環境與生態

天然氣水合物能替代石油嗎?

全球原油產出遞減,而能源需求不斷攀升,美日兩國於2008年6月簽署合作協議,共同開發天然氣水合物。蘊藏量豐富的天然氣水合物,被視為未來的替代能源之一,不少國家正積極投入調查與開採技術的研發,但它究竟隱身在哪些地方?我們又該如何開採與利用呢?

撰文/楊嘉慧
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環境與生態

天然氣水合物能替代石油嗎?

全球原油產出遞減,而能源需求不斷攀升,美日兩國於2008年6月簽署合作協議,共同開發天然氣水合物。蘊藏量豐富的天然氣水合物,被視為未來的替代能源之一,不少國家正積極投入調查與開採技術的研發,但它究竟隱身在哪些地方?我們又該如何開採與利用呢?

撰文/楊嘉慧
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 全球原油產出遞減,而能源需求不斷攀升,再生能源的研發又緩不濟急,未來,人類還有燃料可用嗎?美日兩國於2008年6月簽署合作協議,共同開發天然氣水合物(natural gas hydrate),冀望能解決能源危機。但天然氣水合物蘊藏在哪些地方呢?它真的能減緩能源問題嗎?


天然氣水合物的外形像冰塊,一點火即可燃燒,又稱為可燃冰。(影像來源:經濟部中央地質調查所)


 我們所熟知的天然氣,是一種主要成份為甲烷的氣態燃料,但天然氣水合物較天然氣多了水分子,這些水分子於高壓、低溫的環境中,會將甲烷氣包圍起來,使之成為固態結晶。每單位體積的天然氣水合物若在常溫、常壓下從固態解離,約可產生 150~180 單位體積的甲烷氣和 0.8 單位體積的水。


天然氣水合物具有強大的儲氣能力,常溫、常壓下從固態解離,可產生150~180單位體積的甲烷氣。(電腦繪圖:姚裕評)


深鎖水分子晶籠中的甲烷


 常溫、常壓下,氣體分子在水中的溶解度很低,但在特定溫壓值(通常是高壓、低溫的環境)中,水分子之間會重新鍵結、排列成晶籠化合物(clathrate),形成五角十二面體(pentagonal dodecahedron)和五角十二面六角二面體(tetrakaidecahedron)兩種結構,同時將一個氣體分子吸附於晶籠結構中,晶籠結構再彼此結合成如雪花般的固態結晶。

 水分子晶籠包合的氣體分子可以是甲烷(CH4 )、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H6)、二氧化碳(CO2)、氮(N2)、硫化氫(H2S)等,天然氣水合物以包合甲烷為主,因此也被稱為「甲烷水合物」。由於晶籠化合物是水分子間以非常微弱的引力結合在一起,因此只要壓力降低或溫度升高,水分子的熱擾動增強,引力無法維繫籠狀結構,甲烷便會從中解離出來。



甲烷水合物的相平衡示意圖。形成甲烷水合物的溫壓範圍在紅線以左,即圖中的綠色區域;紅線以右,即圖中的黃色區域,甲烷不會與水或冰相合。(影像來源:經濟部中央地質調查所)

天然氣水合物常見的兩種籠狀結構為五角十二面體(小空隙)(左圖)與五角十二面六角二面體(大空隙)(右圖),每個籠狀空隙可填充一個氣體分子,如甲烷(CH4)。(電腦繪圖:姚裕評)


形成水合物的條件


 不論是天然氣或天然氣水合物,自然界的甲烷氣都是生物沉積物經由微生物作用或熱分解而來。經濟部中央地質調查所科長鐘三雄表示,前者是產甲烷菌(methanogen)將有機質分解與轉化而產生甲烷;後者則是沉積有機質經過深埋,受到地溫加熱而分解產生甲烷,尤其在溫度高達150℃以上時,分解作用就會生成以甲烷為主的產物。

 天然氣水合物大多分佈在水深500~3000公尺海域,主要是在大陸棚與海盆之間的大陸斜坡、海床下1000公尺以內的地層;陸地上的永凍層也有一部份含量,約在地表下150~2000公尺;而少數深水湖泊如黑海、貝加爾湖的深水區底下的地層也有。

 海面下的天然氣水合物都蘊藏在陸海交界一帶。台灣大學海洋研究所教授劉家瑄解釋,這是因為大陸邊緣帶沉積速度快,源自陸地的有機物含量相當豐富,能在地層中形成大量的甲烷氣,加上溫度與壓力條件符合,甲烷氣很容易被水分子包合而形成天然氣水合物。


天然氣水合物幾乎都蘊藏在陸海交界一帶,圖中的黃點為已確定或可能蘊藏天然氣水合物的分布位置。(影像來源:經濟部中央地質調查所)


 具有天然「儲氣槽」的地層,可說是天然氣水合物聚集的最佳環境。在富含孔隙的砂岩層中,水原本填滿了所有空隙,當甲烷氣生成後向上竄流,一旦進入適合天然氣水合物生成的溫、壓環境,就會被水分子包合住,形成天然氣水合物。固態的天然氣水合物大量形成後,會填塞住地層中的孔隙,使得該地層變成不透水層。


藏量豐富,仍有污染隱憂


 根據天然氣水合物的生成條件,估計全球天然氣水合物的蘊藏量相當多,許多國家如美國、日本、印度、英國、加拿大、韓國、中國大陸、台灣等,紛紛展開調查與研究。從經濟部中央地質調查所的資料顯示,台灣西南海域(高雄、台南外海)水深大於 500公尺,且富含有機質,正具備天然氣水合物生成的條件;而相關研究單位利用海底仿擬反射法,也測得該區極可能蘊藏著豐富的天然氣水合物。經初步概估,解離成天然氣的儲量約高達5000億立方公尺以上,預期可提供國人使用65年。未來若能成功研發出開採技術,便能降低進口原油的比例。

 與石油相比,燃燒天然氣所產生的污染較低,不僅不會排放硫氧化合物,產生的氮氧化合物與二氧化碳也比石油分別少了33~50%與67%,可算是較潔淨的能源。然而,不可否認的,天然氣水合物仍是一種化石能源,燃燒後會產生二氧化碳,加劇全球暖化。因此科學家面臨的考驗,除了開採技術的提升,還得設法降低二氧化碳排放,以減少這種新型態能源對環境帶來的衝擊。




開採並封存,解決二氧化碳的一石二鳥之計


 台灣大學海洋研究所教授劉家瑄表示,目前天然氣水合物開採的原理主要是利用改變溫壓來破壞晶籠化合物的結構,使甲烷從籠狀結構中解離出來。如熱激發法(thermal stimulation)是利用地表泵將熱水送至目標地層,利用升溫效應採集天然氣;減壓法(depressurization)則是抽取地表下的氣體,降低壓力以促使甲烷氣釋放出來。這兩種方法也可以相互結合,先利用熱激發釋放出甲烷,再不斷抽氣,將甲烷導引至地表。2008年4月,日本在加拿大西北部永凍層中進行開採研究與測試,即是結合上述兩種方法。

 另外,在開採天然氣水合物的同時,順便將二氧化碳封存至地底下,也是一舉兩得的構想。經濟部中央地質調查所科長鐘三雄指出,將二氧化碳打入天然氣水合物賦存層的上方與下方地層(下圖的(1)及(2)),讓二氧化碳形成水合物。由於二氧化碳在形成水合物時,由氣態變固態,會放出熱能,下層的熱氣往上冒,可以形成一個加溫層,幫助天然氣水合物解離而易於抽取,而上層的作用是形成天然不透水層屏障,防止開採過程中的天然氣外洩。不過上述做法在技術上仍有困難尚待解決,未來若能一一克服,便能達到一石二鳥的目的。



開採甲烷水合物並封存二氧化碳的概念示意圖。首先在甲烷水合物賦存層上方注入二氧化碳,形成二氧化碳水合物封閉層(1);再於甲烷水合物賦存層下方注入二氧化碳,形成二氧化碳水合物(2),同時藉由形成二氧化碳水合物所放出的反應熱,促進上方甲烷水合物解離。當甲烷氣被抽取至地表後,再注入二氧化碳到甲烷水合物賦存層,取代被抽走的甲烷,同時形成二氧化碳水合物。(影像來源:經濟部中央地質調查所)