2014年3月27日

全球新能源的展望—頁岩氣

作者/甘魯生(任職於中研院化學研究所)

頁岩氣以其本身優越的條件及外在先進的技術,創造了開採和使用的契機,人類可藉其豐富之蘊藏量過渡到再生永續能源之普及。

美國著名科學期刊Science 主編瑪西婭. 麥克納特(Marcia McNutt), 在去(2013)年11 月號社論提到,依美國能源資訊署(US Energy Information Administration)資料顯示美國自身產生的能源已超出進口數量,原油生產亦達到1991 年來的新高。她期望推動此巨大變化的頁岩氣,成為通到將來的橋樑,而不是暫時的支撐。相信她的評論會引起科學界對頁岩氣的更深入的研究,也意味著一場能源供需版圖的重劃,在國與國之間已悄然進行,對我們未來的影響既深且鉅。
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石化燃料包括煤、石油和天然氣,這三樣的存量都在日益減少,而造成了全面的恐慌。伴隨而來的是價格上漲,影響了生活的開支。然而頁岩氣(shale gas)的發現,舒緩了部份能源枯竭的焦慮。為便於區分起見,我們稱前者為「正規」石化燃料,後者為「非正規」石化燃料。非正規石化燃料除頁岩氣之外,還有水合甲烷(methane hydrate)、來自密封砂岩(tight sandstones)之天然氣,及來自煤碳層的甲烷。本文著重頁岩氣的介紹。

在數億年前本來是海床的沙石碎屑,逐漸沉積一層由河流帶來的有機物,之後因地球板塊碰撞及造山運動,以幾億年時間在這層沙石上又鋪上一層層岩石。沙石碎屑被壓成薄片狀的頁岩層,其性質軟脆、易裂,被埋在裡面的有機物則經過高壓及地熱,而分解成包括天然氣的碳氫化合物。頁岩氣和正規石化燃料不同,後者存留在地層較淺的油(氣)田(reservoir)中,而前者則分布於細密的頁岩小孔及縫隙中,需要將岩石打碎才能將困住的氣體釋放出來。

革新的技術:水平鑽井及水力裂解法
頁岩氣早在1821 年就在美國紐約州佛里多尼亞(Fredonia)被發現。第一個井是手工挖的,約有8 公尺深,所產的氣體可供四間店鋪及一個磨坊使用。這種出現在地表的頁岩僅是特殊的例子,通常頁岩層出現在約3000 公尺地表下,要比正規能源的礦深得多,所以以往開發深層頁岩氣是不符經濟價值的。直到1973 年發生第一次能源危機,美國政府考慮到正規石化能源面臨枯竭的危機,才開始發放大量研究經費及給予業者各項租稅優惠措施。在雙管齊下的措施鼓勵下,頁岩氣的開發才完全改觀,而目前美國是唯一達到商業化量產的國家。

導致改觀的關鍵技術是「水平鑽井」及「水力裂解法」(hydraulic fracturing)的應用。根據環境分析師羅傑海洛賓(Roger Harrabin)在美國路易士安那州海恩斯維爾(Haynesville)的氣井現場實地採訪報導,描述頁岩氣的開採過程:首先要鑽一個直徑約23 公分、深約3.8 公里垂直於地面的孔洞達頁岩層,接著在礦層鑽一個直徑約13 公分、長約1.3 公里的橫向孔洞。工作完成後地面上鑽孔設備就撒走了。

接著上場的破裂組將所謂的「穿孔槍」(per gun)送進孔洞中,它是塞滿一串爆炸物的有洞鋼管,爆炸物能將周圍的頁岩層炸出約50 公分,如針織般密布的縫隙。接著16 輛巨型卡車會將約531 大氣壓的水、細砂、潤滑及防腐化學物,壓入橫向的孔洞中,沙子剌入破縫中撐開了頁岩的縫隙,藏在頁岩裡的氣體就會被釋放出來,並沿著鋼管孔洞來到了地面(圖一)。至此卡車的任務也收工了,地面上被清得乾乾淨淨,就像在森林中出現一塊約1 公頃的空地。出氣量在一年半到二年達到最高峰後逐漸下降,可延續至少十年。
圖一:水平鑽井及水力裂解法鑽取頁岩氣示意圖,
左邊的尺標以呎為單位,一呎約為0.3 公尺。
(圖片來源:美國能源資訊署網站,Al Granberg 原繪,作者中譯)

頁岩氣的優點
使用天然氣的好處是比燃燒其他石化燃料(煤或石油)乾淨,也就是產生的溫室氣體較少,具體比較如下表所示。
表:天然氣、煤和石油燃燒產生溫室氣體量之比較
(資料來源:美國環境保護署)

天然氣不但產生二氧化碳之量是煤的一半,其他溫室氣體的產生量更是微不足道。對緩和全球氣溫上升有積極正面作用。不過煤的最大優點是價格便宜,所以各國火力發電仍以燒煤為主。頁岩氣的量產有使原比石油便宜的天然氣價格再下降的潛力,比如說美國天然氣的價格已下降約50%,現在和煤的價格已經逆轉了,只是所佔的比重仍比煤少得多。

存量分布與各國發展
截至目前為止,全球頁岩氣儲存量估計共6572 兆公升,其主要集中於圖二這幾個國家。以現代耗能的速度來算,頁岩氣足夠撐250 年。雖然不能說高枕無憂,但可救燃眉之急是確定的,也可以說目前情勢相當看好。
圖二:全球頁岩氣儲存量。
(資料來源:美國能源署2011 年4 月5 日公布)

美國
美國石油及天然氣一向靠輸入,而受制於並非友好的輸入國,因此在發展新能源上不遺餘力。美國境內許多州有頁岩氣礦,除了上述之路易士安那州外,馬塞勒斯(Marcellus)礦區也開發多年。此礦區橫跨紐約、賓夕凡尼亞及西維吉尼亞三州,總面積約23 萬平方公里。資料顯示截至2012 年8 月僅賓州一州就有6400 口井在運作,另有2500 口井領到了鑽井許可証。僅2011 上半年此區就產出了約1.2 萬兆公升的天然氣。還有一處積極開採的是北達科達州的威利斯頓市(Williston)的頁岩氣(及油)。

頁岩氣的發現及開採對美國而言是百年難得的機會,它改變了對進口燃料的依賴度,比如說美國在2008 年進口天然氣為13%,到2035 年可能僅剩1%,不但能自給自足還可能變為輸出國。

加拿大
加拿大的能源不但自給自足,而且是世界第三大天然氣輸出國。頁岩氣的儲存量雖不若美國,但存量亦豐。若在正規礦脈日益枯竭情形下,加拿大經營頁岩氣也是必然之事。尤其在魁北克發現頁岩氣田之後,將來東部可不必依賴西部省來輸入天然氣,自然比較節能。可能的隱憂是會失去美國這大主顧。為因應此不利情勢,該國能源部已著手在西部建立出口站,將天然氣賣到遠東來。

阿根廷
南美洲的頁岩氣存量亦豐,遍布阿根廷、巴西、哥倫比亞等國家,目前除了阿根廷之外,其他國家都不積極開採,這是因為阿根廷是天然氣輸入國(來自玻利維亞及卡達)。經2011 年一項調查指出,阿國距能生產頁岩氣還需四至五年。頁岩氣低廉的價格將帶來經濟上的利益,在政治上爭論不大,開發頁岩氣於是得到了政府全力支持。

西歐
西歐國家如挪威、瑞典、德國、法國、荷蘭、英國等都有礦脈,總存量亦多。跨國合作的探測工作已經著手進行,不過礙於法令及環境保護的各項規定,比如說法國禁止使用水力裂解法,連研究都不能做。因此大規模的開採仍為未知之數,可確定的是在短期內不會發生。

英國是西歐對開採頁岩氣比較積極的國家, 有黑潭(Blackpool) 和門迪普(Mendip)二處在開採頁岩氣。黑潭曾因開採可能引發輕度地震而暫停開採,然而在考慮能源自主的因素下,英國國會組委員會重啟調查,發現地震和水力裂解沒必然關係,因而在2012 年12 月13 日由能源部長艾德戴維(Ed Davey)宣布黑潭的開採重新啟動。

東歐
波蘭是東歐頁岩氣儲量最多的國家,希望發展頁岩氣來擺脫對天然氣輸入的依賴,但亟需外國(比如是美國和西歐)投資。土耳其和烏克蘭也有一些,不過俄國的政治家公開高調的強調開發頁岩氣對環境的影響。這可能是因為俄國是天然氣最大的輸出國,頁岩氣的開發自然對俄國不利。烏克蘭是俄國輸出天然氣進歐洲的轉運站,所以立場和俄國相同。不過俄國有一部份人認為頁岩氣有潛力,俄國國有氣油公司和美國愛克森(Exxon)就開發頁岩氣的技術和經驗上簽署成戰略伙伴。所以東歐國家兩邊押寶,希望將來只贏不輸,但目前沒有積極的具體動作。

亞太地區
澳洲是頁岩氣儲量豐富地區之一,不過澳洲人口少,目前對頁岩氣的需求量也少,所以開發頁岩氣主要為輸出。藏氣的地點大都是荒僻偏遠地區,由於運輸之液化氣體設備昂貴,以及靠近東部人口密集地區有密封砂岩之天然氣生產地等種種因素,使澳洲可能在10 年內不會生產頁岩氣。到荒野偏遠地區採礦成本固然高,但相對的人為的阻力也比較小,無疑是未來開採的一項大利多。

中國
和先進國家相比,中國在頁岩氣上是後起之秀,2010 年才開始探測,儲氣量之高為全世界國家之冠。中國對此數據的態度是野心勃勃,想利用此非正規的能源在2020 年補足所有能源缺口,實際做法是成立五年計畫並立即行動。中國石油天然氣股份有限公司(PetroChina)已和殼牌石油(Shell Oil)成立戰略伙伴關係,以取得技巧和技術。此項急進行動始於2010 年,年底在四川共開掘約15 口井,到了2011 年10 月每日可生產二百萬公升頁岩氣,而去(2013)年底已急速竄升到270 億公升!

不過鑽井取氣在中國還是嬰兒期,各種規章架構尚未建立,中國政府歡迎西方公司繼續做探測工作並提供先進技術。目前的困難是四川的地貌結構和美國不同,所以先前的經驗並不能完全套用於四川。另外四川是農作區,頁岩氣作業的大量用水排擠了農業的發展,當地的居民有很大的排斥性,也增加了困難。

風險與解決之道
非正規之頁岩氣的產地也是非正規,幾乎所有的產地都不產石油和天然氣。發展頁岩氣等於能源控制的大搬風。若原來的能源輸入國可以自給自足,甚至於可以輸出的話,那麼原來的輸出國就必須另謀出路。因此出現了許多期待及焦慮,讓已經非常複雜的國際情勢變得更為詭譎。比如說輸出國若在適當時機抬高能源的售價或切斷供應來干涉別國內政,同時也會擾亂了市場及社會安寧。

投資的風險亦大,開掘頁岩氣需長時的探勘及後續工作,可能受到未預期的干擾。投資的回報時間漫長、風險亦大,另外要注意的是小公司無法獨自開發,這一點個人投資者須特別留意。

以上的人為因素不可預期,但下面要談的是安全、對環境可能的風險及因應之道。

恐汙染地面及地下水
當水力裂解法操作時,除水之外還打入潤滑劑(減少阻力)、抗蝕劑(保護機具)及抗生物劑(防止生物在機具內滋生),總量少於1%。量雖然少,但這些化學物品還是有可能汙染土地和地下水源。其原因是用於水力裂解的水約有10~30%會隨抽出之氣體返回地面,業者稱之為「回流」(flowback)(圖一)。目前,回流的水可就地暫時儲存,或由水車運到廢水處理廠。

另外的疑慮是鑽的孔洞可能穿過或接近地下水源(離地表約30 公尺),目前業者至少使用二到三層鋼管套在一起,鋼管之間灌水泥來增加強度,防止鋼管破裂及氣體滲出。

排擠水源
水力裂解法每一次破裂需1.1~1.9 千萬公升的水。以賓州為例,水來源有65%來自河、溪流及湖泊,剩下的35%係向地方政府購買。水注入地下後除了回流外其他將存留在地下,所以在缺水的地區會不會排擠到其他用水是一個考量。賓州採頁岩氣業者在2011 年的用水量,是全州每日用水(9.5 兆公升)之0.05~0.08%之間,若換到乾燥的內華達州,此數字升至0.17~0.27%,所以對缺水地區的衝擊較大。在缺水地區只能儘量少用水以及將回流之水再利用,研究如何將用水減量也是當務之急。政府部分可以立法限制取水的地區及回收回流水,比如說賓州規定回流水中含有多於百萬分之五的溶質時必須經過處理。

引發地震的疑慮
水力裂解常撐出幾百公尺的裂縫,及頁岩氣釋出時氣化產生的壓力,都可能引發微地震。上述在英國黑潭曾發生過地震,雖然後來認為並無關連,但無論如何是一項隱憂。防止之法是在開始鑽井之前要瞭解當地之地質,模擬水力裂解對地層之影響,才可保護水源及防止地震。

井區對生態的影響和零星事件
鑽取頁岩氣和其它礦業一樣破壞了地面的生態,但是相對起來鑽取頁岩氣破壞的面積甚小。賓州的做法是二口井共用一個平台,佔地約2~3 公頃,路州也相似。在開挖時有人員及器具會進駐,但完成後器具全部撤離。所有的井全由位於休士頓的總部管理,工程人員在電腦螢幕上,由3D 造像圖可隨時監看(全世界)任何一口井中的任何一根管線。所有的控制指令由指揮中心下達,所以不需人員駐守,自然也免除了人類長期在該活動所造成的汙染。

不過零星事件仍有發生,在路州什里夫波特市(Shreveport)一家牧場的乳牛,喝了回流的水而暴斃;在紐約州靠近鑽井附近的住家,打開連通地下水的水龍頭後有氣體噴出,而且可以點火燃燒!居民將事發原因歸咎於頁岩氣井,最可能是甲烷溢出。但業者極力否認,表示若是有也是意外,也就是非普遍也非長久的現象,鑽取頁岩氣的技術及各項措施本身是安全的。

壓擠其他能源的經費
根據一項對石油及天然氣業界的非正式調查,有七成以上的業者認為發展較低廉的頁岩氣,會擠壓到再生能源(生質能、日光能、風能、地熱能、海洋能等)的發展。理論上非正規能源也有用盡的一天,為能永續,發展再生能源才是治本之策。不過低廉的頁岩氣降低了人們對昂貴的再生能源投資的意願,需要政府利用立法方式,由頁岩氣利潤中撥經費專款補助再生能源項目,亦應有長期發展再生能源的政策。

社會的反應
民眾對鑽取頁岩氣的疑慮有汙染了水源、毒死了家畜、破壞了景觀及妨礙了生物能源發展等,尤其前三樣直接和當地居民生活息息相關。為了保護家園,群起反對是意料中事。因此在人口集密地區發展頁岩氣的阻力甚大,若是要做應通過良好的公民協商。

若在偏遠地區則是另一番情景。比如說美國路州海恩斯維爾郡原是林場,經濟活動以輸出木材為主。自頁岩氣開採以來,許多頁岩氣井所在地的地主因此得利成了百萬富翁,同時也為地方創造了就業機會。此現象在北達柯達州威利斯頓市尤為顯著,此市地處盆地,地下3200 公尺下是所謂的巴肯形成層(Bakken Formation),厚約40公尺,含豐富的氣及油。但這地區一直是個窮地方,政府負債,人口外流。自5 年前以水平鑽井法及水力裂解技術開採後,創造了就業機會,人口由1.2 萬爆增到3 萬人。大量的建設得利於增加的稅收及投資,一片欣欣向榮的景象,於是贏得「興旺之城」(Boomtown)之美譽。所以頁岩氣(及油)的開發在這些地方是雙贏的局面。

我國的現況
臺灣是否有頁岩氣還沒有定論,正反的說法都有,但沒有開採價值應是共識。不過政府及民間仍相當重視頁岩氣的發展,去(2013)年工業研究院邀請了學者、美國化工業者、中油、台電及工研院人員,一起為頁岩氣的掘起出謀劃策,而開了個座談會。與會人士一致認為如果頁岩氣生產國(如美國)增加,原輸出國(如加拿大)必須另謀出路,尋找新主顧,將來我國的天然氣進口國選項也將增加,是一大利多。因此國內目前使用的能源設備也必須配合,迎接這個新時代。

經濟部能源局在《臺灣自美國進口頁岩氣之可行性》報告中指出,臺灣是海島,無輸氣管和其他大陸連接,所有氣體必須液化(liquefied natural gas, LNG)後以船運送。我國只有中油公司擁有在永安及臺中兩座進口LNG 廠。2012 年共進口1250 萬噸天然氣供火力發電,已達到最大容量。若要輸入頁岩氣可能要增建第3 座廠,估計一座廠設置約需10 年。

報告分析若由位於墨西哥灣的美國路州卡麥隆港(Port of Cameron,此港專為輸入天然氣而建。建成後情勢逆轉,業主申請改為輸出港,程序可能在2017 年完成)輸入氣體的話,經巴拿馬運河(還要等運河拓寬後,目前不允許LNG 船通過)到臺灣航運約60 天,比現由卡達26~30 天、由印尼或馬來西亞10~15 天為長。運費貴及調度難抵消了頁岩氣價格低廉的優勢,結論是目前不宜。

筆者認為若自加拿大西部進口則無上述的缺點,另一大優點是這地區的國家政治十分安定,尤其加國將在西部設輸出港口,早些做點雙邊投資是上策。

結語和展望
設想到了2050 年人口達到90 多億(現為70 多億),開發中國家的進步使得全球能量的需求要比2007 年多出40%。明顯的傳統的石化燃料無法應付這些需求,發展新能源為必須因應之道。頁岩氣存量豐富,幾乎到處都有,燃燒比石化燃料乾淨,所以是非常具潛力的世界新能源。目前有高達93%的能源業者認為要發展頁岩氣,比如說澳洲的必和必拓集團(BHP Billiton),就在2012 年投下45 億美元在頁岩氣之發展上。

如上所述,所有的能源開發也有安全及環境危害之虞,所以也有經濟發展和環境保護兩難的情形,如何解決這些困難為當務之急。建立制度和美化環境來減少地面的汙染,這一點只要花點心思,是最容易做到的。

一項對能源業者經營人的調查發現,改變大眾的負面意見及增加對頁岩氣的信心至為重要,因此要對上述幾點提供切實可行的因應之道,才是執政者及經營者應銘記於心的。

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