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未來替代石油之主要能源探討——油砂與油頁岩

2006/04/05 經濟部能源局 點閱人次: 664

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█撰文:蔡信行

目前石油的總蘊藏量為1.1兆桶,據預估的新增儲量(極可能發現的新儲量)將達0.7兆桶。不過新增儲量每年均在減少,可預期在40年後,石油即將用罄,必須要有適當的替代能源,本文即就非傳統能源之油砂、油頁岩來探討其未來替代石油之可行性。

有「青」就會紅

油砂(Oil Sands or Tar Sands,亦稱瀝青砂)是天然的混合物,含有瀝青(Bitumen)質、水、沙、粘土,是一種膠狀的黑色物質,可以用來產生液體燃料。普通的油砂約含有重量12%的瀝青,若少於6%便不值得去萃取及開發,除非它們和較高級的砂混合在一起。

由油砂取得合成原油的製程為:要生產1桶合成原油(SCO),必須開採4.27噸的原始材料,然後獲得1.93噸之油砂,變成1.16桶的瀝青;此瀝青進一步處理而獲得API 30~40之合成原油。

從油砂萃取瀝青在商業上的常用方法為採礦法及「原地(In situ)」生產。採礦法必須由砂╱瀝青的混合物中把過多附加的東西(如草、土壤和岩石)去掉,再用低技術的台車與鏟子採礦方法移出油砂。收集油砂之後,再用加入溫水(或其他溶劑)萃取法移除砂,然後予以攪拌把瀝青分離出來。

較深的沈積層需要採用「原地」生產法,例如經由垂直井或水平井注入蒸氣,這樣可以在地底下的儲區把瀝青自砂中分開來,然後把液體泵送到地面上,再做進一步的處理。而「提升」(Upgrading)的製程則是將瀝青轉化成碳氫化合物產品,其密度和黏度相似於原油。瀝青的提升一般可產生3類產品:輕油、煤油、及燃料油,這些產品可以摻配成合成原油出售或者分別出售。

除此之外,採用的技術不同,要求的產品不同(瀝青或者合成原油),供油成本也將不同。2003年,鑽井開採油砂生產的瀝青之供油成本為7.5~14.25美元╱bbl,其中利用冷採法採出的瀝青供油成本比較低,為7.5~12美元╱bbl;用熱力開採法時,由於為了降低瀝青黏度注入蒸氣,所以提高了鑽井熱採瀝青的成本,其供油成本為8.25~14.25美元╱bbl;利用露天開採井用萃取法生產的瀝青供油成本約為9~12美元╱bbl;若進一步改質成合成原油時,其供油成本則增為16.5~21美元╱bbl。

因此加拿大「國家能源部」分析認為,除技術進步的影響外,基建費、產量大小、非燃料的經營成本、天然氣的價格、原油價格和匯率均對供油成本具有不同程度的影響。即油砂產品的供油成本隨基建費、燃料費等經營成本和天然氣價格的增加而增加,但它隨產量的下降而上升;原油價格越高,收益率也隨之提高;但是匯率愈高,收益率則越低。

過去油砂的開採曾經一度被視為痴人說夢,因為成本太高而且可能造成環境污染,但是隨著油價的飆漲,許多大油公司如ExxonMobil、Royal Dutch Shell和Chevron Texaco等,都將做新的投資於油砂,也有公司打破行情,購買土地以做未來的開採。中國亦注意到此趨勢,也跟著做投資,並興建管線,將製成的燃料送到太平洋岸以供輸出。加拿大政府及相關工業表示,北亞伯達證實的油砂儲藏量有1,750億桶,只有沙烏地阿拉伯可與之匹敵,前景可期。

一頁頁疊起來的「藻類化石」

油頁岩(Oil Shale)為黏土礦結構,是40至50百萬年前的老沈積岩,由湖泊環境的沈積受到時間、壓力、溫度等影響,而把這些沈積物轉變成含有碳氫化合物的岩石,可說是「藻類的化石」。天然狀態的油頁岩不含液態碳氫化合物,其組成為固體有機物,只能用熱(約500℃)加以釋放,因此,既不能暴露成油「膜」,經壓碎或擠壓也不能產生液體成分,必須以所謂蒸餾或加熱法萃取,將油母質分解放出碳氫化合物的蒸氣,冷卻後就可得到油和氣。

一般認為油母是一種具有三維結構的大分子聚合物的混合物。油母中的碳主要以脂族及環烷結構存在,也有部分芳香族。所以只要能把油頁岩中的油母提煉出來,就可得到類似石油原油,亦即頁岩原油。油母中的氮在熱加工時,大部分可轉化成氨。

油頁岩外表像褐色的石頭,打碎後變成許多片狀的小塊,看上去像是一頁頁的紙折疊起來,故而得名。其質量比煤重,發熱量只有煤的30~50%。過去普遍的方法是對頁岩進行加溫乾餾,使有機質分解後變成油氣,再冷凝分離,得到頁岩油。一般每噸頁岩可提煉出6~7公斤頁岩油,成本很大。提煉後的灰渣經粉碎後還可做為水泥混合料。

油頁岩遍布世界各地,蘊藏量相當豐富,但資源分布並不均勻。美國油頁岩最大儲量在Green River構造層中,跨越科羅拉多、猶他與懷俄明州,據估計油藏量有1.5~1.8兆桶。可回收量在5千億至1.1兆桶石油。現今美國石油用量為每天20百萬桶,如果油頁岩的石油可供四分之一,那麼8千億桶將可供美國使用400年。如果原油每桶為70~95美元(2005年),則油頁岩的石油將可與之競爭。

油頁岩石油的取得有2種方法,即開礦及表面蒸取法和現地蒸取法。殼牌石油公司曾經成功地進行小規模的就地現場運轉,然而大規模的操作還需要建立,如技術可行性、對於地下水品質之不良影響等。據該公司表示,所取得石油約為每桶20美元。

然而目前並沒有任何機構在積極規劃開發油頁岩資源之技術、財務及管理機制將其商業化。如果要進行該計畫,其時程及所需資金至少要籌畫6年,因為要擴大規模(Scale up)、程序確認、蒐集足夠的環境數據,才能得到第一手的商業運作資訊。然後還要另外6至8年的時間來獲得許可、設計、建造、開礦、確認性能,才能做初步的生產。因此,最少要有12年以上才能取得石油,亟待加速研討與開發。(作者為國立成功大學石油策略研究中心兼任研究員)


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