石油替代可行性及成本效益分析.docx

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石油替代可行性及成本效益分析

石油替代可行性及成本效益分析

期中报告

摘要

壹、前言

贰、非传统油气

1、油砂

2、油页岩

3、甲烷水合物

4、非传统气体资源

参、其它替代燃料

1、煤炭气化与液化

2、气体制造合成液体

3、核能及核聚变

4、其它

肆、再生能源

1、风能

2、太阳能

3、生质能

4、海洋温差发电

5、其它

伍、各种替代能源可行性及成本效益分析

1、能源与发电

2、能源使用成本效益分析

陆、结论及建议

柒、参考资料

（说明：

本期中报告内容部分尚待补充入期末报告，

图序及表序亦将于期末报告做总整理）

摘要

寻求石油替代的必须性，原因在于：

石油需求量继续增加；世界石油供给很快达到顶峰而下降；各国忧心能源及经济安全；目前能源供给大多倚赖传统之中东油源，储藏量有限，且政治不安定，油价受制于人；目前认知之替代燃料及再生能源虽然较洁净，但大部分替代程度小，需要寻求大量的能源供给。

寻求资源的源源供给，并减少对环境的冲击，各方积极倡用替代燃料及再生能源。

然而这些净洁能源都有其限制，所以储量众多的非传统油气也在寻求及发展之列。

本报告将分三大类分析，即非传统油气（包括油砂、非传统气体资源、油页岩、及甲烷水合物）、其它替代能源、及再生能源。

对于其储量、目前开发及使用情形、未来供应与使用预测、技术成熟度及可行性予以评估。

对各项替代能源之成本及效益予以剖析。

能源的两大用途就是供作发电及燃料用。

替代传统石油及天然气者除了成本要能竞争外，储藏量及供应量也要足以抗衡。

某些替代燃料及再生能源，虽因原油飙涨而成本足以与之竞争，但在供应量却有限制，目前及短期的未来只能替代部分的现有能源，大部分都是供发电用，其供应量及发电成本将予以分析比较。

全世界目前初级能源分配约为（％）：

石油35，天然气21，煤炭22，核能7，水力3，其余（12%）为生质能及其它。

考量未来可替代石油者，必须在成本上能与之竞争，而且量能充分供应。

到2030年，全球对各种能源的需求增量，以油当量计算，约是目前沙特阿拉伯石油产量的10倍。

届时的日需求量将从目前的2.2亿桶油当量（相当于每年800亿桶）供给增加到3.35亿桶油当量（每年1,223亿桶）。

到2030年之前，传统油气仍是世界主要的能源来源，约占能源供给的60%。

预计天然气的需求量以每年超过2%的速度上升，到2030年，天然气将占能源总量的25%。

非传统能源的供给将持续增加。

非传统油气资源蕴藏量相当庞大，比目前已知油藏及可能发现之油藏总和还要多，将可使用100至1000年，可能为未来取代传统油气者。

唯一未确定者是传统与非传统油气转换的过渡期间，过程可能缓慢，而必须要完善与没有经济上的不齐一。

1、

前言

过去五十年来，传统原油资源新发现的速率比累积用量还要快，但是，这些自然资源有限，如果不能生生不息，终有耗竭的一天。

现在的估计，各项初级能源，石油可用四十年，天然气可用六十多年，煤炭可用两百年，原子能的铀可用五十多年（表一）。

但未雨绸缪，寻求资源的源源供给，并减少对环境的冲击，乃积极倡用替代燃料及再生能源。

然而这些净洁能源都有其限制，故非传统油气也在寻求及发展之列。

表一能源蕴藏量统计

项目\能源别

石油

天然气

煤炭

铀

总蕴藏量

（2003年底）

11,477

亿桶

175

兆立方公尺

9,844.5

亿公吨

310

万公吨

产量

（2003年）

280

亿桶

2.6

兆立方公尺

51.3

亿公吨

-

可使用年数

41年

67年

192年

53年*

资料来源：

Bp,StatisticalReviewofWorldEnergy,2005

*表示铀蕴藏量以目前技术而言，可使用53年，若考虑使用过之核燃料在处理回收后重复使用，则其使用年限可增加5-10倍。

本报告将分三大类分析，即非传统油气（包括油砂、非传统气体资源、油页岩、及甲烷水合物）、其它替代能源、及再生能源。

所谓替代燃料或替代能源是指替代传统的化石燃料，即石油及煤炭，尤其是替代汽油。

包含了天然气（压缩天然气及液化天然气）、液化石油气、甲醇、乙醇、生质柴油、氢气、P-系列燃料、核能及电力。

而所谓再生能源是可再生或新生的，如水力、风力、太阳光能及热能、海洋能、生质能（垃圾、能源作物、森林、生质酒精等）。

我国于民国八十八年规划之短、中、长程再生能源包括了太阳热能及光电能、小水力、风力能、地热能、生物能（酒精汽油、生质柴油、能源作物、森林及生质氢能）及海洋温差。

另有废弃物能源利用包括农业废弃物、工业废弃物及都市废弃物。

希望到2020年，我国这些再生能源可达我国能源总供应量的3%。

虽然仅仅是百分之三，但要达成可要各界很努力很努力才可以做到。

台湾自产能源非常缺乏，约有97%初级能源仰赖进口。

初级能源中以原油及天然气为最大宗，分别占初级能源之51%及7%。

原油有99.8%，天然气有90%自国外进口。

也就是台湾一年自产的原油只能供给中油公司炼油厂炼制一天而已。

为了寻求能源来源的多元化，并开发低污染性的能源，替代燃料及再生能源乃成为各国努力发展的目标，尤其在防止地球的温暖化，减少全球二氧化碳的排放方面，这些能源更是需要。

全世界初级能源分配约为（％）：

石油35，天然气21，煤炭22，核能7，水力3，其余（12%）为生质能及其它。

考量未来可替代石油者，必须在成本上能与之竞争，而且量能充分供应。

到2030年，全球对各种能源的需求增量，以油当量计算，约是目前沙特阿拉伯石油产量的10倍。

届时的日需求量将从目前的2.2亿桶油当量（相当于每年800亿桶）供给增加到3.35亿桶油当量（每年1,223亿桶）。

到2030年之前，传统油气仍是世界主要的能源来源，约占能源供给的60%。

预计天然气的需求量以每年超过2%的速度上升，到2030年，天然气将占能源总量的25%。

寻求石油替代的必须性，原因在于：

●石油需求量继续增加。

●各国忧心能源及经济安全。

●世界石油供给很快达到顶峰而下降。

●目前能源供给大多倚赖中东油源，储藏量有限，且政治不安定，油价受制于人。

●替代燃料及再生能源虽然较干净，但大部分替代程度小，需要寻求大量的能源供给。

●氢能及燃料电池并非能源，其来源目前还是倚赖传统能源。

1、

非传统油气

所谓传统原油或传统天然气，就是一般所称之原油或天然气。

从表一即知这些能源可使用年限非常有限，再过一段时间，我们将面临油气供应之危机。

所以世界各国除了积极开发再生能源外，更在寻求非传统油气资源，不过这些也仅限于少数地区，不是全球普及。

非传统油气包括由油砂或油页岩中抽取出来之原油或天然气，或者是从天然气水合物中释放出来之天然气。

从图一的能源金字塔知道油气下面就是非传统油气资源油砂、油页岩及甲烷水合物。

这些非传统油气资源蕴藏量相当庞大，比目前已知油藏及可能发现之油藏总和还要多，将可使用100至1000年，可能为未来取代传统油气者。

唯一未确定者是传统与非传统油气转换的过渡期间，过程可能缓慢，而必须要完善与没有经济上的不齐一。

图一能源金字塔

图二传统与非传统之油藏

图二显示全世界现有证实之传统油藏与美加油页岩与油砂等之非传统油藏之比较，非传统油藏之量已超过传统油藏。

表二中显示非传统油源之生产量逐渐增加，至2030年生产量将达10Mbd。

表三更显示非传统石油资源量可供我们长久使用。

表二2002年全球石油储量及生产量数据（IEA）

传统油源（2002）

地区

已生产产量

证实储量

新增储量

生产量

（1）Gb

（2）Gb

（3）Gb

Mb/day

中东

240

686

269

21

前苏俄

142

77

140

9.3

拉丁美洲

99

111

102

10.2

非洲

75

77

62

7.9

北美洲

187

37

83

10.6

欧洲

46

21

30

6.9

亚洲

64

39

27

8.0

其它

20

1

1

1

合计

873

1048

711

73.9

最终可采储量（1+2+3）=2,632Gb

新增储量＝未发现储量和储量成长

非传统油源：

重质油、油页岩、油砂、GTL

2002

1.1Mb/day

2020

6.5Mb/day

2005

2Mb/day

2030

10.1Mb/day

2010

3.8Mb/day

资料来源：

已证实储量及产量：

BPGlobalenergystatistics

为发现储量及非传统生产：

IEAWEO2002

（资料来源：

KlausIllum,IEAOilProjectionsDisputed,illum@post1.tele.dk，1December2004.）

表三非传统石油资源量的估计

资源种类

地点

估计大小

（十亿桶）

使用年限（以美国1998年消费量计算）*

参考资料

所有非传统

北美

6,000

1000年

Bird（1989）

重质原油和沥青

全世界

6,200

1033

MeyerandSchenk（1985）

重质油

加拿大、委内瑞拉

600

100

IEA（1998）

气体制液体（GTL）

全世界

150

25

IEA（1998）

重质油

加拿大、委内瑞拉

3,460

577

Dusseault（1997）

油页岩

GreenRiverFm,,Colorado,Utah,Wyoming

1,500

250

Smith（1981）,

McCabe（1998）

油页岩

所有美国，包括低级品

160,000

26,667

DuncanandSwanson（1965）,

McCabe（1998）

*1998年消费量以60亿桶计算。

以下就这些非传统油气资源加以介绍及分析：

一、油砂

美国及加拿大加在一起可以宣称具有极大量的油藏，但是大部分都是非传统的资源，主要是美国的油页岩和加拿大的油砂。

这两种资源当中，加拿大的油砂矿比较有生产性。

亚伯达省有大量的油砂沉积---砂、粘土、水、和沥青的混合物，是一种黑色柏油状的碳氢化合物，黏稠如糖蜜---这是该省最大的宝矿。

加拿大国家能源局称亚伯达的油砂的沥青是「世界上最大的已知液态碳氢化合物的沉积之一」。

最初估计的油藏有1,780亿桶，是加拿大传统油藏的35倍，使得加拿大的总油藏居于世界的第二位，仅次于沙特阿拉伯的传统油藏（有2,600亿桶）。

这些油藏可以满足加拿大国内目前需要量的250年。

在亚伯达省，粗的沥青的生产已于2001年开始超过传统的原油生产。

与之对比，委内瑞拉的Orinoco带也含有广多的碳氢化合物资源，一般只称为重原油或超重原油。

这些沉积层含有1.9兆桶（即19,000亿桶）的油。

最终可回收的油藏为2,720亿桶，证实的油藏为778亿桶。

在2004年，加拿大的油砂生产量超过1百万b/d，而且陆续在增加，在约40年的期间才只生产了30亿桶。

在传统原油供给之日趋下降，而世界对原油的需求又日益趋多，油砂的机会就愈来愈显著。

预计在未来10年内，油砂的相关生产量将加倍，有一些预测说将可达到5百万b/d。

加拿大合成原油公司的执行长鲁格洛克（CharlesRulgrok）说，「到2015年，北美的原油需求将超过25百万b/d，其中约有10百万b/d来自北美的传统原油，有3百万b/d来自加拿大的油砂，其它则靠进口。

依据这种预测，加拿大的油砂就占了北美生产量的25%。

根据Meyer及Schenk（1985）的估计，全世界的重原油和沥青的资源约有62,000亿桶，其中有8900亿桶「可回收」，分别相当于2003年全世界原油使用量的221及32年量。

（一）、定义

（二）、加拿大的油砂

（三）、油砂之萃取

（四）、油砂经济

1、经济可行性

2、成本架构

（资料待补充）

二、油页岩

（一）、油页岩的成分

油页岩（oilshale）是一种由有机物质和无机物质组成的沉积岩石。

无机物质常见的有石英、粘土、碳酸盐等，有时还含有铜、镍、钴、钼、钛、钒等的化合物。

有机物质可分为两类：

一类为油母质（kerogen），其主要成分元素有C,H,N,S,O等。

油母质加热时会分解而放出蒸气，这些蒸气凝结后就成为液体油料。

另一类为沥青，其含量一般在1%左右。

油页岩为黏土矿结构，是40～50百万年前的老沉积岩，可说是「藻类的化石」，即石油湖泊环境的沉积受到时间、压力、温度种种影响，而把这些沉积物转变成含有碳氢化合物的岩石。

天然状态的油页岩不含液态碳氢化合物，其组成份为固体有机物，只能用热（约500℃）加以释放，因此，它既不能暴露成油「膜」，经压碎或挤压也不能产生液体成分，必须以所谓蒸馏或加热法萃取，将油母质分解放出碳氢化合物的蒸汽，冷却后就可得到油和气。

一般认为油母是一种具有三维结构的大分子聚合物的混合物。

油母中的碳主要以脂族及环烷结构存在，也有部分芳香族。

所以只要能把油页岩中油母提炼出来，就可得到类似石油原油，亦即页岩原油。

油母中的氮在热加工时，大部分可转化成氨。

油页岩外表像褐色的石头，打碎后变成许多片状的碎块，看上去像是一页页的纸叠起来似的，故得名。

其质量比煤重，发热量只有煤的30％－50％。

过去普遍的方法是对页岩进行加温干馏，使有机质分解后变成油气，再冷凝分离，得到页岩油，一般每吨页岩可提炼出6－7公斤页岩油，成本很大。

提炼后的灰渣经粉碎后还可作水泥混合料。

（二）、储量

油页岩遍布世界各地，其资源分布并不均匀，不过其蕴藏量相当大。

据美国地质局于2000年提供统计结果，储量超过1.0Gt（十亿吨）页岩油资源的国家列如表。

表世界油页岩储量较多的国家

国家

折算成页岩油资源（Gt）

估计年份

澳大利亚

4.1

1987

巴西

11.5

1969~1999

中国

2.0

1985

爱沙尼亚

2.5

1988

约旦

5.0

1997

摩洛哥

8.1

1984

俄罗斯

36.9

1988

美国

290.0

1980

札伊尔

14.0

1958

合计

374.1

（炼油技术与工程，Vol.34,No.3,pp60-62,2004.3）

[注：

本表只列入每吨油页岩含油在40L以上之资源]

全世界页岩油储量约有26,000亿桶，约可供93年之用。

但Duncan和Swanson（1965）估计全美国潜在的页岩油资源有1,600,000亿桶，足够长远使用。

（三）、提炼

由油页岩萃取原油比从处理油砂更为困难及昂贵。

全世界都很重视开发油页岩的技术研究，其主要研究方向之一，就是如何降低开发利用成本。

目前已取得的研究成果集中在两方面：

一是利用新技术提炼页岩油，美、俄等国都在进行这方面的研究，而以巴西的研究成果最突出，目前已研发成功260吨∕时的干馏炉，以规模化生产来降低单位成本；二是提高页岩的综合利用率。

油页岩除了可以炼油外，还可直接用于发电、生产新型建材等，通过整条生产链将其“吃干榨尽”从而摊薄成本。

一般而言，一公吨油页岩中含原油量约在一桶左右（以上各种说法不同，因油页岩的油含量不同，少自每吨6-7公升，多至150公升），以目前的技术可回收其中89％，目前在澳大利亚的油页岩属硅化合物基，而在美国则属碳酸盐类，其处理以前者较容易。

第一座实际的商业制程在澳大利亚南太平洋石油公司（SouthernPacificPetroleum；SPP）使用，预计于2003年兴建、2005年运转，每日可生产15,000桶原油；其过程为先将材料预热至250℃，然后在500℃时裂解其中油母质成分成为碳氢化合物的蒸汽，留在废油页岩中的残留碳氢化合物经燃烧做为制程用的热源。

油页岩中之油母质可以用加热法加热至450～500℃。

在隔绝空气下予以热裂而得到页岩油。

（四）、利用途径

（五）、经济成本

（资料待补充）

三、甲烷水合物

天然气水合物是一种水和气体的介稳定的矿物，由天然气和海水形成。

气体水合物可以存在在很广范围的压力和温度下。

例如，甲烷水合物可以存在在如空间的高真空（2.9×10－3psi及－236℃）下或高压下（163,000psi及57℃）（图十）。

天然的气体水合物是在1960年代中被发现的。

目前开发最积极的是苏俄、美国、及日本。

在苏俄北西伯利亚陆地上美索雅卡及美国东部北卡罗来纳大西洋外海已有实际上之开采及生产。

以目前已知之天然气水合物储量19,800兆立方公尺（tcm）和目前年用量2.6tcm计算，此种产生的天然气将可供人类使用7,600年。

（一）、可能的蕴藏量

困陷在海洋沉积层中的甲烷水合物（methanehydrate），储藏量非常丰富，如果可以顺利开采出来的话，将是未来一种可观的能量来源，不过，甲烷也是一种温室气体，它对环境的冲击也必须予以审慎评估。

全世界甲烷水合物的总量预估相差有几个阶次之多，日本估计约有250兆立方公尺。

美国地质调查队（U.S.GeologicalSurvey,USGS）则预估在3,000至8,000,000兆立方公尺之间。

美国能源部在1998国会的听证会中提出数据为10,000,000兆立方公尺（注：

此估计量，与前段所估计相差500倍），约为全世界目前已知天然气蕴藏量的80,000倍（已知天然气蕴藏量为175兆立方公尺）。

目前，被发现陆上存在有气体水合物的地区包括北极的永冻层及苏俄的贝加尔湖（LakeBaikal），以及有永冻层的阿拉斯加北坡、加拿大及苏俄北边。

USGS于1995年首次对美国就地存在的天然气水合物资源做有系统的评估，包括沿岸陆地和200浬经济领海的近海。

发现有十一处可能存在有气体水合物，唯一的沿岸是阿拉斯加的北坡。

得知它的储量数值范围显示有很大的不确定性，但是也显示有很大量的潜在能源存在。

他们预估这种被封锁在晶体中的能源比现在地球上的天然气、石油及煤炭加起来的总蕴藏量还多。

但是要开发这种资源非常困难而且昂贵。

属于前瞻性的科学和技术。

由综合的信息来看，在北极永冻层的甲烷水合物约在地表下130到2,000公尺深处。

据专家估算，在日本外海约有6兆立方公尺的甲烷（约台湾一年用天然气的1000倍），可以给日本用上一世纪。

（日本的原油全部依靠进口，初级能源则有82%进口）。

气体水合物沈积存在于沉积岩的寒冷地段，在陆上，这些沉积是在永冻层地区中，深度0～2公里深。

在海上，沉积是在500～700公尺深的沉积层中，是在泥巴线底下，以及超过300公尺的水深处。

（二）、甲烷水合物的性质

甲烷水合物是一种天然气与水形成的晶体混合物，沈积在水深超过300公尺以上的海床下，沉陷在永冻冰层中，层厚达数百公尺以上。

它又被称为「可燃烧的冰」。

一般是甲烷的分子，每一个都被水分子像笼子一样的包围起来，看起来很像冰。

甲烷、丙烷、及其它气体都可能包含在水合物中，不过甲烷是最普遍的。

由于气体是包含在晶体中，气体的分子比它在传统的或非传统的气体储气层更紧密堆积起来。

气体-水合物-凝固地层对被陷在那儿的气体有如密封剂一样。

这些陷住的气可能提供潜在的能源，但在钻探时也可能会造成大灾难，所以必须先深知了解。

要从这些密封层把水合的气体抽取生产出来也许很容易，减压后水合物结构就会被破坏。

图十甲烷-水在水合物中之平衡曲线

（三）、气体水合物之开采

水合的甲烷的量大约是大气中所含甲烷量的3000倍。

它对气候温暖化的影响比二氧化碳还要大十倍。

现在并没有足够的信息来判断是什么地质过程最可能影响沉积物中水合物的稳定性，如何释放到大气中。

也许是海平面的降低引起地层滑动把甲烷释放到大气中，而导致地球大气的温暖化，而极地区沉积物的气体水合物释放出甲烷，使极地区温暖导致海平面上升。

地球的温暖化也许会抑制趋冷的趋势因而使气候变动稳定下来，或者加剧气候的温暖化而使气候更不稳定，这些都还不能确定。

被封锁在其中的气体很不稳定，会崩溃并迁移，而且会损害钻探的设备。

一旦天然气由冰层下被吸虹出来，水合物的压力会降低而释放出甲烷。

要把甲烷水合物商业利用有很多困难。

第一，它藏在1000公尺深的海床底下，比海中的油气层还深，所以挖掘时必须要开发特别的设备。

然后必须要找出有效的方法来从固体中将气体的甲烷抽取出来。

把气体从水合物中回收出来的障碍是因为它是固体的，它分布在环境恶劣的极地地区或深醢底。

所研拟的回收方法不外乎是解离或就地「熔融」气体水合物，所拟用的方法包括：

（1）把储藏地加热到水合物形成的温度之上，

（2）降低储存区的压力到平衡压力之下，（3）注入抑制剂（像是甲醇）到储藏地以减低其稳定性。

已经有计算机的仿真程序发展出来，可以评估注入热水及水蒸汽来生产水合物的气体，结果显示有足够产制气体的速率，在技术上回收水合物中气体是可行的。

同样的，利用抑制剂来自水合物中生产气体，在技术上也是可行的，但是使用大量的化学品，经济上及环境上都有顾虑。

在这些方法中，最经济可行的可能是减压法。

有三种可能的方法来破解并生产这种被封锁在那儿的气体水合物沉积：

1.把储藏矿的压力降到水合物-平衡压力以下。

2.提高储藏矿的温度到水合物-平衡温度以上。

3.注入化学物质到气体水合物层使之分解。

由分析气体水合物在不同的现场条件下，对于一些气体水合物的沉积，减压是唯一实用的方法，而大的减压需要把储藏矿的压力减少到水合物-平衡压力以下。

在北极地区的一些沉积，在气体水合物底下，含有相当多的自由气体，也许可用减压法来生产。

但是如果自由气体没有伸出脚或伸出脚很小，减压法就不适用。

化学物质注入法也不适用，因为化学物质费用太高，而且还要控制化学物质的走向。

此法虽然还要进一步研究，至目前为止，在经济上是不可行的。

在深水区域或没有自由气体伸出脚的储藏区，生产气体水合物最敏感的方法就是提高气体水合物的温度，在理论上虽是可行，但还是需要很多实验室及现场的研究来寻求最经济的加热方法。

（四）、开采技术

1、减压法

开发沉积层条件接近于气体水合物平衡条件者。

如北西伯利亚的美索雅卡Messoyakha）矿区，只生产自由气体以降低压力到平衡压力之下。

此平衡压力是自由气体和气体水合物之接口的压力。

如果在布雷克脊地区（BlakeRidgearea，美国东南海岸的大西洋上），此种方法只适用于33-cm厚层（只有水合物沉积的4%而已）。

其余96%的水合物的气体如要是放出来就需要加热。

2、化学注入法

在布雷克脊地区使用化学注入法很不合经济，事实上，化学法在目前都不适用于气体水合物的矿场。

3、加热法

对于深水沉积，此法为唯一可能的方法。

（Oil&GasJournal,Feb.7,2005,pp43-47,Feb14,2005,pp45-49）

四、非传统的气体资源

非传统的气体资源在过去20年来已成为美国气体的主要来源，而在未来将更显得重要。

美国的气体供应在2000年为19.2tcf（兆立方呎），2003年为19.4tcf，但传统气体的供应却在下降，非传统气体的生产增加了1tcf。

[注：

全世界传统天然气蕴藏量约为6,200tcf（兆立方呎），年生产量为81tcf]

紧密砂层气体（tight-sandsgas）之生产由4tcf增加到4.6tcf，而煤炭床甲烷（coal-bedmethane,CBM）的生产则由1.4tcf增加