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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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天然氣改變能源地圖

文/大衛‧羅特曼(David Rotman) 譯/羅耀宗

美國已在頁岩沈積物中發現數量龐大、燒起來乾淨的化石燃料,
因此引爆一波天然氣熱。
但這將如何影響我們使用能源的方式,仍在未定之天。


蓋瑞‧萊希(Gary Lash)一次擊碎兩片扁平的黑色岩石時,便知道散布在伊利湖(Lake Erie)畔的這個東西,有其不尋常的地方。它們很容易破裂,碎了之後散發烴那種淡淡的味道,和煤油很像。但是對於在附近佛雷德尼亞(Fredonia)的紐約州立大學當教授的地質學家萊希而言,擊碎岩石只是吸引觀光客目光的簡單把戲。從附近的絕壁伸出到狹窄湖濱的黑色岩層,才是叫他最感興趣的東西。

在萊希的專家之眼中,和湖濱大致平行,那條相當寬的黑色頁岩,透露了數億年來的地質史。三億五千多萬年前,有機腐植土落到涵蓋現在美國東部一大塊地方的淺海海底,形成了這片頁岩;它曾經埋在兩公里多深的地底,但逐漸升起到地面。現在,露出來的岩石顯現碎裂的型態。「我們已經證明,只有烴生成,才能形成這些斷層,」萊希說。

這裡是龐大的黑色頁岩沈積的邊緣,廣達數千萬英畝,位於紐約州西部、賓州西部和北部大部分地方,以及俄亥俄、西維吉尼亞、馬里蘭和肯塔基各州部分地方的地底。最古老和最深的一層稱做馬塞勒斯(Marcellus)頁岩,而如果萊希等地質學家的研判正確,它蘊藏足夠的天然氣,有助於改變未來數十年美國使用能源的方式。

專家現在相信,這個國家可用的天然氣,遠多於任何人三、四年前所想。估計值修正,主要是因為運用先進的鑽採技術,從頁岩抽取燃料在經濟上已經可行。而且,雖然馬塞勒斯是最近發現的,也可能是蘊藏量最大的頁岩天然氣,其他的天然氣也散布在美國各地。根據美國能源部能源資訊署(Energy Information Agency;EIA)的數字,美國一年消耗約23兆立方呎(TCF)的天然氣。總部設在科羅拉多礦業學院(Colorado School of Mines)的潛在天然氣委員會(Potential Gas Committee;PGC)6月發表的兩年一次評估報告,估計美國的潛在天然氣資源為1,836 TCF,比兩年前的估計值高39%。這還要加上能源資訊署計算的238 TCF「證實蘊藏量」(proved reserves;指在目前的經濟條件下可以生產的天然氣),和潛在天然氣委員會估算的未來供應量2,074 TCF。換句話說,以目前的消費速率來看,天然氣足敷美國90年之需。就算用天然氣完全取代煤來發電,美國國內的供給量也夠用50年。

科羅拉多礦業學院的地質和地質工程教授,以及潛在天然氣署(Potential Gas Agency;向潛在天然氣委員會提供技術支援的單位)署長約翰‧柯提斯(John Curtis)說,幾乎所有新發現的資源都在頁岩沈積物中,現在估計含有616 TCF的可採天然氣。單單阿帕拉契山脈盆地的供應量,經計算後就有227 TCF,而馬塞勒斯頁岩占了其中大部分。柯提斯更表示,他預期潛在天然氣委員會下次的評估報告,會「端出」更多的頁岩天然氣。

事實上,有些地質學家相信,馬塞勒斯和其他頁岩沈積物的天然氣供應量,甚至可能比潛在天然氣委員會估計的要豐富。萊希和賓州州立大學的同事泰利‧安杰爾德(Terry Engelder)於2008年1月估計,馬塞勒斯沈積物的可採天然氣數量是50 TCF。但這個地區初步的鑽探進行得相當順利,安杰爾德現在將可採天然氣供應量的估計值提高為489 TCF。如果估計正確,馬塞勒斯將是世界上第二大天然氣田,僅次於伊朗和卡達共有的一處龐大岸外蘊藏。

天然氣相對於其他的化石燃料有其優點。它燒起來比煤要乾淨,產生的二氧化碳少很多。由於火力發電占美國二氧化碳排放量的三分之一,至少取代一部分的火力發電用煤,可以顯著降低這方面的污染。另外,利用天然氣替代車輛的汽油和柴油燃料,也可望減輕美國對外國石油的依賴。

但是這麼龐大的天然氣供應量,會不會真的改變美國的能源消耗型態,仍在未定之天。煤大致上比天然氣便宜,因此依然是大部分電力製造商的首選燃料。同時,汽車和貨車製造商沒有經濟上的誘因,開始生產以天然氣為燃料的車輛,也缺乏充氣站之類的基礎設施。能源資訊署預測,聯邦政府的政策如不改變,未來數十年天然氣的需求會保持平疲。

華盛頓的自由派遊說團體、天然氣產業利益團體及環境保護團體,基於環境和國家安全利益上的各種理由,正在推動政策傾向有利於天然氣在美國的能源組合占有一席之地。如果這些團體能夠說服議員,在國會研議的聯邦能源法案中,獎勵增加使用這種燃料可能是很重要的一部分。華盛頓的鼓吹團體能源未來聯盟(Energy Future Coalition)執行主任里德‧戴特重(Reid Detchon)說,政策制定者以前認為天然氣是「沒落中的資源」,但是現在,有可能根據「你要多少天然氣就有多少」的觀點來制定能源政策。

「確切的數字到底是多少並沒有關係,」史丹福大學的地球物理學教授馬克‧佐貝克(Mark Zoback)說。「所有的數字都很大,意思是說,我們擁有極為龐大的國內資源,勢將在我國的能源未來扮演舉足輕重的角色。」他提醒,天然氣不是完整的解決方案,不過他說:「未來十或二十年,我們有可能完全不用煤,以天然氣為發電的主要燃料,並非是不合理的指望。我不認為天然氣是再生能源的替代能源,但認為在我們捨棄化石燃料的過渡期,它是到目前為止最好的燃料。」

天然氣國家

馬塞勒斯頁岩的天然氣鑽採熱,已經在賓州展開。根據賓州2009年夏天發表的報告,馬塞勒斯的鑽採活動,將在2009年產生38億美元,以及創造超過48,000個工作。合寫這份報告的石油和天然氣工程名譽副教授羅伯‧華生(Robert Watson)更表示,從沈積物開採天然氣的行業「尚處於嬰幼期,這是全新的產業。」

華生說,該州不只60%到65%的地底含有天然氣,許多最為看好的開採地區,現有的管路正好通過附近,所以輸送到全球最大的天然氣燃料市場,也就是美國東北地區的成本很便宜。「有些管路剛好就在馬塞勒斯頁岩心臟地帶的上方,」他說,「有了天然氣井,然後又有(管路)直通紐約市。」華生預測,在這片頁岩一百年的開發期內,天然氣鑽採會產生1兆美元,並在2020年之前為該州創造約12萬份工作。「賓州有潛力成為天然氣的石油輸出國家組織(OPEC),」他說,「這真叫人目眩神迷,對賓州經濟的衝擊,將是鋼鐵工業崩潰以來不曾見過的。」

他的說法聽起來誇張,但等你到賓州西南部一遊,就不得不信他的看法是有依據的。賓州西南部以生產鋼鐵和挖煤出名,可是鋼鐵工業歷經艱困時期,留下不少廢棄而生鏽的工廠,以及直到最近的經濟困頓。但這一陣子,全新的四輪驅動輕型貨車和重型工業鑽採設備,馳騁在鄉村道路上。在起伏的山巒和小型農場之間,點綴著數十座新的天然氣井;偶爾會有一座高高的鑽塔,俯視著山嶺。

設在沃斯堡(Fort Worth)的藍吉資源(Range Resources),是帶動賓州天然氣熱的公司之一,2004年率先在馬塞勒斯頁岩鑽採商業氣井。匹茲堡南方約45分鐘車程處,藍吉的一處鑽探地點,有座造價數百萬美元的巨大鑽塔,在寧靜的農地之間拔地而起。這座鑽塔將鑽探六口氣井,相隔只有幾呎;完成一口氣井的鑽探之後,液壓千斤頂會抬起數噸重的設備,「走」到下一口氣井的位置。鑽探地點旁邊是用塑膠圍起的小池子,裡面裝滿從氣井噴出的污泥和岩屑。

深鑽
深鑽

藍吉和其他的天然氣生產商,用的是過去十年德州東北部的頁岩氣田所用的鑽探技術。在充當工地辦公室的拖車內,鑽探作業的複雜性一覽無遺。一面牆上掛著一張鑽探計畫圖。鑽頭將往下一千多公尺,穿經各式各樣的沉積物。然後,在約275公尺的一段距離內,它會慢慢旋轉90度,好在約2,000公尺處,進入馬塞勒斯頁岩層時,可以水平行經富含天然氣的岩石。鑽探工人可以控制鑽頭的位置在幾公分之內。鑽頭將追蹤馬塞勒斯岩層長達1,600公尺。這種水平法十分重要,因為這麼一來,氣井才能開採頁岩層的廣大區域。鑽探地點的幾口氣井最後會散布鄉間的地底,從廣達幾百英畝的頁岩抽取天然氣。

整個作業最棘手的部分,是在鑽探完成,巨大的鑽塔移除之後。不少專業設備將進駐,包括數十輛運水車,前來執行水力壓裂刺激(hydraulic fracture stimulation)或者水力壓裂(hydrofracturing)的一個作業程序,以很高的效率促使天然氣流進氣井。雖然馬塞勒斯頁岩飽含天然氣,岩石卻將烴緊緊封住。為使天然氣釋出,工程師將強灌數百萬加侖的水到氣井,以高壓進入頁岩。如果順利,在水回抽之後,天然氣將衝出頁岩,進入氣管。

這個過程有如對地質奇跡和鑽探工程師聰明才智的禮讚。馬塞勒斯頁岩和伊利湖畔的黑色頁岩一樣,到處是數百萬年前,因為新現的烴氣擴張,而形成小型天然斷層。高壓水混合著細沙和化學添加物,能夠擴大這些裂口。結果是:100公尺或更長的岩石破壞之後,出現天然氣能夠穿透的區域,然後湧進氣管。

很久以來,萊希和安杰爾德等地質學家就知道阿帕拉契山脈盆地的黑色頁岩含有大量的天然氣。其實,美國的第一座天然氣井,是1825年在紐約州的佛雷德尼亞鑽採的,距伊利湖才幾哩;那時用木管輸送燃料,用於點亮鎮內的房子。但是地質學家發現可經濟開採的天然氣竟有那麼多,著實嚇了一大跳。安杰爾德回憶往事說,藍吉公司2007年發表初次的鑽探結果之後,他在和紐約投資人的電話會議上被問到,馬塞勒斯頁岩到底含有多少天然氣。他不曾想過要計算。安杰爾德記得他楞了一下,然後答道:「我不確定,但今天結束之前,我一定非常肯定。」他根據岩層的大小,以及岩石可能的天然氣含量,做了一些計算;然後打電話給萊希,請他也算一下。隔天,萊希回報他算出的數字。安杰爾德表示,他們得出相同的結論:「天哪,那可是多得不得了的天然氣。」

搭橋牽線

主張多用天然氣,少用煤和石油的論點,至少乍看之下再明白不過了。火力發電廠產生的電力,約占美國用電量的50%左右,二氧化碳排放量卻高占電力工業的82%。燃燒天然氣產生的二氧化碳只及煤的一半。此外,現有的許多天然氣發電廠產能過剩,因為它們通常用做火力發電廠的備用電力來源,協助滿足尖峰時段的電力需求。

從技術的觀點來說,用天然氣替代汽車和貨車的汽油或柴油燃料也很容易。可惜這方面溫室氣體排放量的減幅,不會像替代煤發電那麼大。一輛天然氣汽車排放的二氧化碳,比汽油動力車少約25%,但由於運輸只占美國溫室氣體排放量的三分之一左右,即使全美國的車輛都改用天然氣,整體的排放量也只減少8%。不過,巴士和計程車等車隊的一部分使用天然氣,是相對容易做到的事,而且可以減低對進口石油的依賴。

2009年8月中旬,能源未來聯盟,以及和歐巴馬政府關係密切,影響力很大的華盛頓團體美國進步中心(Center for American Progress),共同發表一份名為「天然氣:21世紀的橋接燃料」(Natural Gas: A Bridge Fuel for the 21st Century)的報告。促成這份報告發表的原因,是近來發現頁岩氣,以及希望在國會研議能源法案之際,將天然氣納入考慮。法案擬議中的一些條款,如總量管制與交易(cap-and-trade)辦法,等於將二氧化碳排放量制定價格,可以為這種燃料創造強大且逐漸成長的市場。能源未來聯盟的戴特重說,碳價一旦升抵一噸20到30美元,「公用事業從煤改用天然氣,在經濟上將屬有利」。戴特重也贊成強制走向「低碳」,也就是要求公用事業公司某一百分比的發電量必須使用天然氣生產,並且獎勵電力生產商關閉最老和最髒的火力發電廠。

藍吉公司的營運長傑夫‧范圖拉(Jeff Ventura)說,這種政策的調整,對於鼓勵進一步鑽採頁岩氣沈積物極為重要。2008年天然氣價格創每千立方呎(MCF)13美元的高價,但供給過剩和需求不振,2009年夏天價格跌到每MCF約3美元,是2001年12月以來的最低價。鑽探活動因此減緩,美國許多地區近乎停擺(但馬塞勒斯的鑽探不減反增)。范圖拉說,每MCF約6到8美元的「合理價格」,才會使鑽探公司更充分地開採頁岩氣。價格要回到那個水準,不只得靠經濟復甦,也需要依賴政策影響電力生產商改用天然氣以增進需求。「這是可以立即辦到的事,」他說,「用天然氣發更多的電,會立刻產生影響。」

如果史丹福大學地球物理學家佐貝克展開的研究成功完成,鑽探頁岩氣也能提供比較不是那麼明顯的環境效益。化石燃料發電廠不管使用煤,還是天然氣,最後都需要捕捉和隔離排放出來的二氧化碳。這表示需要找到安全且經濟的二氧化碳儲存方法,不讓它溢出。佐貝克相信頁岩沈積物可能提供一個解決之道。

佐貝克正在測試一種程序的可行性,準備將二氧化碳封存在採竭淨盡的天然氣井裡面──同時利用它們獲得額外的天然氣產量。一般認為,頁岩中至少有一部分的甲烷被沈積物吸收:氣體分子形成一層薄膜,黏附在沈積的有機物質和泥土的表面。但是初步的測試顯示,二氧化碳黏附這些物質的力量比甲烷要強。佐貝克相信,把二氧化碳打進產量逐漸減低的氣井,可以取代被吸收的甲烷,甲烷便會脫離頁岩,進入氣井。如果這一招行得通,更多的天然氣將釋出到氣井,同時將二氧化碳牢牢地封在地底。

佐貝克說,這個程序是否行得通,還需要幾年的光陰才知道。「從概念到執行,當然有一條長路要走。而且,需要找到答案的問題不只一端,」他說。但他表示,近來天然氣鑽探活動減慢,正好在鑽探步調再次加快之前,提供測試這個觀念的一個機會。他預期鑽探活動會在2011或者2012年再度熱絡起來。佐貝克指出,現在業者有用管路輸送二氧化碳到鑽探地點以增進產量,頁岩氣井附近也可以興建類似的基礎設施。而且,他說,在開發頁岩氣鑽探的同時,興建部分那種基礎設施,將使碳的儲存更加務實可行。

夢想世界

不過,並不是所有的專家,都認為快速擴張天然氣市場是明智之舉。簡單的說,他們擔心美國可能愛上另一種化石燃料而不可自拔──長期而言,這種燃料可能不像許多人現在預測的那麼充沛,也可能更為昂貴。

1980年代末英國的經驗可為殷鑑。英國鄰近的北海有龐大的未開發天然氣資源,那時首相佘契爾夫人(Margaret Thatcher)領導的保守黨政府槓上煤礦工人,天然氣在經濟上和政治上看起來都是吸引人的燃料。於是政府和業界力推後來所說的「衝向天然氣」(dash for gas)運動,首次允許發電廠使用那種燃料。這個國家的煤業幾乎消失,核能也遭到冷落。「整個國家以很快的速度,興建新的天然氣發電廠,」當時負責興建天然氣輸出管路的英國石油公司(BP)高階主管東尼‧梅格斯(Tony Meggs)回憶往事說,「我們開始開採開發不足的天然氣田,成果很好,大家都很快樂。」

但是,現在在麻省理工學院當訪問工程師的梅格斯表示,事後來看,英國的天然氣市場迅速擴張被證明是個「壞政策」。他說,這一陣子,英國需要進口大量的天然氣用於發電;到2020年,它將不得不進口發電用天然氣的70%,大多購自歐陸。「所以我們從很大的供應量、很安全,每個人都說天然氣有很多的狀況,淪落為從能源安全的角度來看,非常不妙的狀況,」梅格斯說,「美國不能走同一條老路,不當地擴張市場和利用資源,最後更淪為進口依賴國家。這件事很重要。」

雖然梅格斯說美國的頁岩氣供應量是一大「恩賜」,卻審慎表示,它將是多大的資源仍不明朗,因為鑽探「是相當年輕的現象」。他說,任何能源政策必須把那些不確定性納入考慮。比方說,麻省理工學院的天然氣研究重點將放在「不只有多少,還要看從地底開採出來得花多少錢、將持續多長時間,以及成本和最後的可採性(之不確定性)範圍是多少。」

他們擔心的,當然是以可接受的環境和經濟成本,頁岩能夠開採的天然氣數量最後遠低於專家的估計。匹茲堡的卡內基美隆電力工業中心(Carnegie Mellon Electricity Industry Center)執行主任傑伊‧艾波特(Jay Apt)講得很直:「我們正站在頁岩熱的早期階段。一頭熱的每個實務工作者都認為它會永遠持續,但等到五年、七年之後,他們會很吃驚沒看到熱潮永不衰退。」艾波特預測,「不可避免將調低這些礦床能夠供應的立方呎數字」,畢竟「大自然給你的和別人允許你開採的,兩者有差異存在。」他說,天然氣生產商大量用地和用水,在賓州已經引起反彈。而快速將更多發電廠改為使用天然氣的危險,在於一旦頁岩氣供應「做頭反轉」,電力生產商將需要依賴進口,也容易受價格波動的影響。

有些能源專家說,即使天然氣的供應仍然充沛,電力生產商改用這種燃料的程度,以及如果改用將能維持多久,也不明朗。聖地牙哥加州大學的國際法律與管理實驗室主任大衛‧維克多(David Victor)說,許多天然氣的支持者對於火力發電的轉換,展現了「務實的天真」。「取代美國所有火力發電廠需要的天然氣數量,會使天然氣的消費量增加50%左右,」他說。「這可是個巨大的數字。」產量需要增加這麼多,那就必須大量開採頁岩,而其中有些位在人口稠密的地區。還有,他說:「我們不知道那麼龐大的(頁岩氣鑽探)規模會是什麼樣子。」支持大規模改用天然氣的人,有許多「活在夢世界」,維克多說,「他們沒想到實務上的細節」。

多用天然氣,少用煤發電,顯然可以減少二氧化碳的污染。維克多說:「如果頁岩氣使用量很大,而且成本低,那麼這是大量降低排放量,成本效益很高的方式。」不過他說,降幅不足以達成歐巴馬總統和其他許多政治領袖主張的,2050年之前美國全部的二氧化碳排放量減少80%的長期目標。他說,改用天然氣「買到一點點時間」,好讓我們能做其他的改變,例如引進更多的風力、核能、水力發電、太陽能,以及其他的零碳動力來源。「叫人憂慮的是,天然氣這座橋,什麼地方也通不到,」維克多說,「而且,從不容易讓你減少80%污染的結果來說,這座橋可能十分昂貴。」

就技術的觀點來說,天然氣和風、太陽等再生能源,可以相輔相成。當風不再吹,或者陽光不再照耀,燃燒天然氣的渦輪機可以用來發電。但是天然氣和再生能源之間的經濟與政治關係,比這要複雜。如果聯邦和各州的政策,繼續要求電力生產商使用更多的再生能源,電力工業可能將它的新產能集中到那些技術上,同時保有低成本的火力發電廠。也就是,政策面激勵使用再生能源,經濟面激勵使用煤,結果天然氣發電廠將被擠壓出局。

同樣的,只注重天然氣為減少二氧化碳排放量的方法,可能轉移注意力──和金錢──不再關心有必要研究其他的零碳技術。「我很迷清淨天然氣,但是激起每個人都為天然氣癡狂,卻忘了所需的基本技術轉型,會是很大的危險,」維克多說。  馬塞勒斯頁岩和美國各地類似的沈積物中,有龐大的天然氣資源可用,這個事實已經從根本改變能源的計算公式。發現如此龐大,而且似乎經濟可行的化石燃料新來源,連終身研究頁岩的地質學家也驚異不置。那麼,政策制定者和政治人士才開始試著釐清這件事的意涵,也就不足為奇了。

負責能源政策的人將如何掌握這個機會,現在不清楚。最好的情況下,新發現的天然氣供應可以買到時間,讓我們有機會減低溫室氣體,同時致力發展和部署更具創意的技術。最糟的情況下,美國大量燒完這種燃料之後才發現,減少的二氧化碳排放量不是很多──反而延後投資於更清淨技術的發展研究。

Copyright © 2009, David Rotman. All Rights Reserved.



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