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作者:徐業良(2013-06-16);推薦:徐業良(2013-06-16)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2013年七月號,史丹福專欄。

世界能源新焦點-頁岩氣

能源的問題永遠都是話題。不過如果您還在談太陽能、風能、氫能、甚至核能,您落伍啦!這一陣子能源問題的關鍵字是,天然氣!

國中化學,天然氣主要成份是甲烷(CH4),是最簡單的碳氫化合物。一份甲烷與氧氣燃燒之後產生一份二氧化碳和兩份水,比起燃燒煤炭、汽油都乾淨得多,沒有硫化物汙染,產生溫室效應氣體二氧化碳的比例也是含碳能源當中最低的,是一種很環保的能源。天然氣具有很高的熱值,每立方公尺大約可產生10,000Kcal熱量,氣田生產的天然氣經過一連串超低溫液化後(-162℃)成為液化天然氣(Liquefied Natural Gas,簡稱LNG),體積縮小為氣體的1/600,容易儲存與運輸,也是一種方便、有效率的能源。甲烷氣化後比空氣輕,萬一洩漏時很容易擴散至大氣中,相對來說也比較沒有爆炸的危險。

天然氣不是存在已久,您在家煮飯,洗澡用的可能都是天然氣-怎麼突然之間又「關鍵」起來?

噢,關鍵之處在「頁岩氣(Shale Gas)」,就是從頁岩中提取出來的天然氣。過去天然氣主要從油田和天然氣田開採出來,也有少量出產於煤層,和其他能源比起來價格還是偏高。然而相關的報告指出,全球可開採石油資源的10%以及天然氣資源的近三分之一其實是儲藏在頁岩構造中,只是頁岩孔隙小、滲透率低,過去從頁岩開採天然氣難度較高,並不符合經濟效益。

這幾年美國成功突破了從頁岩層提取天然氣的技術障礙,能以低廉的成本大量產出頁岩氣,展開了全球能源供應的「頁岩革命」(shale revolution)

哦,您有更多問題了。頁岩是甚麼岩石?天然氣為什麼會蘊藏在頁岩裡?美國有甚麼特殊技術可以把頁岩中的天然氣開採出來?

國中地球科學,地球上的岩石有三類,火成岩、沉積岩、變質岩,其中沉積岩是地表上最常見的岩石,占了70%以上,風化的岩石顆粒,經大氣、水流,到一定地點沉積下來,受到高壓逐漸形成沉積岩。

女兒是今年末代基測考生,我當女兒全科家教快一年,覺得其實國中教的東西還真不少,而且都很有用呢!

沉積岩形成過程中,沉積物是一層一層覆蓋上去,因此沉積岩最明顯的特徵即為層狀的構造,沉積過程中也保留了許多地球的歷史信息,像是古代動植物化石和其他生物成分。頁岩是數量最多,分布最廣的沈積岩,主要由黏土顆粒組成,頁岩多呈薄頁狀易裂性的結構,裂開面常成平行,一頁一頁的樣子,因此稱作「頁」岩。天然氣甲烷是一種有機物質腐爛時產生的「生物氣體」,頁岩氣便是在頁岩長時期形成過程中以吸附或游離狀態被「關」在顆粒之間裂縫、孔隙的天然氣。

美國最近開採頁岩氣的重大技術突破稱作「水力裂解(hydraulic fracturing)」,甚至有個新創英文單字,直接簡稱把這項技術稱為“fracking”。整個“fracking”開採程序聽起來工程挺浩大的,首先要往下垂直鑽一口井到達深埋在地下可能達兩三千多公尺的頁岩層的深度,之後鑿井方向轉為水平橫向穿過頁岩層,到達氣田儲量豐富的位置;接著大量的水混合砂石和特殊化學物質,以高壓打入天然氣井中,高壓的水把頁岩裂解開來,混合的砂石持續把頁岩裂隙撐開,頁岩中蘊藏的天然氣便被「洗」到井中,大量順著天然氣井流出地面。

頁岩氣蘊藏非常廣,除了北美洲之外,亞洲、歐洲等地區亦蘊藏相當可觀的頁岩氣資源,事實上全世界頁岩氣最大蘊藏量的國家是中國。然而目前除了美國、加拿大之外,其他國家的頁岩油氣開採仍處於初級階段,開採技術還不到位是主要原因,另一方面這個頁岩氣“fracking”的開採過程對於環境可能造成的負面衝擊,也使得像法國、德國等歐盟國家對頁岩氣的開採裹足不前。首先頁岩氣井需要相當可觀的用水量,可能會與其他的用水需求產生衝突;用水雖然會回收再處理,但在水力裂解的過程中須添加特殊化學物質使作業過程更具效率,也令人擔憂化學物質會造成水資源污染。

不管如何,頁岩氣幾乎已經確定成為下一個十年全球能源的主戰場,許多國家都躍躍欲試,美國頁岩氣開發的盛況更被比擬成為另一次的淘金熱。國內還在為核四是否停建吵得沸沸揚揚,而台灣也正積極尋求向美國購買頁岩氣,作為廉價、乾淨的替代能源。

頁岩氣的發展對全球政治經濟的影響重大,各大媒體討論甚多,這裡姑且不談。史丹福專欄接下來想討論的是,乾淨、方便、供給豐富、價格低廉的天然氣能源,對於汽車的發展會有甚麼影響?

您一定常聽說EV電動車、HEV混合動力電動車之類的名詞,「頁岩革命」之後您可能會常常聽到的名詞是“NGV”“Natural Gas Vehicle”-天然氣汽車。

在「頁岩革命」之前,不可否認的,汽車廠似乎一直忽略了NGV的潛力和可能性。天然氣汽車的先天優勢是很吸引人的,排放汙染廢氣、溫室效應氣體都比汽油車降低許多,「頁岩革命」之後天然氣產量遽增,也使得其價格比汽油、柴油相對低廉。汽車廠自然十分注意這幾年能源經濟上的變化,也開始移轉他們的投資,加速NGV和其所需加氣站等基礎建設的開發。事實上天然氣汽車存在已久,阿根廷、巴西、巴基斯坦、義大利和印度等國家都擁有許多天然氣汽車,2011年底的統計,伊朗全國共有286萬輛天然氣汽車NGV,全世界第一。目前全世界共有約1480萬輛NGV,相關預測指出,天然氣汽車市場近幾年將會以每年8%的成長率持續成長,2016年全世界預估將有近2,000萬輛NGV

NGV,天然氣汽車,是瓦斯車嗎?國內不是推廣瓦斯車很久了?

國內所謂的瓦斯車主要燃料是LPG液態石油氣(Liquefied Petroleum Gas)LPG的主要成分是燃點、沸點、密度都較高的丙烷及丁烷,汽油引擎只需經過小幅改裝便可以LPG作為動力源,國內推廣瓦斯車的動機也是LPG液態石油氣是比汽油、柴油更乾淨的汽車燃料。政府於民國78年開始推動LPG燃料計畫,開放汽車可以液態瓦斯為燃料,中油公司配合在北、中、南三地建立3座加氣示範站,並於民國85年正式啟用,確實已有好久一段歷史,推廣主要對象集中在營業用計程車。

這裡討論的天然氣汽車的燃料,則是CNG壓縮天然氣(Compressed Natural Gas),主要成分是甲烷。LPG系統將儲氣筒內的液態瓦斯經氣化器轉換為氣體後才注入引擎的燃燒室中,而較新的CNG系統則是直接將高壓瓦斯存放於儲氣筒內,無須氣化器的轉換程序,兩者儲氣形式不同。CNG系統需要體積更大及能夠負荷最高壓力達275 bar的儲氣桶,儲氣環境的條件要求高於LPG系統,而CNG系統將高壓天然氣直接注入引擎燃燒,工作效率與動力品質都高於LPG系統。

和發展EVHEV等電動車比較起來,天然氣汽車NGV整體動力系統和汽油引擎車十分接近,引擎運作原理和汽油引擎完全相同,開發NGV車廠研發投資比發展EVHEV小得多;NGV操作和動力輸出方式也很接近汽油引擎車,又沒有電動車充電時間過長、行程不足的基本問題,和電動車比起來車主也更容易接受。

不過和電動車相同,推廣NGV最大的困難,還是在加氣站的建設。儘管美國是「頁岩革命」的領頭羊,NGV天然氣汽車在美國還並不普遍,一共只有十幾萬輛。目前全美國也只有1,000個天然氣加氣站,加油站則有200,000個,兩千倍之多,車主買了一部NGV還是會有「下一個加氣站不知道在哪裡」的恐慌。剛剛上網查了一下,國內瓦斯車推廣多年,全台瓦斯加氣站也只有42個,而且台北、新北、基隆、桃園就占了23個。不過這似乎是個雞生蛋蛋生雞的問題,建設一個加氣站成本大約是75萬美金,NGV乾淨、省錢,如果車廠有更多的NGV車款供車主選擇,馬路上有更多的NGV需要加氣,有足夠的需求可以讓建置加氣站迅速回本,加氣站的供給量也自然會迅速增加。

Mmm,供需原理,國中公民課本的內容。十二年國教?國中課本的東西學得踏實,就有足夠豐富的常識了。

「頁岩革命」帶動之下,如果確認天然氣是未來長期穩定、可靠、廉價的能源,天然氣汽車NGV應該會當紅好一陣呢!