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- 532期－產能與節能的新觀念（4月號）
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2014-04-01全球新能源的展望—頁岩氣
532 期
Author 作者
甘魯生／任職中研院化學研究所。
美國著名科學期刊Science主編瑪西婭．麥克納特（Marcia McNutt），在去（2013）年11月號社論提到，依美國能源資訊署（US Energy Information Administration）資料顯示美國自身產生的能源已超出進口數量，原油生產亦達到1991年來的新高。她期望推動此巨大變化的頁岩氣，成為通到將來的橋樑，而不是暫時的支撐。相信她的評論會引起科學界對頁岩氣的更深入的研究，也意味著一場能源供需版圖的重劃，在國與國之間已悄然進行，對我們未來的影響既深且鉅。
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石化燃料包括煤、石油和天然氣，這三樣的存量都在日益減少，而造成了全面的恐慌。伴隨而來的是價格上漲，影響了生活的開支。然而頁岩氣（shale gas）的發現，舒緩了部份能源枯竭的焦慮。為便於區分起見，我們稱前者為「正規」石化燃料，後者為「非正規」石化燃料。非正規石化燃料除頁岩氣之外，還有水合甲烷（methane hydrate）、來自密封砂岩（tight sandstones）之天然氣，及來自煤碳層的甲烷。本文著重頁岩氣的介紹。
在數億年前本來是海床的沙石碎屑，逐漸沉積一層由河流帶來的有機物，之後因地球板塊碰撞及造山運動，以幾億年時間在這層沙石上又鋪上一層層岩石。沙石碎屑被壓成薄片狀的頁岩層，其性質軟脆、易裂，被埋在裡面的有機物則經過高壓及地熱，而分解成包括天然氣的碳氫化合物。頁岩氣和正規石化燃料不同，後者存留在地層較淺的油（氣）田（reservoir）中，而前者則分布於細密的頁岩小孔及縫隙中，需要將岩石打碎才能將困住的氣體釋放出來。
革新的技術：水平鑽井及水力裂解法
頁岩氣早在1821年就在美國紐約州佛里多尼亞（Fredonia）被發現。第一個井是手工挖的，約有8公尺深，所產的氣體可供四間店鋪及一個磨坊使用。這種出現在地表的頁岩僅是特殊的例子，通常頁岩層出現在約3000公尺地表下，要比正規能源的礦深得多，所以以往開發深層頁岩氣是不符經濟價值的。直到1973年發生第一次能源危機，美國政府考慮到正規石化能源面臨枯竭的危機，才開始發放大量研究經費及給予業者各項租稅優惠措施。在雙管齊下的措施鼓勵下，頁岩氣的開發才完全改觀，而目前美國是唯一達到商業化量產的國家。
導致改觀的關鍵技術是「水平鑽井」及「水力裂解法」（hydraulic fracturing）的應用。根據環境分析師羅傑海洛賓（Roger Harrabin）在美國路易士安那州海恩斯維爾（Haynesville）的氣井現場實地採訪報導，描述頁岩氣的開採過程：首先要鑽一個直徑約23公分、深約3.8公里垂直於地面的孔洞達頁岩層，接著在礦層鑽一個直徑約13公分、長約1.3公里的橫向孔洞。工作完成後地面上鑽孔設備就撒走了。
接著上場的破裂組將所謂的「穿孔槍」（per gun）送進孔洞中，它是塞滿一串爆炸物的有洞鋼管，爆炸物能將周圍的頁岩層炸出約50公分，如針織般密布的縫隙。接著16輛巨型卡車會將約531大氣壓的水、細砂、潤滑及防腐化學物，壓入橫向的孔洞中，沙子剌入破縫中撐開了頁岩的縫隙，藏在頁岩裡的氣體就會被釋放出來，並沿著鋼管孔洞來到了地面（圖一）。至此卡車的任務也收工了，地面上被清得乾乾淨淨，就像在森林中出現一塊約1公頃的空地。出氣量在一年半到二年達到最高峰後逐漸下降，可延續至少十年。
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圖一：水平鑽井及水力裂解法鑽取頁岩氣示意圖，左邊的尺標以呎為單位，一呎約為0.3公尺。
（圖片來源：美國能源資訊署網站，Al Granberg 原繪，作者中譯）頁岩氣的優點
使用天然氣的好處是比燃燒其他石化燃料（煤或石油）乾淨，也就是產生的溫室氣體較少，具體比較如下表所示。
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表：天然氣、煤和石油燃燒產生溫室氣體量之比較
（資料來源：美國環境保護署）
天然氣不但產生二氧化碳之量是煤的一半，其他溫室氣體的產生量更是微不足道。對緩和全球氣溫上升有積極正面作用。不過煤的最大優點是價格便宜，所以各國火力發電仍以燒煤為主。頁岩氣的量產有使原比石油便宜的天然氣價格再下降的潛力，比如說美國天然氣的價格已下降約50％，現在和煤的價格已經逆轉了，只是所佔的比重仍比煤少得多。
存量分布與各國發展
截至目前為止，全球頁岩氣儲存量估計共6572 兆公升，其主要集中於圖二這幾個國家。以現代耗能的速度來算，頁岩氣足夠撐250 年。雖然不能說高枕無憂，但可救燃眉之急是確定的，也可以說目前情勢相當看好。……【更多內容請閱讀科學月刊第532期】