的性質,石油在沙中是不會流動的,必須要使用特殊方法讓它流動才能生產出來,以前傳統的方法是開挖之後加熱融化,現在則是在地表鑽兩口水平井,一個在上一個在下,上面那一口井把熱氣吹進去熔化油砂,下面那一口井把溶化下降的油抽上來。

加拿大是唯一將油砂商業化開採的國家,加拿大因為油砂成為世界第三大石油蘊藏量的國家。

注意蘊藏量的定義,簡單來說,存在資源的總量叫「資源量」,實際可以使用的資源叫「蘊藏量」,蘊藏量通常只在資源量的百分之十以下,而在加拿大光是蘊藏量就有一千億桶油,每天可以產出三百五十萬桶油。

天然氣水合物─台灣的機會

再來看一下台灣的機會—天然氣水合物。

所謂的天然氣水合物,就是天然氣包在冰的晶格裡面,又叫可燃冰或甲烷氣水合物,天然氣水合物通常必須在海洋上,使用一艘探勘船後面拉很多條線做震波測勘,得知地殼的狀況之後,如果我們發現反射面和海床的形狀平行我們稱為擬海底反射(BSR)就是天然氣水合物最底層的訊號,因為在天然氣水合物的下方通常是天然氣層,其密度很低,聲波從高密度的地方進入低密度的地方訊號差異會很大,所以就會出現強烈的擬海底反射訊號。

經過特殊的探勘之後,我就可以嘗試把它生產出來,怎麼做呢?我們只要挖一口井到達天然氣水合物的地層裡面,把壓力降低,就會造成物質流動,天然氣就自然流出來了 ,第二個方法就是類似油砂的做法,我們我們可以把熱打進去把冰融化,融化之後天然氣就自然上來了,第三個方法,我們可以丟一些抑制劑進去分解冰晶也是一個方法。

問題是,在海域上鑽井要價不菲,打一口井成功的機率是七分之一,總投入的成本更是可觀,但我們台灣的西南海域事實上是全世界最大的天然氣資源,大約有兩兆七千億立方公尺資源量,但根據之前提到的定義,雖有這麼大量的天然氣資源,但可供利用的「蘊藏量」是零,因為無法直接執行,也完全沒有商業化的機會,目前的狀況是如此。

二氧化碳捕獲與封存

講到油氣資源,不免俗要提到的就是碳的問題,有科學家認為過度使用化石能源所製造的二氧化碳會加速全球暖化,而台灣這小小的島國就佔了世界總碳排放量的百分之一,年排放量約三億噸,有人希望在2020年時希望把排放量回復到2005年的水準,但根據工研院的估算成果,依照正常的經濟發展,預計2020年的排放量會是四億噸不等,而2005年是兩億五千多萬噸,所以我們必須減掉一億五千多萬噸,因此政府積極推廣節能減碳,提升發電效率,再來就是以天然氣代替燃煤以及再生能源的發展,如果真的前述方法都用盡了,可能就要用二氧化碳捕獲與封存的方法。

二氧化碳補貨與封存是這樣的,石油是一種化石燃料,具有碳跟氫,本身不具有氧,問題是經過燃燒會產生二氧化碳,如果我們能把二氧化碳從空氣中「抓下來」在給它壓縮起來,或許能作為將來的工業使用,例如乾冰、可樂、中藥萃取等等,剩下的就當成資源暫時放到地下、海洋或其他形式的儲存,就稱為所謂的封存。

問題是我們如何抓下來呢?舉個例,家裡衣櫃常有水氣吸收劑,就是一個可以吸收二氧化碳的流體,稱為溶劑吸收法;第二種方法,可以設計一些只能讓二氧化碳通過的分子篩,把二氧化碳收集起來等等。收集下來之後,我們要處理運送的問題,有三種方法,車、船運、管線等三種方法。

但要把他們「儲藏」在哪裡呢?我們有三種選擇,第一個是海洋,海是最大的二氧化碳吸收劑;第二是岩石,有一種蛇紋岩,這種岩石里富含鎂,可與二氧化碳結合成碳酸鎂;在來就是打到地底下。方案一海洋的問題是因為涉及生物圈所以被禁止;方案二岩石的問題是二氧化碳與礦物反應速度過慢;方案三是比較可行的,稱為地質封存。

地質封存定不是人類發明的,全世界已經有很多二氧化碳在地下,澳洲許多可口可樂的二氧化碳來源即是地層,大自然已經行此法數百萬年,形成數百個二氧化碳地層。

台灣進行碳封存的可能性

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台灣有沒有能力做碳封存呢?有的,台灣飛牛牧場旁的鐵砧山上有一個很有名的鐵砧山儲氣窖,這個儲氣窖原本是生產天然氣的地層,天然氣使用完畢之後,地層結構就變成儲氣窖,經過多次地震測試確定是相當安全,可見台灣已有將氣體儲存地層的能力,因此二氧化碳地質封存理論上是可行的,但台灣有哪些碳封存的結構呢?

首先是煤層,煤本身會吸收二氧化碳,又有很多孔隙,但台灣沒有煤層;再來就是油田,台灣一樣缺乏大的油田;第三個就是已經開採完畢的天然氣層,這是有可能可行的;第四個是鹽水層也許可以。

但即使可行,我們如果要進行碳封存,首要之務是與當地居民妥善溝通,當地民眾也必須完全參與了解達成共識,民眾擔心的點有幾個:會不會發生地震、會不會外漏等等,科學家一定要好好與民眾說明與溝通。


【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

關於作者

Pansci實習編輯,無法抗拒吸收冷門知識時的生理快感,興趣是利用科學理論煉成料理。 有一天突然發現如果用心理學理論解釋人類行為能降低對於人與人之間衝突的恐懼,因此對心理學和傳播理論特別有興趣。