【還能怎樣】徐盺煒：頁岩氣革命對能源發展之影響

文／曾泰琳｜台灣大學地質科學系

隨著國際油價的上漲，人們不斷努力尋找石油替代能源或是精進探採技術以提高產能，終於在 1990 年末於北美地區成功開採頁岩油氣並開始量產。開採過程中的關鍵步驟之一是將加壓液體灌入地底，使緊實的頁岩層產生微小裂縫，再通過這些相連通的孔隙將底下的油氣沖洗（flush）到地面上蒐集，這種高端的技術稱為水力壓裂法（hydraulic fracturing），此原理也常被應用在地熱能源的開發以加強地熱流通量。雖然水力壓裂技術已存在數十年，也一直有所改進，近期學者們卻開始對這種破壞岩石的開採方式表示關切，因為在這些生產區已出現一些「不尋常」的地震活動。

美國中部地區的統計結果顯示地震在近幾年有明顯暴增的跡象（下圖）。規模大於等於三的地震數量由 1973–2008 年間平均每年24 個增加到 2009–2014 間的 193 個，而現在單是 2014 年就有 688 個地震發生。地震發生頻率增加的地方並不是隨機的，而是在特定的區域，許多是油氣開採作業區附近，有的則鄰近回收水灌注井（wastewater-injection well），因此懷疑地震是人類活動引起而非自然發生。雖然被懷疑為觸發的地震其最大規模都在 4.5 至 5.5 之間，在台灣只能算是中型有感，但在平常沒什麼地震活動的美國中部就顯得相當突兀，也有一些災情傳出。要分辨人為與天然地震並不容易，需要好的佐證資料，提升對小地震的偵測能力。

這幾年來陸續有學者針對油氣開採區做詳細的地震觀測，想要藉此了解注水與地震的關係及特性。以美國 Ohio 的 Township 為例，2014 年的地震群在其發生的空間與時間皆可跟水力壓裂工地的施作對應上，於是可以認定地震是被誘發的，而觀測到的地震規模普遍都在芮氏規模三以下。

最近 2015 年 1 月 23 日在加拿大 Alberta 的 Crooked Lake 則發生了一起芮氏規模 4.4（地震矩規模 3.8）的有感地震。加拿大學者試著監控井壓及地震活動的變化，將地震以雙叉分法（double-difference）精確定位，結果證實 2011~2013 年的群震活動在附近數公里外之作業井施行灌注的時間相符，兩者時間序列的交互相關高達 99%，井壓大約 60 MPa。隨後該區又在 2015 年 6 月 13 日發生一起同樣規模的地震，顯然類似的活動可以不斷發生。

從斷層面解來看，這類地震都比較像是屬於剪切錯動型態的地震，並沒有很強的體積變化或非力偶分量。地震規模及數量則可進一步推求 b 值（即大地震與小地震的數量比關係），這些地震的 b 值估算約為 0.8–0.9，與水力壓裂產生裂隙所直接造成的地震（b 值 ~2）不同，因此一般相信這些地震可能是原已存在的老斷層被觸發而引起錯動。

到底水力壓裂如何影響地震的發生呢？斷層錯動需要達到一定的有效應力人為的影響（無論注水或抽水）都可能造成應力與孔隙壓力的變化，當剪切力上升、正向力下降、以及孔隙壓力增加之時較容易達到斷層破裂（或錯動）條件而引發地震。一般來說地震誘發可以是發生地本身的應力受到擾動，也可能是距離較遠的觸發，兩種狀況都被發現過。誘發地震發生時會釋放原本累積在斷層上的大地應力（tectonic stress），跟天然地震其實沒什麼不同。

那麼這種被誘發的地震規模能到多大呢？這個問題目前尚未有定論，原本 2015 年初所發生的 Alberta 地震被認為是加拿大觸發型地震中規模最大的一個，沒想到 2015 年 8 月時又出現一個更大的類似地震在加拿大 British Columbia，規模為 4.5，而 2011 年美國 Oklahoma 中部所發生的規模 5.7 地震也被懷疑與注水有關。由於這種利用注水壓裂岩石的方法在開採工程上已經變得相當普遍，站在地震危害的角度來說，未來應要持續評估它對環境所可能產生的影響，謹慎看待。

資料來源：

• Ellsworth (2013) Injection-Induced Earthquakes. Science, 341, doi:10.1126/science.1225942.
• Rubinstein and Mahani (2015) Myths and Facts on Wastewater Injection, Hydraulic Fracturing, Enhanced Oil Recovery, and Induced Seismicity. Seismol. Res. Lett., 86, 1060-1067, doi:10.1785/0220150067.
• Schultz et al. (2015) Hydraulic Fracturing and the Crooked Lake Sequences: Insights Gleaned from Regional Seismic Networks. Geophys. Res. Lett., 42, 2750-2758, 10.1002/2015GL063455.
• Skoumal et al. (2015) Earthquakes Induced by Hydraulic Fracturing in Poland Township, Ohio. Bull. Seismol. Soc. Am., 105, 189-197, doi:10.1785/0120140168.

本文轉載自「星期五的地質– Friday Geology」，由中華民國地質學會授權轉載。

今年 2015年 7月 1日，位於龍門的核四廠正式封存。這座三十幾年來於興建過程中曾停建再復建的核能發電廠，尚在測試階段，未曾正式啟用，就進入三年的封存計畫。近年來，核四爭議遲遲未能停消，反核、擁核的爭論也未曾平息。

能源議題無庸置疑與我們的過去、現在跟未來息息相關，關於能源的使用跟發展，我們還「能」怎麼做呢？

由工業技術研究院、PanSci 泛科學與經濟部能源局聯合主辦的還「能」怎樣—公民的能源通識課，一共有八場，全台跑透透，而首場就在8/6於台北正式開跑。這次講座的講者總共有兩位，分別是 PanSci泛科學的專欄作者 廖英凱以及成功大學資源工程系副教授 謝秉志。

這次邀請的兩位講者，對於能源議題的知識領域各有所長。廖英凱介紹一般民眾較為關心的台灣再生能源（風力、太陽能、海洋能、地熱能）及非再生能源（火力發電、核能）發展及現況；講者謝秉志則介紹較不為一般大眾所熟知的非傳統能源─（非傳統）油氣能源（頁岩氣、油砂、天然氣水合物）的潛力和發展。

由核能議題探討台灣能源供應狀況──廖英凱

能源議題分成三個面向 – 經濟、政治社會、安全 ，期中最能以科學角度解釋的便是安全問題,它主要又可分成兩部分 :

一、發電方式是不是安全的？
二、發電方式的相關產物是不是安全的。

其中，大家最關心的當然就是核電問題，我們可以用幾個簡單的問答來

Q：核電廠在極端的狀況下會發生核爆嗎？
A：不可能。

因為要產生核爆，要足夠多的中子撞擊，而核電廠所使用的鈾235濃度過低，用產生核爆所需的臨界質量是人類無法企及的無窮大（最左邊的紅線）；既然不可能達到幾何級數般的連鎖反應，自然也無法產生核爆。就像啤酒不能燒，但酒精濃度較高的高梁酒、藥用酒精是可以燃燒的道理類似。

Q：既然低濃度的鈾 235無法核爆，核電廠的能量從哪來？核電廠的核分裂怎麼發生？
A：核電廠用低濃度的鈾 235，運用精準控制中子數量和速度（還要叫中子慢一點），讓中子撞擊產生的核分裂足以引發下一次撞擊。

Q：福島核災的爆炸是怎麼一回事？
A：那不是核爆，是比核爆等級小得多的氫爆，但是氫爆把反應爐廠房炸開導致輻射外洩。

Q：人類在地球上已經丟過多少顆核彈？
A： 2053 顆。

核廢料主要分為兩種 : 高放射性廢棄物與低放射性廢棄物。高放射性廢棄物也稱作「用過核子燃料」、「乏燃料」，全部源自於核能發電產物。這些發電產物的處理程序大概是 :

1.從反應爐取出。

2.濕式貯存（貯存在核電廠的水槽裡冷卻）五年以上。

3.轉乾式貯存四十年（臺灣目前處在這個階段）。

4.尋找適合之深地質永久貯存或是回收再利用再處理。

另一種比較常見的低放射性廢棄物，主要也是來自於台灣的核能發電（包括核電廠除役的建材），其他醫療、工業、農業及學術研究。

相較於高放射性廢棄物，低放射性廢棄物的處置方式比較簡單 : 先固化封裝（包含金屬或粉末，都會先水泥化再放進桶子裡）、再設計一些工程結構或埋在地質障蔽（例如小山丘），尋找近地表處置或坑道存放。目前政府也想另尋較低爭議的低放射性廢棄物貯存地，有在考慮台東縣達仁鄉及金門縣烏坵鄉，但目前進度仍止於徵詢地方意見。

台灣再生能源發展狀況

若不想用核能發電，我們還有什麼其他自然資源可以運用在發電上呢？河川、風力、地熱、海洋能（洋流發電、溫差發電、波浪發電、潮汐發電）、太陽能等再生能源雖然發展前景看好，但是在發展這些自然資源的同時，也別忘了它們的發展阻力。

．水力發電：會影響河川生態。

．風力發電：受季節性影響，台灣夏天風小冬天風大，發電高峰和用電高峰錯置。除此之外，也可能帶來環境公害：噪音、陰影，甚至影響沿海生態。

．地熱發電：開發地都位處森林、山區及偏遠地區，有水土保護疑慮，目前的計劃案都停留在環評未過的階段，也還有管路結構和高溫鑽探等技術層面的問題仍待克服。

．洋流發電：設備必須符合防水、抗侵蝕，加上海底地形造成施工難度高，加上易受颱風來襲時可能造程設備損壞，建設完成後也可能造成漁業生態浩劫及航安問題。（地熱及洋流發電在台灣要進展到可以實際投入發電的階段，可能尚需5到10年的時間）

．太陽能發電：夜晚和日照不足其他的替代能源。另外，太陽能板的構造為半導體，製程有產生污染之疑慮，雖然在台灣尚未發生，但大陸已經有相關汙染事件

據工研院能源局及綠色公民行動聯盟的報告指出，再生能源發展未來潛力有限，在2025年，再生能源也。若是想要非核家園，以德國2013年的一周（7/1~7/7）用電量為例，白天太陽能發電約占總發電量1/3，然而大部分的發電量還是倚賴火力發電。回到台灣，若是在再生能源全力開發後，再加蓋2~5座台中火力發電廠的發電量，想必就能解決用電問題。但提到火力發電，就絕不能不提煤碳燃燒產生的空氣汙染、氣候變遷、全球暖化及全球暖化後續帶來的問題和影響。

以比爾蓋茲提出的公式：CO₂ = P × S × E × C（人類產生的排碳量 = 人數 × 每一個人使用的服務 × 這些服務所消耗的能源 × 以及生產這些能源所產生的二氧化碳）這個公式來思考，隨著全球人口數目、科技的發展，全球暖化和氣候變遷的問題恐怕難以避麵，雖然許多人都說要發展再生能源跟綠能，但以臺灣的環境而言，未來能源並不是個容許無限想像的問答題──恐怕是一個選擇非常有限的選擇題。

油氣能源的現在與未來──謝秉志

呼應比爾蓋茲提出的 CO₂ = P × S × E × C 公式，因為世界人口只會增加，經濟、科技的發展也需要許多能源，對於能源的需求只會越來越高，儘管大家都希望再生能源的發展可以讓化石能源比例壓低，根據一些比較有權威性的報導，在 2035年時，除非再生能源有突破性的進展，化石能源預計還是會佔七成。

其中，油氣資源主要可以分作兩大項：傳統油氣資源和非傳統油氣資源，非傳統油氣資源比較有名的例子，包含美國的頁岩氣、台灣有可能發展的天然氣水合物和加拿大的油砂。

非傳統油氣資源──頁岩氣、油砂

首先是這兩年最火紅的頁岩氣。顧名思義就是從頁岩岩層裡所開採的天然氣，在過去，因為技術層面的問題，導致頁岩氣資源難以被運用，但是在水力壓裂法（Hydraulic fracturing）技術日益成熟後，各國也重新開始省視頁岩氣的可能性。

例如：美國因為成功地商業化開採頁岩氣，已經是全世界最大的天然氣生產國，預計到 2040年，美國有將百分之五十的天然氣會來自頁岩氣，到了 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。

接下來是最早出現的非傳統油氣─油砂。油砂是一種含有高粘度石油的砂子，必須要使用特殊方法讓它流動才能生產出來，，加拿大是唯一將油砂商業化開採的國家，也因此成為世界石油蘊藏量第三大的國家。

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，又稱可燃冰或甲烷氣水合物，天然氣水合物通常存在於海面下，必須派出探勘船進行震波測勘，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。

天然氣的開採說來容易，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 。問題是，在海域上鑽井要價不菲，成功率只有七分之一，總投入的成本更是可觀，所以儘管台灣的西南海域藏有全世界最龐大的天然氣資源，據推估大約有兩兆七千億立方公尺資源量，但礙於技術瓶頸尚未突破，眼前並無商業化的機會。

二氧化碳捕獲與封存

提到油氣資源，不免就得一併提到碳排放的問題。二氧化碳封存的概念其實很簡單，就是「從地下來，回到地下」，在自然界也有非常多的例子。在美國有許多濃度超過百分之九十純二氧化碳氣層，在地底存放了上百萬年，也沒有發生任何意外。

台灣目前已經有相當成熟的地下儲氣技術──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，可見二氧化碳地質封在台灣技術上已經是可行的了。

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。

2015年 Pansci Talk：還「能」怎樣─公民的能源通識課高雄場，熱烈報名中！

紀錄：羅紹桀

近來太陽能光電的成本逐近下降，政府也積極推動「百萬屋頂計畫」，到底台灣有沒有可能利用太陽光電填補能源缺口，又該不該裝太陽能屋頂呢？

國立高雄應用科技大學的艾和昌老師將與我們分享光電能的現在與未來。

艾和昌：光電能的現在與未來

太陽光電能填補能源缺口？

太陽光電到底能帶來甚麼幫助呢？為了解答這個問題，艾老師調出了2011年8月18號尖峰日的電力系統負載曲線圖，那天是大暑，我們發現當天用電尖峰是33.7GW，我們看到各種電力的分布中核電的部份穩穩地持續負載5GW的電量，如果加上核四2.7GW總共7.7GW，火力也是穩定的，其實我們台灣最怕的就是用電尖峰，我們有幾個發電機組是為了一年之中最高尖峰的幾個小時存在的，而這些機組動輒好幾十億，非常划不來。

這跟太陽光電有甚麼關係呢？其實很簡單，我們預計到2030年太陽光達到6GW，剛好能補貼用電尖峰的用電。這是核四封存後可能的替代方案，但太陽光電有一個很明顯的缺點，就是只有白天能發電，晚上沒太陽就沒有電，目前太陽光電已經發展快二十年了，在台灣目前只有太陽能從最上游到最下游的產業都能自主，不像風力發電都是進口的修復技術，火力發電要進口煤等等。

太陽能車的歷史

說到艾老師本身在從事的課程，他拿起桌上的太陽能車，那只是一台模型車，有一台「真的」太陽能車在學校裡，其實太陽能車的原理相當簡單，就是太陽光的光能轉換成電能之後儲存在電池裡或直接推動直流馬達，車子就能前進，構造比汽油車還單純。

事實上太陽能車歷史久遠，甚至太陽能飛機在1980年就出現了，當時Paul MacCready在1980年把他的人力飛機加上了太陽能板，成為第一架太陽能飛機，所以太陽能飛機其實比太陽能車還早出現。兩年後才出現世界上第一台太陽能車，發明者是Hans Tholstrup，他原本是個冒險家，在中東戰爭造成能源危機時沒有人願意支持他從事「浪費石油」的冒險活動，於是他開始想，能不能使用最少的石油行駛最遠的距離呢？但他本身非工程師出生，所以一開始不知道怎麼做，直到看到新聞上Paul MacCready成功發明太陽能飛機的新聞後，才受到啟發著手製作世界上第一台太陽能車。那台車首次行駛就以每小時20公里的速度跑了4000公里，但時速還是太慢了，不可能做為將來的代步工具，因此他決定在1987年開始開辦世界太陽能車挑戰賽，地點都是從北澳開到南澳共3012公里，賽規要求所有的能源都必須來自於太陽，充電也必須用太陽能，艾老師本身也會帶著學生團隊每兩年打造一部車參賽。

至於太陽能車的製造則是從1987年美國通用公司開始重金禮聘Paul MacCready設計車型，造價100萬美金，之後世界各地的大車廠紛紛投資在太陽能車上，但最後都不了了之，原因是造價太貴消費者無法負擔，之後就是世界各大學校接續參加世界太陽能車大賽，每一屆戰況都相當激烈，1987年要得冠軍平均時速只要66.9公里，到2005年冠軍平均時速要到102.7公里，現在的比賽剛開始的速度基本上時速都定在140左右才有可能獲勝，可見太陽能車的時速已經與一般的車不相上下了。

未來太陽能的展望

1998年太陽電池一瓦要十塊美金，2010年太陽電池一瓦就只要一塊美金了，今年2014年一瓦只要0.3塊美金了，以往一部車要100萬美金，現在一部80萬台幣一定做得起來，所以太陽電池已經越來越便宜，而且台灣事實上是太陽電池的第二大生產國。

太陽電池生產過程有兩種，第一種是使用矽經過1200度旋轉長晶，稱為單方向結晶，另一種是使用600~900度，稱為多方向結晶，最後切片完畢就成了太陽電池，完成太陽電池之後再封裝成模組，可製成電廠使用、生活物品的使用等等。

現在在政府在推「百萬屋頂計畫」希望一百萬戶的屋頂上都有3KW的太陽光發電，以目前來說，每度電能回售給台電約八塊，如果屋頂裝5KW，一天發3.6度電，365天下來約可賣55000元的電費，投資成本約每KW7萬，預計八年就能回收。

【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。