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傾注國力,擘畫能源自主之路─日本甲烷水合物開發

2016/11/05 經濟部能源局 點閱人次: 962

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撰文/謝惠子
受訪/經濟部中央地質調查所 鐘三雄科長
資料、圖片提供/經濟部中央地質調查所

「如果你曾在電視上看到冰晶狀物體在燃燒的畫面,那就是我們所提供的甲烷水合物合成標本。」經濟部中央地質調查所資源地質組礦產資源科鐘三雄科長一語道破屬於新型態天然氣水合物之神秘樣貌。然而這個由水氣所形成的冰狀結晶化合物,究竟為日本帶來怎樣的影響與轉變?

天然氣水合物所包合的氣體組成主要為甲烷,其他成分可能為乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、硫化氫與氮等,因此常被稱為「甲烷水合物」。「日本是世界上最早推動甲烷水合物相關調查研究的國家,因為能源極度匱乏,大部分都仰賴進口,為了探尋其他可用的新興能資源,所以自1974年即展開海域調查工作,至1980年代已能確認有甲烷水合物的蘊藏。但由於甲烷水合物在常溫常壓下很容易分解成氣體和水,不容易採集和儲存,所以在1989年進行甲烷水合物的人工合成試驗研究,模擬其生成條件及物理與化學性質量測,有了合成標本做理論基礎參考,才能進一步做其他研究。」鐘三雄科長說。

1993年透過資源調查與探勘及甲烷水合物的性質研究,依據海底仿擬反射(Bottom Simulating Reflector)測繪結果,估算出水合物的資源量(現地所含甲烷在常溫常壓下的體積量)約有4.7~7.4兆立方公尺,約相當於日本天然氣年總消費量的50倍以上,極有可能成為日本未來天然氣自主的供應來源,所以日本經濟產業省(前身為通商產業省)在1995年推動為期5年的甲烷水合物研發計畫,經過井位先期調查後,於1999年做第1次的海底鑽探,且鑽井深度到達海床底下3,000公尺。

鐘科長指出,「通常水合物賦存在海床底下約1,000公尺深以內的地層,日本會把這口井打這麼深,就是希望可以蒐集到更完備的相關資訊,確認甲烷水合物做為新型態天然氣資源開發的可能性。特別的是,日本在1998 年也藉由國際合作模式,在加拿大麥肯齊三角洲(Mackenzie Delta)的永凍層地區,完成2L-38研究井鑽探調查,以做為後續鑽探工程技術的改進參考,由此可見日本政府的用心與投入。」

MH21計畫:求能源,一處都不願放過!

緊接著,經濟產業省在2001年成立國家型「甲烷水合物開發計畫」,並籌組MH21研究聯盟(MH21 Research Consortium)來共同推動,所以這個計畫又稱為「MH21計畫」。

MH21計畫目標包括:明確瞭解日本周圍海域甲烷水合物的產狀與資源特性、甲烷水合物潛能區的資源量評估、評選出甲烷水合物資源區(Resource Fields)及探討其經濟潛能、在選定的資源區內實施生產試驗與甲烷水合物商業生產技術研發,以及建立考量環境保育的開發作業系統。本計畫初始分為3期共16年,後來延長2年,第1期調整為2001至2008年,第2期為2009至2015年,第3期為2016至2018年。

「由於試驗範圍若要馬上就跨到海域會有技術上的困難,所以第1期先與加拿大等國家合作,於2002年在加拿大永凍層完成第1回的陸上生產試驗。2004年,日本用鑽井船到南海海槽(Nankai Trough)東部海域進行探勘井的調查,想藉此找出最好的生產試驗場址。至於第2期除了繼續做永凍層的生產試驗,另外也持續研發模擬器做生產模擬,預測成績還不錯。接下來就在選定的海域進行生產測試,終於在2013年進行第1次的海域甲烷水合物生產試驗,連續生產6天,累計產量約12萬立方公尺。這是全球第1次從海域的甲烷水合物中分離取得天然氣氣體!」

鐘科長讚嘆道,我們無法想像光是鑽一口井就要燒掉上億日圓,由日本政府主導的MH21計畫一開始在2002年度的預算編列就達30億日圓,2015年度預算更增加到140億日圓(約新臺幣43億元),簡直就是傾國之力,也要開闢一條屬於自己的能源自主之路!因為一旦成功量產,從此就可大幅降低自國外進口LNG的依存度!

全力以赴:做,就對了!

日本一路從陸上跨越到海上,除了所費不貲,還克服了哪些難關?「基本上都是技術面的課題。甲烷水合物的開發方式有加熱、減壓及添加化學藥劑等方法,日本進行第1回陸上生產試驗時是使用加熱法,2007至2008年進行第2回生產試驗改用降壓法。2007年的生產試驗首度碰到『出砂』狀況,這是因為砂礫層中的甲烷水合物分解成甲烷氣體和水後,砂質沉積物隨之崩解而流進生產井孔,迫使試驗中斷,所以2008年重新設計生產井孔套件,成功解決出砂問題。接著是2013年的海域試生產,原先預計要做兩個星期,但遇上天候與海象不佳,以及井內水壓泵設備損壞與出砂問題,所以只產了6天。而原本設定2015年要進行的第2回海域試生產,也將順延至2017年。由於海上的不確定因素遠比陸上要來的更複雜,所以在這期間日本的研究重點也同時著重在陸上永凍層的長期生產測試,一來從頭做更深入的檢討與探討,二來尋求問題點的突破,進而修正一些關鍵技術,以期加速商業化生產腳步。」鐘科長說。

又由於開採過程中可能會有甲烷散逸污染問題,日本也進行海域環境基本資料調查、監測技術研發、甲烷水合物解離或滲漏對海洋生物的影響評估,以及海床地層變形的偵測等。「有人認為開發甲烷水合物會導致海床滑動,甚至因而誘發海嘯,這是無法百分百否定的疑慮。因為甲烷在海底很快就會被氧化成CO2而溶於海水中,所以影響海洋底層水酸化較有可能,散逸到大氣中的機率反而較少。再者,埋藏在最底部的甲烷水合物可能隨著環境自然變遷,發生分解產生水和大量氣體形成地層弱帶,故海床的滑動就像陸上的滑坡一樣,一旦地層含水飽和導致凝聚力變差時,自然就會沿著此地層弱帶滑動,這是自然界一直存在的現象,並非只有開發活動才會引起。」對此鐘科長表示,基本上只要慎選好開發場址,並做好事前的齊全評估,即可防患於未然,確保開發安全。

臺灣:長達12年的基本功

隨著日本成功開拓甲烷水合物,臺灣據稱西南海域也富藏一大片的探勘好景區,我國的探測之路又是如何展開的呢?

「1999年的時候,我們從英國帶回天然氣水合物研究熱潮的訊息,便開始籌備與彙整。2002年中油率先在西南海域進行多頻道反射震測調查,但僅限於此。為了能夠持續推動,地調所於2004年展開『臺灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究』4年期的科技發展計畫。此時的調查重點放在高雄至恆春外海的深水海域,希望能夠確知分布型態及賦存層的地質特性。接著是2008年第2個4年期的『臺灣西南海域新興能源— 天然氣水合物資源調查與評估』計畫,之後國科會以地調所的調查研究成果為基礎,於2012年在能源國家型計畫項下啟動『天然氣水合物主軸計畫』,同時地調所也持續推動第3個4年期計畫『能源國家型科技計畫— 臺灣西南海域天然氣水合物資源地質精查及南部海域天然氣水合物賦存潛能調查』。這一埋首普查,12年過去了。」

回首來時路,鐘科長欣慰的表示,國外相關單位一看到我國豐富而齊備的調查資料時,都紛紛表示想要進行國際學術合作的意願,證明這一切努力都沒有白費。

坐著船兒探訪臺灣之「心」

「第1期我們透過學界的建教合作方式使用國科會的海研一號,在西南海域進行多頻道反射震測、海底聲納回聲剖面探測、海底地震儀測勘、岩心採集與分析等調查研究。」其中岩心採集的代表性在於瞭解沉積物的地質特性,相當重要,不過海研一號能夠採集到的岩心長度至多是2~5公尺深,所以第2期就設法使用國外研究船來做調查研究。鐘科長說,像是使用法國研究船的調查期間就曾採到長度約38.5公尺的巨型活塞岩心,以及近9公尺的巨型箱型岩心,成果頗豐。

另外,搭著國際學術交流的順風車,也利用美國藍賽斯號研究船來臺執行學界國際合作計畫期間,在調查區完成測線總長約1,500公里的長支距反射震測研究,以瞭解海域深部地質構造。「國際學術合作的好處在於可熟知國際間發展進度,以及學到相關技術與經驗。」所以目前主軸計畫就是持續國外參訪,做好學術交流,然而地調所更企盼的是未來有鑽井生產試驗的那一天!

有請好菌來幫忙!

雖然計畫本質都脫離不了海域調查,但是在第2 期有加入一項特殊的任務:地質微生物研究。「這個就新鮮了!因為國外的研究認為,水合物賦存的地方,就有特定菌種的存在,算是一種連結性的指標意義。也就是當發現有甲烷菌等特定微生物群落聚集在某處時,就表示這裡可能有甲烷水合物!」鐘科長表示,這部分委由中興大學著手,透過採集標本,冷凍保存與培養研究,再從DNA等鑑定技術去分析菌種群落類型。

另方面也曾委託海洋大學進行大型底棲生物的研究,「底棲生物像是貝類。當甲烷散逸出來時,會適合某些體內共生菌種等微生物來吃食,然後變成營養源,再供給大型的底棲生物食用,將形成一個共生鏈。」海底下的光線不足,無法施行光合作用,透過前述生態模式,把仰賴甲烷的生物都匯聚在一起,無形中成為發現天然氣水合物賦存地的新指標,也為研究增添一條新路徑。

13處探勘好景區,描繪能源新頁

經過多年的努力,目前在高雄至恆春外海的深水海域已調查出有13個具備資源潛能的探勘好景區,透過初步模擬試算,保守(機率90%)推估出這13個探勘好景區砂層裡的甲烷水合物資源量至少有7,186億立方公尺。「若以技術可採率30%為估算基準,由目前國內天然氣每年的使用量約150億立方公尺來看,則甲烷水合物將可提供10年以上的用量,這是一個希望跟願景。」鐘科長說。如果以更高的資源量1.58兆立方公尺計算,甚至足供30年之久,當然這些都只是粗估數,仍須仰賴後續鑽探調查來驗證,方能提高可信度。

展望未來,屬於臺灣的甲烷水合物前期研究調查已近完備,且靜待時機成熟,迎來第1回鑽向地心探勘之路!


關鍵字:天然氣水合物,甲烷水合物,資源量

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