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谁来填补石油向清洁能源过渡之缺口?  

来自惊鸿岂止一现   2013-02-15 07:57:30|  分类: 物理与生活 |举报 |字号 订阅

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谁来填补石油向清洁能源过渡之缺口?



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谁来填补石油向清洁能源过渡之缺口?



谁来填补石油向清洁能源过渡之缺口?
    来源:科技日报  

刘霞 综合外电

露天开采含油砂将消耗大量能源和水,同时还会破坏土地,威胁含水层。

露天开采含油砂将消耗大量能源和水,同时还会破坏土地,威胁含水层。

在加拿大阿尔伯塔省的Suncor露天油砂矿,一台巨大的挖掘机一次就能挖起几吨富含沥青的油砂。

 

在加拿大阿尔伯塔省的Suncor露天油砂矿,一台巨大的挖掘机一次就能挖起几吨富含沥青的油砂。

美国加州贝克斯菲尔德郊外的重油油田里,雪佛龙石油公司将用计算机导航的蒸汽注入重油中,将其稀释直到可从地下抽取出来。

美国加州贝克斯菲尔德郊外的重油油田里,雪佛龙石油公司将用计算机导航的蒸汽注入重油中,将其稀释直到可从地下抽取出来。

像轮船一样的海上漂浮采油平台和可遥控钻探技术使石油公司能够在两英里深的海床上开采石油。

像轮船一样的海上漂浮采油平台和可遥控钻探技术使石油公司能够在两英里深的海床上开采石油。 

    石油威胁环境,让国家变得不稳定,同时供应也在日益萎缩。我们使用的总能源中,有35%来自石油。然而,石油也有消耗殆尽的一天,它并不会永远统治世界。虽然在未来几十年内,石油还将在全球各地呼风唤雨,但是,人类必须尽早实现从石油经济到绿色经济的过渡。在这一艰难的过渡期,什么能源能够填满这两种经济之间的鸿沟呢?美国《大众科学》网站7月特刊为我们提供了一些建议。

    必须为石油找到“替身”

    虽然人们纷纷谈论不受地理位置局限的网络化未来,但日益全球化的经济依然需要人和物在全球各地自由地流动和流通,甚至经常是长距离流动。如果没有稳定的史前碳水化合物——石油作为驱动力,这种流动和流通将不得不中止。地球上超过95%的交通工具,从卡车到货船再到客机,都靠石油产品来驱动。如果没有它们,我们将无法乘车上下班;进口货物对我们来说也是很难完成的任务;更不用说耕种土地或将食物从农田运送至厨房等。不论如何,我们现在不得不依靠石油。

    人类对石油的依赖在很大程度上并不是因为石油工业强大的政治影响力,而是因为石油本身就是一种强势的能源。其能量密度远远高于其他能源,而且,生产石油耗费的能源最少。在中东,人们通过简单方法就能获取的“容易”石油依然很丰富;钻探公司只需投入与1桶原油相当的能源就能获得30桶原油。对于地球上任何可广泛开采的能源来讲,石油的能源投入和产出比绝对是最高的。相较之下,投入同样多的能源,得到的玉米乙醇还不足两桶。石油令人惊叹的高效是它依然保持供不应求局面的原因之一,尤其对交通而言更是如此,也因此,找到一种能替代石油的能源非常困难。

    但是,我们必须找到替代能源,因为我们几乎已用光了地球上大部分容易开采的石油。现在我们正在开采页岩油和重油等非传统能源,然而,对它们进行勘探、开采和提炼都更加困难而且昂贵,最重要的是,环境成本也在不断飙升。对当地生态来说,石油生产依然是一个巨大的环境灾难,去年发生的墨西哥湾漏油事故仍然让我们心有余悸,与此同时,石油巨大的碳足迹也是悬在全球环境头上的一把“达摩克利斯之剑”。

    要想填补目前的石油经济和未来的清洁能源经济之间的鸿沟并非易事。有些替代系统,比如用海藻制成的生物燃料驱动的电动汽车,未来或许会得到大力推广。但是“可持续性”既是一个环保概念,也是一个经济概念。人们总是更青睐便宜一点的能源而不是昂贵的能源。确实,在欠发达地区,廉价能源对人们的生存来说不可或缺。让人人都能用得起替代能源是一个漫长而不确定的过程,部分原因在于,随着技术的不断进步,与替代能源竞争的基于石油的系统(比如内燃机)也在变得更高效、更有吸引力。

    未来40年还需2万亿桶原油

    即使我们已经做好了准备,比如,在2020年前大规模制造出新一代生物燃料驱动的插电式混合电动汽车,我们甚至能做到最好,也就是说,生产这些电动汽车的速度和生产汽油动力车的速度一样(全球年产量为7000万辆),我们仍然需要15年才能将所有车辆替换过来。与此同时,随着新兴经济体启动了发展的引擎,它们对能源的需求与日俱增,诸多因素叠加在一起,会导致石油消费继续增长。

    美国加州大学圣迭戈分校的国际能源政策专家大卫·维克多说,石油消费在接下来的20年内都不会减少。现在,全球每天的石油消耗量为8500万桶,而到某个时刻可能会增加至1亿桶。美国斯坦福大学普雷科特能效中心主任詹姆斯·斯威尼说,实际上,将全球石油消耗削减至经济上和环境上都能接受的水平(比如每天3000万桶)至少需要40年。在此之前,“我们还将消耗大量石油”。

    那么,我们到底需要多少石油呢?按照维克多估计的速度,在石油消耗于2030年左右到达峰值之前,我们还需要约1万亿桶原油;而在石油消耗慢慢减少,成为能源经济的微小组成部分之前,还需要消耗另外1万亿桶原油。因此,在未来40年我们朝清洁能源经济过渡期间,我们必须开采出约2万亿桶原油——几乎相当于自1859年美国宾夕法尼亚投机分子开启石油时代的序幕以来,我们已消耗殆尽的1.2万亿桶石油的两倍。

    美国科罗拉多矿业大学石油工程专业的教授侯赛因·卡泽米说,这2万亿桶石油中,大约有一半的石油已被发现,正在等待科学家们证实,而且这些可以依靠现有技术开采出来。然而,要想得到剩下的一半石油就不那么容易了。有人估计,地球还蕴藏有超过8万亿桶石油,但它们以各种各样的形式存在,比如,某些是页岩油,其开采和提炼成本相当昂贵。另外,当我们打算开采出那些最容易开采的石油时,可能也需要支付意想不到的外部成本,这种成本或许与石油无关,可能也无法简单地通过给汽油涨价来进行弥补。比如,从不稳定的国家开采石油可能导致政权更迭;在环境脆弱的地方开采石油可能给土地和海洋造成巨大创伤等等。

    这意味着我们正在面对一系列复杂的选择,不仅关于在何处开采何种石油,同样也关于何时开采以及如何开采它们。一次将其全部开采出来也许会被认为是明智之举,尤其对进行资源投资的石油商人或不关心外部成本的政客而言更是如此。但是,随着工程师们不断研发出新的开采和提炼技术,昂贵的、会破坏环境的石油在未来有望变得更廉价、更清洁。有鉴于此,如果我们不以政客或商人的短浅目光,而以石油工程师的远见卓识来考虑如何最好地将未来必需的2万亿桶原油开采出来,那么,哪种能源应留到最后,哪种能源应最先开采呢?

    页岩油

    总储量:3万亿桶原油当量(BOE)

    外部成本:很大

    鉴于未来进口石油会引发焦虑,美国政客们理所当然最先想到的是距离最近、储量最大的石油资源。对很多人来说,这就是页岩油。仅仅美国科罗拉多州、犹他州和怀俄明州的页岩中就蕴含有8000亿桶石油。但是,慢着,政客们应该抑制这个冲动,三思而后行。

    当油母质(石油和天然气的有机前体)聚集于厚厚的岩层中,受热不充分不足以变成石油时,就形成了页岩油。石油工程师早就知道了如何继续完成大自然没有完成的工作——加热油母质,直到其蒸发,随后通过蒸馏法将得到的气体变成合成原油,接着再将原油提炼成汽油或其他燃料。但是,整个过程非常昂贵。油母质要么在露天开采,再在地面上转化;要么在地下用电加热器加热,然后再抽到地面,这两种生产过程都会将石油成本推高到90美元一桶。不过,随着原油价格不断上涨,大多数人会逐渐开始接受页岩油的这部分增加成本,而且,如果页岩油的开采规模不断扩展,其开采成本还可能下降。

    问题在于,开采页岩油的外部成本也非常高。页岩油的能源密度很低,一吨页岩只能产出30加仑纯油母质,因此,石油公司需要从几千英亩土地上挖出数百万吨原材料,这可能会导致大量危险的重金属进入水循环系统中。地下加热法也可能污染地下水,尽管石油公司一再表示可以通过将地面冷冻来避免出现这种情况,但其潜在危险也足以让人胆战心惊。

    另外,这两种方法都需要耗费大量资源。生产1桶合成原油需要3桶水,这对于饱受干旱威胁的美国西部地区来说不啻于雪上加霜。如果使用地下加热法,要求油母质在长达两年多的时间内保持371℃左右的高温;另外,地面加工也需要大量热量。诸多需求再加上油母质本身的能源密度偏低,使得页岩油的能源产出和投入比介于10∶1(投入1桶,产出10桶)和3∶1之间。

    煤炭

    总储量:1.5万亿桶原油当量

    外部成本:大

    煤炭也能转化为合成原油,二次世界大战期间,燃料奇缺的德国军队已经证实了这一点。其转化方法非常简单:工程师用蒸汽轰击煤炭,将其分解成气体,然后再将得到的气体转化为汽油和其他燃料。很多能源公司正在宣传各种煤制油方法,并将其作为取代石油的一种方式,尤其在美国和其他煤炭资源丰富的国家,这种宣传更是势不可挡。

    显而易见,煤制油极富吸引力,按1吨煤炭换取2桶汽油的转化率折算,从理论上来讲,全球8470亿吨可开采的煤炭可以转化成约1.5万亿桶合成石油。

    然而,与页岩油一样,煤制油也存在明显的缺陷。其能源投入产出率差强人意,投入与1桶石油相当的能源只能获得3桶至6桶石油。此外,煤炭所含的碳为石油的1.2倍,将其转化为液体,碳还会增加。煤制油的碳足迹几乎是传统石油的两倍——每桶煤制油会释放出1650磅二氧化碳,而每桶传统石油仅释放947磅二氧化碳。

    美国卡内基梅隆大学环境工程学教授爱德华·鲁宾说,即使制造商们安装庞大而昂贵的系统将转化过程中释放出的所有二氧化碳捕捉并封存起来,但由于煤炭生产消耗了如此多的能源,以至于煤制油排放出的二氧化碳仍然与传统石油排放的二氧化碳相当。最好的情况是,用煤炭来制造燃料将使我们更接近与环境更兼容的能源系统。

    而且,煤炭的供应也并非永无止尽。2008年,兰德公司的研究者得出结论说,只用煤制油取代美国每天10%的交通能耗,每年就需要4亿吨煤炭,这意味着需要将现在即将突破环境极限的美国煤炭业的规模扩大40%。尽管从政治角度而言,这样的想法在有些国家能够实现,但鲁宾表示:“在美国恐怕行不通。”

    比现在更好的能源

    重油

    总储量:1万亿至2万亿桶石油当量

    外部成本:较大

    其他非传统能源尽管有这样或那样的缺点,但是,随着更多新开采方法不断涌现,这些非传统能源的吸引力与日俱增。“重油”就是其中之一,从委内瑞拉的糖蜜状原油到加拿大阿尔伯塔的沥青含油砂都是重油。几十年来,石油贸易商一直认为重油比轻质原油低一等。轻质原油更容易开采,其分子链更小,因此更容易被提炼。相反,重油的分子较大,主要用于制造利润较低的产品,比如用做轮船燃料或提炼沥青等。但新提炼技术使重油更容易转化为汽油;而新的开采技术则使它更容易从地下发掘出来。

    例如,在美国加州贝克斯菲尔德郊外的重油油田里,雪佛龙石油公司将用计算机导航的蒸汽注入重油中,将其稀释直到可从地下抽取出来。加拿大阿尔伯塔公司采用的技术更先进:公司将沥青从沙土和粘土中分离出来,再将其烧煮成合成原油。每2吨沙土可转化为1桶原油,按照这个转化率,仅仅阿尔伯塔的含油砂就包含有3150亿桶原油。随着提炼成本不断降低,日产出量可达150万桶;到2035年,日产出量将为现在的4倍,达到630万桶。

    然而,重油生产也有很多外部成本。就像页岩中含有的油母质一样,沥青也必须要么在地下加工,要么在露天开采。两种方法都要消耗大量水。每生产一桶石油需要消耗4.5桶水。能源产出和投入比为并不令人乐观的7∶1,再加上重油富含碳,由沥青中提取出的原油的碳足迹为传统原油的1.2倍,虽然无法与煤炭的碳足迹相比,但同样不环保。而且,碳捕捉与封存(CCS)技术只能让部分二氧化碳不进入大气中。此外,油砂开采占地面积很大,因此,能够捕捉到的二氧化碳很少。一项研究表明,到2030年,碳捕捉率只能达到40%。

    如果能大力改进碳捕捉技术,那么,重油将在最后的2万亿桶石油中占据相当大份额,其碳罚款将远远低于煤制油或页岩油。

    超深海石油

    总储量:0.1万亿至0.7万亿桶石油当量

    外部成本:较大

    “超深海”中的“深”指的是漂浮的石油钻探台到海床的深度(一般超过5000英尺)。但更重要的深度是从海床到石油本身的距离。在海平面下1英里至2英里处进行石油开采并非难事,可如果再往下延伸几英里就非常困难了。目前的最远距离为海床下7英里,2009年在墨西哥湾创造。但是,逐步壮大的海洋钻探团队正在利用新的钻井平台技术、水下机器人以及四维地震学(地质学家用此技术实时追踪石油和天然气的沉积环境)等来提高产量。尽管科学家们目前只对全球不到一半的深海地区进行了充分的勘探,但是,在过去10年里,深海石油的产量增加了两倍多,日产量高达500万桶,到2015年可能还会翻倍。

    不过,去年的墨西哥湾漏油事故表明,深海石油开采可能附带巨大的外部成本。2010年4月20日,英国石油公司在美国墨西哥湾的“深水地平线”石油钻井平台发生严重爆炸,致使11人惨死,也损坏了海底油井管道,造成每天约1.9万桶(79.8万加仑)、相当于总共约2000万吨原油泄漏到大海中,约3万平方公里的海域被油污覆盖,路易斯安那州的70英里海岸线受到油污侵蚀。

    超深海石油开采还面临着很多其他挑战:超深海石油储藏地的压力为海平面的2000倍,其中石油的温度可高达204℃,富含腐蚀性化合物(比如氢化硫,这种物质在水中时可溶解钢铁)。另外,从海床出发的管道长而沉重,支撑它们的平台必须相当大才能让其保持漂浮状态。

    几十年来,科学家们探测到的最大的深海油田是位于巴西靠近里约热内卢海岸地区的一处深海油田,初步估计石油储量将高达450亿桶。此处发现的海底油田有1.5英里厚的保护盐层,这个盐层可以吸收周围的热量,保护石油不被分解,但是,它也会使石油凝结成果冻状的物质,开采前,钻探者必须用化学制剂对其进行稀释。

    因此,超深海石油钻探成为世界上最昂贵的生意也就不足为怪了。一个海洋钻井平台的造价可能高达6亿美元甚至更多,如果在北极地区进行,成本更高,因为钻台必须能抵御10级冬季风暴,能对抗可刺穿船壳的巨大浮冰块。一口超级深水井的成本“一不小心”就会达到1亿美元。然而,尽管付出了诸多努力,深海石油的能源产出和投入比还是只有从15∶1到3∶1不等。

    墨西哥湾漏油事故发生后,尽管石油公司纷纷开始改进其开采石油的安全性,但是超深海采油领域的大部分研究还是集中在如何节省成本和能源上。例如,能被遥控的钻头使石油公司能够从一个平台钻多个井,从而降低了成本,大大提高了石油产出量。为了进一步削减成本,石油公司将使用更强大的钻探马达、由最坚固的材料制成的钻头来提高机械钻速。有的公司甚至根本不使用任何钻头,美国阿贡国家实验室的测试显示,与传统钻头相比,高能激光能更快地穿透岩石。

    随着石油公司纷纷研发出更精确的“多频道”地震勘探技术,成本还会进一步减少。“多频道”地震勘探技术将上百万个地震信号结合在一起,可以帮助石油公司避免钻入空岩层中,以减少他们做无用功的次数。为了更好地探明石油的储量,石油公司正在研制抗热又抗压的井底感应器(与美国国家航空航天局用来监控火箭引擎的装置非常类似),这些感应器可通过光纤与地面计算机进行通讯。

    随着科学家们获取的数据越来越多,石油工业也需制造出更强大的分析工具来对这些数据进行分析。“如果要分析100万个频道的地震数据,我们需要每秒能进行千万亿次计算的超级计算机,可惜,目前我们还欠缺这场‘东风’。”壳牌石油公司的首席地质学家布鲁斯·莱沃兰说。为了获得这样的计算能力,石油公司正在同英特尔、IBM以及其他硬件公司合作。莱沃兰表示,未来,石油产业“将推动高性能计算机的发展”。

    现在可以利用的资源

    天然气

    总储量:1万亿桶石油当量

    外部成本:较小

    在作为交通燃料方面,天然气一直是石油最大的潜在竞争对手。与石油相比,天然气更环保:当制造出同样多的能源时,天然气释放出的有害颗粒更少,而且,碳排放量比石油少四分之一。但现在,天然气(主要为压缩天然气)仅为美国不到三分之一的交通工具提供燃料。不过,随着天然气的总供应量持续增加,这一比例也必定会水涨船高。

    随着名为水力压裂的技术不断取得进步,燃气公司现在可从以前很难接近的油页岩中开采出天然气。目前已探明的全球页岩气的储备为6662万亿立方英尺,相当于8270亿桶石油。这还不包括一般在油田中石油附近出现的天然气以及在仍然未被开采的深海盆地中的天然气。

    天然气的储量如此丰富,因此,在提供同等能量的情况下,其价格仅为石油的四分之一,也正是这一价格优势使压缩天然气从一种主要用于公交巴士的非主流燃料“变身”为一种大众消费品。北美最大的独立提炼商、总部位于德州圣安东尼奥的Valero公司很快将在美国各地的新加油站出售压缩天然气。

    尽管如此,天然气驱动的未来可能仍然有一些高昂的外部成本,水力压裂法或许会带来巨大的环境灾难。这种方法使用高压液体来冲开蕴藏天然气的地下岩层,这些液体中常常含有可能会污染地下水源的有毒化学物质。不过,这样的风险也许能被控制住,因为天然气一般沉积于地下几千英尺的地方,而地下水层通常靠近地表,因此大多数污染发生在上升孔和地下水位交界的地方,可以通过要求钻探工人更严格地密封孔壁而将这一风险减至最低。

    然而,令人吃惊的是,如果将太多天然气用于交通领域,可能也会有负面后果。首先,它可能增加对天然气的需求量,导致价格上涨,从而削弱目前的成本优势。其次,将大量天然气应用于交通领域,可能意味着需要从发电领域调配一些天然气过来,那么,发电领域就不得不用煤来替代天然气,而煤炭的碳含量远远高于石油。但是,通过让某些特定的交通系统(比如公交巴士、货运车队)改用天然气,可在减少二氧化碳排放的同时减少石油需求。

    提高石油采收率,变“废”为宝

    总储量:0.5万亿桶石油当量

    石油外部成本:较小

    外部成本最低的能源或许恰恰是我们在能源廉价时代遗留下的石油。在一片油田中,钻探公司一般只会开采1/3的石油,部分原因在于他们在开采石油的过程中,也减少了推动石油流向地表的压力,使得开采剩余石油的成本更加高昂。在美国,废弃油田可能仍然含有4000亿桶残存油。而在全球范围内,这一数值可能高达几万亿桶。将所有这些剩余油全部开采出来,在经济上并不可行,但随着科学家们在提高石油采收率(EOR)方面不断取得新进展,石油的开采率可以提高到70%。

    提高石油采收率可为全球增加0.5万亿桶石油,而且,它会带来巨大的环境“红利”。最有前途的一种EOR方法是用二氧化碳“淹没”含油层,二氧化碳溶入石油会使石油变得更稀薄、体积增大,因而更容易开采。当石油被开采出来后,可将其中的二氧化碳分离出来,再次注入油田,永远封存在油田内。

    一种最大胆的策略是从发电站或炼油厂捕捉二氧化碳,将其注入油田,这一方法将使美国的石油日产量增加360万桶,同时封存近10亿吨二氧化碳。不同的EOR策略的能源产出和投入比并不一样,最高可达20∶1。

    EOR技术并不能完全填补石油经济向清洁能源经济过渡的能源缺口,但是,在一个完美的世界里,我们至少应该开始尝试利用这些残余的石油,同时多多利用天然气。这样,我们首先可以将对环境的破坏降到最低。如果一切顺利,未来的工程革新将有助于我们更安全高效地开采和消费能源。

    但是,我们并非生活在一个完美的世界里。就目前而言,石油生产商还是会走老路,那就是尽可能采用更廉价的方法来开采石油。石油消费者也会如法炮制,购买最廉价的能源。或许,我们最终会要求市场将能源生产的真正成本包含在售价之中,也许采用征收碳税的方式或者通过其他气候调控政策来实现。我们也可能无法做到这些,能源政策从来不会那么富有远见卓识。我们几乎无法完全“干净地”向清洁能源经济过渡。这一过程需要平衡和妥协,而平衡和妥协的成本将随我们彻底远离石油的日期不断向后推延而与日俱增。

 




 

 

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