石油替代可行性及成本效益分析

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1、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目录 摘要 壹、前言 贰、非传统油气一、油砂二、油页岩三、甲烷水合物四、非传统气体资源参、其它替代燃料一、煤炭气化与液化二、气体制造合成液体三、核能及核聚变四、其它肆、再生能源一、风能二、太阳能三、生质能四、海洋温差发电五、其它 伍、各种替代能源可行性及成本效益分析 一、能源与发电二、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；

2、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

3、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

4、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。壹、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

5、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, Statisti

6、cal Review ofWorld Energy,20xx * 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

7、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 2021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

8、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

9、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：l 石油需求量继续增加。l 各国忧心能源及经济安全。l 世界石油供给很快达到顶峰而下降。l 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。l 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。l 氢能及燃料电池并非能源，其来源目前还是倚赖传统能 源。貳、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

10、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

11、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lOMbd。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 (l)Gb (2) Gb (3) Gb Mb/day 中东240 68626921 前苏俄142 77140 9.3 拉丁美洲 9911110210.2非洲75 77 62 7.9北美洲18737 8310.6欧洲4621 306.9 亚洲 64 39278.0其它20

12、111合计873104871173.9 最终可采储量(1+2+3) =2,632Gb 新斤增储量=未发现储量和储量成长非传统油源：重质油、油页岩、油砂、GTL20021.1 Mb/day2021 6.5 Mb/day20xx2 Mb/day203010.1 Mb/day2021 3.8 Mb/day 资料来源：已证实储量及产量：BP Global energy statistics为发现 储量及非传统生产：IEA WE02002(资料来源： Klaus Illum, IEA 0il Projections Disputed, illumpost1.tele.dk，1 December20xx.

13、)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 6,0001000年 Bird(1989) 重质原油和沥青 全世界 6,2001033 Meyer and Schenk(1985) 重质油 加拿大、委内瑞 拉600100IEA(1998) 气体制液体(GTL)全世界15025 IEA(1998) 重质油 加拿大、委内瑞拉3,460 577 Dusseault(1997) 油页岩 Green River Fm,Colorado, Utah, Wyoming1,500250 Smith(1981), Mc

14、Cabe(1998) 油页岩 所有美国，包 括低级品160,00026,667 Duncan and Swanson(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

15、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20xx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

16、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（Charles Rulgrok） 说，到20XX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

17、）、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（oil shale）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, 0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4050百万年前的老沉积岩，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

18、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 5000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

19、。其质量比煤重，发热 量只有煤的 3050。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67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l.OGt （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.ll987 巴西ll.5l969l999 中国2.0l985 爱沙尼亚2.51988 约旦 5.01997 摩洛哥 8.11984

20、俄罗斯 36.91988 美国290.01980 札伊尔14.01958 合计 374.1 （炼油技术与工程， Vol.34,No.3,pp60-62,20xx.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

21、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 （Southern Pacific Petroleum； SPP）使用，

22、预计于 2003 年兴 建、20xx年运转，每日可生产15,000桶原油；其过程为先将材料 预热至2501，然后在5001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4505001。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髙真空（2.9X10 3psi及一 236C）下或髙压下（163,000 psi 及 5

23、7C）（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2.6 t cm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（methane hydrate），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

24、，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（Lake Baikal），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

25、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1 000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

26、的寒冷地段，在陆上，这些沉积是在永冻层地区中，深度02公里深。在海上，沉积是在 500700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

27、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，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

28、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

29、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

30、气体水合物在不同的现场条下，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

31、技术1、减压法开发沉积层条接近于气体水合物平衡条者。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（Blake Ridge area，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 & Gas Journal, Feb.7,20xx,

32、 pp43-47, Feb14,20xx, 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19.2 tcf (兆立方呎)，2003年为19.4 tcf,但传统气体的供应却在 下降，非传统气体的生产增加了 1 tcf。注：全世界传统天然气 蕴藏量约为6,200 tcf (兆立方呎) ，年生产量为81 tcf 紧 密砂层气体(tight-sands gas)之生产由4 tcf增加到4.6 tcf,而煤炭床甲烷(coal-bed methane, CBM)的生产则由1.4 tcf增加到1.6 tcf。

33、比率增加得最多的是气体页岩(gas shale)，由0.4 tcf增加到0.6 tcf,大部分来自巴涅特页岩(Bart shale)，就是今日美国生产最多的生产的气体页岩。非传统气体的生产预计在20xx年会超过10 tcf/y，而在 2000年为5 tcf/y。美国12个最大的天然气田，有9个属于非传统性的。非传统 的资源代表还未发现的潜在气体在 Lower 48 US区域约有35%, 在落矶山区域到2021年将达到50%。与传统气体不一样,非传统气体较难于生产,因为其渗透率 低,其生产机制也较不易清楚。技术的困难也牵涉到较微薄的经 济性。非传统气体可以分为四大类：紧密砂层气体、煤炭床甲烷、

34、泥盆纪页岩(Devonianshale)、和天然气水合物(naturalgas hydra te)。这些资源的共通点就是需要开发新的技术， 才能在合理的价格下生产。紧密气体砂层的位置、大小、和品质差异很大，由砂岩所形 成，渗透率小于.0.1 md。是目前所生产的非传统气体分布得最广者。美国在 1970 年代生产1 tcf/y, 1980年代生产3 tcf/y。在19701999年间，从 Lower 48 US区域生产量从0.8 tcf增加到3.3tcf，占有Lower 48 US 气体总产量的19%。五大盆地为南德州、东德州、西德州的 Permian、新墨西哥州、和新墨西哥州的SanJuan。

35、CBM 般可以回收5070%的最初气体油藏。美国的CBM生产 量在1989年为150 bcf,到2003年为1.6 tcf。三个最活跃的 CBM区域是在Power River, Uni ta,和Rat on盆地，其中以 Power River 最为活跃。泥盆纪页岩中，天然气可能存在在岩石的孔隙而游离、吸收 在有机体中、或者游离在天然的裂层中。这些不同的储藏机制会 影响气体生产的速度和效率。每一个气体页岩都必须单独检验、 探勘和钻探。它们有三个主要的优点：探勘成本中等、高成功 率、生产量下降率慢。在2001年，约有2,800个以上气体页岩井生产约380bcf/y。来自五大盆地：Appalachi

36、an, Michigan, Illinois, Fort Worth,及San Juan。在这五个盆地的气体估计总共580 tcf。参、其它替代能源一、煤炭气化及液化（资料待补充）二、GTL（天然气制造合成燃料） 偏远地区及很难利用之天然气过去予以液化成液化天然气（LNG），销售至市场，但须长期投资且费用庞大，现在趋势则利 用GTL技术制程合成油品。UOP更将GTO （gas-to-olefin）制程 扩展为GTP （gas-to-polymer,天然气制聚合体）制成低密度聚乙 烯及高密度聚乙烯，并将其中丙烯聚合成聚丙烯。以天然气进行LNG、GTL、GTP的利用之比较示如表二。表二天然气利用之

37、相对比较 LNG GTL GTP 产品 4.25MMMTA 50,000BPD 495 KMTA LDPE 325 KMTA PP 天然气用量（亿立方公尺/年） 6.5 5.02.0 投资额（百万美元）2,8001,5001,560 回收年限（年） 7.9 7.7 3.5 由气体制造之液 体合成燃料（gas-to-liquid, GTL ）可用以替代原油或天然气， 它的原料包括煤炭、油页岩、油砂、和生质体。据IEA于1998年所做的世界能源展望中提到有多余无处利用的天然气，无法达到市场，其量有1,488兆立方呎 （tcf），相当于,500亿桶油，可供全世界使用5.4年（2003年用量）。煤炭经

38、由气化或液化可以转化成气体或液体燃料。在气化法中，煤炭与蒸汽及氧反应后产生一氧化碳、氢气、和甲烷的混合 物。这种气体混合物可以用来替代天然气，或进一步处理成为合 成的天然气。煤炭的液化有很多制程，其中之一称为热裂解（pyrolysis），将煤炭很快地予以加热，使它的液体挥发出来。将挥发出来的煤焦油与氢气作用产生液体燃料。剩下来像木 炭的固体也可以做为燃料来烧。(一) 、GTL的特色天然气转化出来的液体多属直链碳氢化合物，不含硫份、芳 香烃、和金属，可以帮助炼油厂生产非常低硫份符合新标准的燃 料。这种合成油是石油化学工业良好的进料，所生产的柴油有很 高的十六烷值，是高级柴油良好的掺配油料。然而这

39、种轻油的辛 烷值低，所以如要做为车用燃料就需要经过异构化或重组。这些合成燃料也可以替代甲醇用于燃料电池。若做为替代燃 料之用，蜡的部分可以将之转化为润滑油、钻井用泥浆、蜡、及 其它高价值之特殊产品。将天然气转化成汽油、柴油或燃料油不同于将天然气变成液 化天然气，后者是依靠冷冻及压缩，而前者则要倚赖化学制程和 触媒的研究。将天然气分解成一氧化碳和氢气的研究早在七十多 年前德国就开发出费雪 托普许(Fischer-Tropsch, FT)制程，经 过一段时间的沉寂后，近年来又受到重视，并积极改进而发展出 气体制液体制程。这种制程慢慢成为偏远地区天然气的另一项可 行的出路，也是今日几家世界大油公司竞

40、相研究的热门题目。现有的GTL几个领先技术分由艾克森美孚(ExxonMobil)、沙 索(Sasol)、壳牌(Shell)及辛托油公司(Syntroleum)发展出来的，它们在产气地区设有正在运转的工厂，规模在 每天 5,000-100,000 桶之间。根据试验结果，发现在工场规模大 于 50,000 桶，且产气地区的基本建设费不太昂贵，加上天然气价 格便宜的前提下，这种制程就具有竞争性。可能使用本制程的较 佳地区为中东、苏俄、以及拉丁美洲部份地区。全世界第一座气体制液体的商业规模的工厂是德士古(TexacoInc.)、辛托油公司、和伯朗陆特公司(Brown&Roo t Inc.)所建造的。规

41、模为2,500桶/天，由天然气制造中 馏油，投资费用约为75百万美元，生产设备设在一艘50-100呎 的平底载货船上。可以到不同的海上气田间来回。它利用混合的 多相技术的费雪-托普许反应器，将天然气转化成轻质及重质的合 成原油。这些原油可再进一步炼制成各种石油产品。南非的沙索合成燃料公司(Sasol Synfuels)在卡达建造一座 34,000桶/天的GTL设备。此工厂将采用沙索的浆泥相蒸馏油技 术，原料来自卡达巨大的北部气田。经费约8亿美元，预计在 20xx年开始量产。沙索的技术是以费雪托普许制程为基础发展 的。沙索与雪芙龙在考虑澳大利亚的GTL工厂计画，将花费10亿 美元兴建第一阶段的合

42、成燃料工厂，将天然气转化成30,000桶/ 天的柴油、中馏油、和液体石油产品。影响GTL工业的因素有许多，其中包括了石油工业所面临的 环保压力。FT的GTL技术愈来愈有经济性，投资额已降到 $25,000/桶天(壳牌国际气体公司的壳牌中馏油技术则为$20,000/ 桶天)。如果原油价格上涨($20/桶)，就有利GTL技术的商业化。FT技术最大的成本是进料的价格，天然气每增加$0.10/mmBtu, 就会使制造出来的油品成本上升$1/桶。技术进步使GTL制程经济 性增加，目前只要原油不低于16美元/桶，GTL就有生存的空间（二）、GTL制程气体制液体的技术可以分成两大类：直接转 化及经过合成气的

43、间接转化法。将甲烷直接转化可以免去制造合 成气的费用，但是技术挑战性较高，因为甲烷是相当稳定的分 子。反应活化能相当高，一旦活化以后，反应就很难控制。有几 种直接转化制程已被发展出来，但是经济性都不高，所以目前都 没有什么商业价值。间接转化法可以经由费雪-托普许制程合成或经由甲醇的途 径。F-T化学的发现甚早，可推溯至1920年代的德国，后来的发 展则是德国因第二次世界大战的需要，以及南非因种族隔离而被 禁运的年代里。以F-T技术为主的GTL工场有两个主要部分：生产合成气和 转化成合成原油。合成气部分是将天然气转化成氢气和一氧化 碳，可用部分氧化法、蒸气重组、或两者的合并法。主要变量为 氢气与

44、一氧化碳的比率，F-T合成法最佳的比率为2：1。蒸汽重组是在一直火加热器中进行的，管中填充有触媒。不 过产生的氢对一氧化碳的比率为5：1。为了要调整这一项比率， 氢气可以用薄膜法或变压吸附法来移除。部分氧化法可以获得所需的2：1比率，是比较被选择的制 程。有两个途径：其中之一是使用氧气，产生不含氮的合成气； 另一则使用空气产生的合成气则较稀释。不过氧气法需要一空气 分离工场，会增加投资成本。将合成气转化成液体碳氢化合物是一种链成长的反应，一氧 化碳和氢气在不均匀系触媒上反应。触媒属铁或钴系。为高度放 热反应。温度、压力及触媒的选择会导致产生产品轻重的不同。F-T反应器主要有两类。直式的固定管，

45、管中填装有触媒，外 部以加压的沸水冷却。对于大厂，可能需要并串联几个反应器。另一类为浆泥反应器，预热的合成气注入反应器底部，而分 散入浆泥液中(含有液体蜡及触媒颗粒)。当气泡通过并扩散入浆 泥液，以F-T反应转化成较多的蜡份，所产生的热由反应器的冷 却管予以移除，并产生蒸汽。目前有几个较具前景的制程如：1.沙索、壳牌(Sasol-Shell)制程2.艾克森、挪威(Exxo-S tat oi l)油公司制程3.辛托油公司(Syn tho l)制程4.联特公司(Rentech) 制程(三) 、甲醇制造汽油与GTL有关的还有两种以甲醇为基础 制造汽油 (methanol-to-gasoline, M

46、TG) 的制程。美孚公司是用 ZSM-5沸石触媒，已经于1985年在纽西兰现在的美上内克斯公司 (Methanex)的工场中商业化。MTG制程未来的商业化应用将会使用 流体床反应器，因为效率较高且投资费较低。UOP和Norsk Hydro也开发了甲醇制烯烃的制程(methanol- to-olefin, MTO)，获得乙烯和丙烯的选择率较髙。一旦产生烯烃 后，美孚公司的烯烃制汽油制蒸馏油制程(M0GD)就可以把烯烃转 制成汽油和蒸馏油，使用形状选择性的聚合触媒。此种汽油产品属于烯烃类，研究辛烷值髙。中馏份油料亦含 多量之烯烃，可以氢化处理使之饱和后再搀配使用，以免在储存 时产生胶和聚合物。这样

47、获得的蒸馏油将是一种很好的柴油搀配 原料，因为它的十六烷值很髙。目前的GTL技术很可以应用做髙 粘度润滑油的进料。(四) 、甲醇制烯烃制程 相关的还有MT0(甲醇制烯烃)制 程，MT0为GT0(天然气制烯烃)的重心，利用控制孔洞的合成分子 筛为触媒。这种触媒可选择性地将甲醇转化成轻质的烯烃，主要 是乙烯和丙烯。环球油品公司(U0P )之此类制程系以未蒸馏之粗甲 醇为进料，使用流体化床反应器，操作压力比常压略髙，温度中 等。由于会产生中量的焦炭，所以触媒要持续地自反应器中抽出 而送至一流体化床之再生器。反应器及再生器都是根据U0P的流 体触媒裂解(FCC)的设计。自MT0制程所产生的乙烯和丙烯的

48、产率 以碳做基础时为 80%。改变反应器的条可以改变乙烯/丙烯的比 例，由0.75/11.5/1。三、核能及核聚变（一）、核能发电 核能的潜在资源极多。它的原料为铀，含有三种同位素，其比例为：U-238 （99.3%）, U-235 （0.7%）及 U-234 （0.005%）。其 中唯有U-235容易用在核分裂反应炉中。而量最多的U-238同位 素却不分裂，但是可以用U-235分裂的中子撞击U-238而转化成 为可分裂的钸。Finch于1997年估计，按目前使用U-235的速率，足够使用 500年。然而核能的使用受限于环保及政府的政策。在安全性及反 应炉的设计取得大众信心后，未来亦是一条取代

49、油气燃料的途 径。（二）、核聚变核聚变（nuclear fusion，亦译核融合）反应器的燃料是氢的两个同位素，氘和氚。氘不同于石油、瓦斯、及煤矿，它的来 源几乎无穷尽，因为它存在于海水中，氚则是人造同位素，是在 产生核聚变的载具照射含量丰富的元素锂产生。可以用反应炉制 造核聚变，结果除了产生能量，还有一种废弃物氦。全世界的电 力即使全部依靠核聚变发电，地壳中的锂蕴藏量也够维持600 年，何况海水中的锂含量更丰富，海水中锂的总蕴藏量高达1500万年份。1克的核能发电燃料 核裂变（nuclear fission，亦译核分裂）性铀235，可以产生相当于1.8 吨石油所释出的能量。而1克氘和氚(核聚

50、变发电燃料)，可以产生相当于8 吨石油所 释出的能量。引发核聚变反应，必须将离子体加热到摄氏1亿度以上。目 前加热离子体，一般采用两种方法。一是利用微波炉原理，以微 波撞击离子体，另外一个方法是利用将热水注入温水的加热 原理。在安全方面，在铀核裂变方面，是将数年份燃料放进原子核 反应器中，然后精密控制燃料，让燃料一点一点地燃烧。如果燃 料于某些原因无法受到妥善控制，导致输出能量急遽上升，这种 情况就是失控。情况失控可能引发事故，因此控制燃烧非常 重要。核聚变反应器的运转则是由外部一点一点地补给燃料，一旦 停止补给燃料，核聚变反应立刻停止，所以在理论上，不会像原 子核反应器那样出现失控情形。要开

51、发出商业用核聚变反应器，必须克服许多问题。以磁场 核聚变而言，大幅提升加热技术、离子体控制技术，以及产生强 力磁场的超导磁铁相关技术等都待克服。据美国核聚变协会会长狄恩(St ephen O.Dean )称，核聚变 发电厂于2040年首度运转的机率为50% ，于2060年运转的机率为90%。核聚变发电厂的成本约为 既有发电法的两倍。但数十年之后，核聚变发电的成本应该会下 降，其它发电法的成本则会上升。（牛顿杂志，239, 2003年7月，pp3667）国际热核融炉计画将耗资130亿美元，计有美国、日本、南 韩、俄罗斯、中国及欧盟参加，今年6月28日决议反应炉兴建地 点将设在法国南部马赛附近的卡

52、德拉希。法国在七O年代的全球 石油危机后大力发展核能，有58座核子反应炉，数量之多在举世 仅次于美国。四、其它（如二甲醚（DME）（资料待补充）肆、再生能源 未来能源之开发，一般人认为就是开发替代燃料与再生能 源，但这些能源供应量显然无法与非传统石油与天然气相比。据 英国石油公司（BP）预测，到2021年，再生能源供给最多只能达 到全世界能源供给的5%而已，这些还需要各国政府的积极支持才 能达到。根据世界观察研究院（Worldwatch Institute），使用非传 统的再生能源在1990年代里快速成长（图二），风力年成长率为 24.2% ，太阳光电1 7.3% ，地热4.3% 。与之相比，

53、天然气为每年成 长1.9%，传统水力1.8%，石油0.8%，核能0.5%，煤炭是 0.5%。根据联合国发展计画及世界能源会所做的2 0 0 0年世界能源评 估（World Energy assessment, WEA），提到新再生能源（不包括大水力2.2%和传统生质能的9.5%），仅占世界总初级能源供给（total primary energy supply, TPES）在 1998 年为2.2%，相对地，80%为化石燃料，6.5%为核能。须注意，再生能源 市场（不包括大水力）中，生质能占有相当大比例，几近一半（表二）。各国再生能源目标：日本到2021将达3.1%；英国声称2021 年将达10

54、%；丹麦到2021年为17-19%，2030年为35%。 图二1980至2030年全世界能源供给表二再生能源市场中分配比例（目前）:生质能 43%，风能27%太阳能15%，小水力9% 地热4%，海流及波浪 1% 海潮1%(资料来源:Douglas-WestwoodLtd.)据爱丁堡能源分析机构估计，生质能约占全世界能源供给的 15% -在一些开发中国家，甚至占到其国内需求的3050% （表 二）。一些工业化国家的新生质能技术应用则是用在复循环 的热和电力，做为发电、加热、以及分散能源使用。生质能的来 源包括从植物与动物的非商业燃料。国际能源署（IEA ）估计全世 界开发中国家约有24亿人口还在

55、依靠传统的生质能来加热或烹 饪。据IEA的世界能源展望（World Energy Out look, WEO）的报 导，经济发展及合作组织（Organiza tion for Coopera tion and Economic Development, OECD）国家在 TPES, 2021 年再生能源里 的非水力将由2% 成长到 4%（图三），那是所有能源中成长最快 的,平均每年2.8%（表三） 。在再生能源中,风能与太阳能最有发展,但都有供应间歇问 题,如对风能和太阳能继续强制使用并给于补贴,此类能源将以 每年10%的速度增长,比烃能源增长快五倍,虽然替代能源在能源 供应中将发挥越来越大的

56、作用,但到2030年,它们仍只占全球能 源需求的1%而已。另外替代能源则有其局限性。例如从玉米制造乙醇,经济效 益有限,能源效率亦不高,而且占用大量土地。譬如,如果到 2021年,从玉米中制造的乙醇来替代美国汽油使用量的10%,就 需要面积相当于俄亥俄、伊利诺和印地安那三个州总面积的土地 （相当于目前美国用于种植农作物的土地的1/6）种植玉米来供应 原料。生质柴油及二甲醚更无发挥的余地。图三 OECD国家初级能源需求（Oil & Gas Journal,Aug.18,2003, p20）表三2021年全球总初级能源供给能源IEA预测（%） LB-ST预测（%） 石油 3925 天然气26 33

57、 煤炭2514 核能 5 5 太阳能 523 合计（百万公吨油当量）13,50012,500 至于氢能，应注意的是：1. 氢能不是一种能源，在使用之前，我们必须先以石油、天 然气或水中分离氢，但花费太过昂贵，而且整个过程需要大量的 能源消耗。2. 要把这种新燃料投放到消费市场，还需要建立新的基础设 施。氢能不易储存，现在还没有用于氢能生产、运输、和分销的 基础设施。到目前为止，还没有一个经济可行的办法将氢能做为 汽车、卡车、和公共汽车的燃料。3. 从使用安全方面，广泛使用氢能潜在的危险必须要予以考 虑。.一、风能风车受风后转动，自古即用来汲水、磨粉。目前以发电为宗 旨的风车，在世界各地迅速增加

58、，这几年发电量更以大约30%的比 率不断成长。风力急遽成长。全世界，2000年底发电用的风车设备容量为 17,700MW, 2001 年底 24,480MW, 2002 年底 31,130MW, 2003 年为 39,100MW，每年约以30%的比率成长。预估至20XX年将达 110,100MW。注：台湾2003年总发电容量为42,000 MW 风车体 积化与大型化一样，也是尽量利用刮风地点。设置数十部、 数百部风力发电机。风力农场多建于美国的加州、德州，及欧洲 的德国、丹麦等处。美国德州西部的京山风力农场 (KingMountainWindfarm)为全球规模最大的风力农场，有214部风车，

59、能 供应德州14万个家庭电力所需。美国西部十七州州长协会(The Wes tern GovernorsAssociation)于20xx年6月22日一致通过将于未来在西部十七州境内推动一 个开发与使用清净再生能源方案，其目标为在20XX年之前将开发 使用包太阳能、地热、风力、生物大量废弃物生质能与清净煤炭 等为能源来源的电力共30,0 0 0MW ，大约增加相当于30座传统电力 大发电厂的电力，一般而言，1MW电力约可提供1,000个家庭用电 所需。日本现今发电火力发电约占6成，核能发电约占3成，水力 发电1成。相对地，乙太阳能、风力等新能源发电则累计不到1 成。因此日本经济产业省揭示到2 0

60、 2 1年，风力发电将增至总发电 量0.3%的目标。日本在山形县立川町、北海道占前町等处建设风 力农场，进行发电。2000年底，全日本发电用风车的设备容量为 1,420MW(千瓩)；2002年底为460MW；预测20xx年甚至可达1,000MW- 相当于能供应55万个家庭的发电量。在海上风力发电方面，与有遮蔽物、有起伏的路上相比，海 上刮风状况稳定，是优良的风力发电环境。因此欧洲到2002年底 为止，共设置11做海上风力发电设备，其中共有173部海上风力 发电风车：总发电容量为256MW，相当于可供应日本14万个家庭 电力电力所需。丹麦、英国等国，也在海上建设风力农场。位于 丹麦首都哥本哈根附

61、近的密德尔古隆登海上风力农场 (MiddlegrundenSeaWindfarm)为世界上海上最大的风力农场。欧洲风能协会(EWEA, European Wind EnergyAssociation) 于2002年发表风力12(Wind Force1 2 )计画，目标是到了2 0 2 1年，全球电力的1 2%将由风力发 电供应。目前欧洲电力的2%、全球的1%以下，由风力发电供应， 距离目标仍甚遥远。2003年丹麦总发电量的14%已靠风力发电供 应，到20xx年底将达1820%。德国北部，也有地区总发电量近 12%是靠风力发电供应。(资料待补充)二、太阳能太阳光电(pho to vol taic

62、s, PV)每年膨胀2035%, PV之成 本已降至198 0年的三分之一至五分之一。全世界目前的发电容量 为800MW，到2021年将可达到12,000MW。大石油公司BP在再生能源的策略是开发、生产、及销售，以 有经济的收入为诉求。把替代燃料和再生能源看成传统燃料一样 来经营。其中有太阳能事业，是全球最大的，约占全球太阳能市 场30%。控制它的成本，集中在正确的产品线上，要有竞争力，要 整合清洁及健康的能源。BP在太阳光电市场独占鳌头。20xx年发电容量为90MW，到 20xx年将增加至200 MW。BP也于20xx年在德国设立一 4 MW太阳 能园区，是世界上最大的，可供1000家4人的

63、家庭用电。另外在 加州也设立太阳能家庭套装组给客户使用。（资料待补充）三、生质能源（包括生质能、酒精汽油、生质柴油及其它） （资料待补充）图全世界燃料乙醇及生质柴油生产量（19902003）（资料来源：Lew Fulton, Biofuels for Transport,IEA（20xx） , F.O.Lichts,“World Ethanol and Fuels Report” （2003） 四、海 洋温差发电海洋温差发电，系利用海洋寒冷深层水与温暖表层 水之间的温差（热能）来发电的发电法。如同地球上所有能源 都源自太阳，海洋表面（占地球面积的三分之二）经太阳加热后 储存了庞大能量，海洋温差发电就是利用该能量的发电法，因此 只需要海与太阳即可无限利用庞大能量。海洋温差发电(ocean thermal energy conversion, OTEC)的原理就是利用温暖的表层海水，使名为工作流体（operating fluid）的液体加热后蒸发，再将蒸汽送到涡轮机, 让涡轮机转动以产生电力。这种发电