能源大過渡的理論與方法：走近氫經濟

Z陶在樸
現職：
中國經濟企業研究所

經歷：
維也納經濟大學教授
中山大學（廣州）教授
東北大學教授
臺灣中華經濟研究院研究員
臺灣工商時報主筆

有關經濟發展理論、生態經濟、系統動力學和文化基因傳播的專門著作數十種

林文章
現職：
友荃科技實業股份有限公司董事長

學歷：
1.美國 ITU國際科技大學授臺灣發明得獎協會發明博學博士
2.高雄應用科技大學機械與精密工程研究所博士候選人
3.南開大學法學博士學位研究生

經歷：
1.財團法人ICLEI東亞地區高雄環境永續發展能力訓練中心基金會董事
2.高雄市經濟發展委員會「綠色產業組」委員
3.日本國立金澤大學客座教授

國際獎項：
2008年Energy Globe Award-Honorary全球能源「榮譽獎」
2009年Energy Globe Award-National (Taiwan)全球能源「國家獎」
2010年聯合國環境規劃署及世界最大環保組織共同頒發Energy Globe World Award -全球能源「世界獎」-空氣項目首獎，為亞洲唯一獲獎者。

※書籍推薦人
台灣永續能源研究基金會董事長 首任環保署長
簡又新
※推薦文
「能源過渡的理論與方法----走近氫經濟」是一本理論與方法﹑情景與現實互映生輝的有趣讀物，它既是科學普及的書，也是專業技術的書。

本書的第一個可讀性是把學理「揉」在故事裡，例如作者通過1980年代經濟學家西蒙教授和生態學家埃利希教授關於鉻﹑銅﹑鎳價格「打賭」的故事，透視「悲觀論」（資源有限）和「樂觀論」（資源無限）兩派爭取人心的邏輯。理論很重要但枯燥無味，當故事成為理論的載體時，理論就偷渡到你的頭腦裡了。

本書的第二個可讀性是還原「偶然」在能源歷史中的作用，雖然本書並不是能源史也不是技術史。可是，作者在許多關鍵時刻指出「偶然」如何催生「創造」。例如發現「石油高峰」理論的哈伯特，因為偶然的使用了石油產量與累計石油產量的比值作為統計量，才有可能推導出產量「高峰」的公式。又比如生物學家解剖青蛙偶然產生了電流，其實是一場張冠李戴的誤會，可是卻催生了伏特電池的問世。

本書的第三個可讀性是傳授重要的預測技能，本書第四章「能源地圖」專門介紹S型曲線。作者不僅交代S曲線的來龍去脈，更用大量的案列說明它的應用技巧。煤炭如何替代木柴，石油如何取代煤炭，氫能如何取代石油等等。這些案例的研究方法，讀者均可模仿並拷貝到自己的領域，對降低本書讀者的「讀書看報機會成本」有重要貢獻。S曲線除了預測技術發展和替代外，還可以用來研究目前還沒有方法研究的「人文」或「社會」問題，例如莫扎特一生的作品究竟有多少，英國煤礦罷工為什麼無法干預等等。

本書的第四個可讀性是向讀者交代技術的演化途徑。作者不僅討論能源大過渡的理論，還具體的指出能源技術演化的政策取向和各種過渡形式。本書還詳細介紹了台灣氫氧產業的發展狀態和領先地位。構建氫經濟是一條漫長的路，萬里之行始於足下，作者提出以布朗氣（氫氧混合氣體）作為發展氫經濟的「中途島」的作法是現實的。

因此，本書既適合能源產業的讀者，也適合非能源產業的讀者；既適合校園裡的讀者，也適合技術園區裡的讀者，更適合從事能源政策研究和制定能源政策的讀者。

台灣永續能源研究基金會董事長 首任環保署長
簡友新
2014年10月22日
 

第一章 廉價石油經濟的結束

一 、世界第一口機械開採的石油井

「石油」一詞最早出現於西元977年中國北宋編著的《太平廣記》。當時傑出的科學家沈括（1031一1095）在所著《夢溪筆談》中描述 “生於水際砂石，與泉水相雜，惘惘而出”故而名之。石油有兩種，一種是人們經常所談的，由陸地或海洋底層噴出的且易於加工為汽油的“常規石油”，另一種是從瀝青砂岩或油頁岩等礦層使用複雜的并有污染後果的技術而獲得的“非常規石油（或稱為油氣）”。所有上述兩種石油礦床大約形成於1.5億年前的侏羅紀，地質學家估計工業化以來的140年內，全世界大約開採了8,750億桶石油，地底下海底下究竟還有多少常規油可採，一直存在兩派觀點。一派樂觀認為，所有資源不存在用光與否的問題，因此不必杞人憂天特别為石油擔心。另一派相反，認為所有非再生資源相對於人類的貪婪，並非取之不盡用之不竭,更不要說盛世已去的廉價的常規石油，“後石油時代”已經到來。

據維基百科（Wikipedia）的記載，世界上第一個用機械方法開採的石油油井，在美國賓夕法尼亞洲泰特斯維爾城(Titusville)。1859年8月27日，艾德溫‧德雷克（Edwin L. Drake）用蒸汽機完成了該油井的勘探和開採，彼時、彼地標誌了全世界石油工業的開始。

其實早在16世紀初，就有當地的印第安人沿著河溪採收滲漏石油的記錄，當時石油用來替代照明用的鯨魚油。直到1858年，法蘭西斯‧布魯爾醫生認為採油有利可圖，遂而成立了塞尼加石油股份公司。股東會爲了提高產量給艾德溫‧德雷克股東一個任務，請他把油井擴大和加深，德雷克利用一台6馬力的蒸汽機代替人力，經他改造的油井日產量立即提高到30桶。煉油商們以每桶20美元的高價收購了德雷克的原油，如果用今天的價格折算，每桶油的油價100-120美元。一百多年過去了，德雷克的第一口井不復存在，但比它小兩歲的另一口井至今仍在噴油，它的名字叫McClintock #1（麥克林托克1號），這口油井始於1861年，當年的產量是每天50桶。現在油井仍維持在當時的鑽探深度，但是每天的出油量下降到一桶左右。

泰特斯維爾是一個小城，面積12平方公里，目前只是一個旅遊景區，1870年只有2,276人，2010年美國人口普查，新查明的人口數仍舊不多，一萬一千多人。似乎很平常，世界上許多有名的礦區，先天的地理或地質因素限制了規模，它們以“小而美“終其一生，例如臺灣當年的礦山城市九份比泰特斯維爾更小，最初，其物資供給仰賴海路，由於村落中只有九戶人家，故對外採買時皆要求備妥「九份」，久而久之，人們便以此命名。

泰特斯維爾的油田已經荒漠了，人們不僅要問，全世界的其他油田都會像它一樣，由盛而衰奄奄一息嗎？是的，現在的經濟學家、石油專家和評論家們，異口同聲的說「廉價石油經濟的時代」過去了，但是並不等於說，石油沒有了；只是，廉價的石油沒有了。石油並不會立即從能源名單中消失，不過它在經濟中的地位將逐漸為其他能源所代替。

二、揭露最後一滴油的秘密

如果把開採過的石油放在金子塔型的透明盒子裏，請問最後的一滴石油何時發生？揭開這個秘密的科學家叫哈伯特(Marion King Hubbert, 1903- 1989)。哈伯特1903年出生於美國德克薩斯州的一個農民家庭，在芝加哥大學求學，1937年獲得博士學位。哈伯特在哥倫比亞大學教地球物理學，1943年他轉到休士頓的殼牌石油公司（Shell Oil Company）任職。1963-1968又擔任斯坦福大學地球物理學教授，1973-1976兼加州伯克萊分校地學教授。他的雙棲職業和勤奮好學造就了他站得高看得遠。20世紀50年代，美國擁有全球最先進的石油開採、提煉和運輸技術，沒有人為石油的未來操心。哈伯特的思考高了一個層次，他在琢磨石油產量的成長和勘探極限的關係。任何一個油田儲量是限定的，勘探完畢後一般不會再增長，產量看起來是可伸可縮,可以按人們意願而計劃的,那麼這條曲綫會長得怎樣呢，是一條跟著投資走、不斷向上伸展的直線，還是受某種限制的特殊曲線呢？許多人以為，生產石油好像生產麵包，只要你肯投資，產量蒸蒸日上。哈伯特認為石油產量並非自由曲線，投資只是產量形成的必要條件。石油產量曲線與油田的生命週期有關，是倒寫的U字，可以把油田的生命分為三段：勘探的開始階段，油田發現的速度慢數量少，因此與之對應的產量曲線雖然向上延伸但速度緩慢。隨著勘探經驗和設備增多，新發現的油田快速上升，與之相應的產量進入速度快數量多的第二階段。等到勘探出的油田占全部油田的一半時，產量也就登峰造極。再以後由於未被發現的油田越來越少，勘探進入收尾階段，油田發現的數量日益下降，與之相應的石油產量江河日下，直到油田壽終正寢。技術和投資改變不了這個宿命論式的三階段生命週期。

理論的發現往往與科學的手段有關，科學的手段往往又與偶然的事件有關。20世紀50年代沒有電腦，科學家流行作圖，科學家在圖紙上畫甚麼，往往是偶然的但與靈感相關。哈伯特記錄石油並非用產量和時間，而是產量和累計產量。他把P（美國的石油產量）與Q（累計的石油產量）的比值當做研究的變量並在座標圖中標記出來。哈伯特的座標圖的垂直軸是變量P/Q，水平軸是Q，當所有數據標記好後，結果是一條令他驚訝的直線（圖4）。你不覺得哈伯特的故事和柯布-道格拉斯生產函數（Cobb-Douglas Function）的故事多麼相仿，他們的偉大發現都與偶然的作圖有關！

...

1956年哈伯特發表他對美國石油高峰曲綫的發現，他預言1965-1970年美國的石油產量（不含阿拉斯加）將到達32億桶的高峰，高峰以後美國的石油產量將逐漸下降。當時沒有多少人關心這個並不吉利的預測，一直到1971年哈氏的預言成真，世人為哈伯特曲綫的預言能力所震驚，美國人才開始關注石油高峰後的能源安全問題。

歷史是事實，四十多年過去，美國本土48州的石油產量自1971年達到哈伯特最大峰值後，無論投資再多麼努力，無論科技再多麼進步，無論願望再多麼強烈，無論價格再多麼折騰，美國本土48州的石油產量再也沒有超過這個高峰值。

進入21世紀後各國的石油高峰曲綫陸續發表，圖6是Kjell Aleklett教授對北海三國（丹麥、英國、挪威）的哈伯特高峰曲線估計。

中國的石油無論儲量或產量都是名列世界前茅，在世界石油儲量最新排名中中國位居第九，排名如下：沙特362億噸、加拿大184億噸、伊朗181億噸、伊拉克157億噸、科威特138億噸、阿聯酋126億噸、委內瑞拉109億噸、俄羅斯82億噸、中國60億噸、利比亞54億噸。在世界石油生產大國中中國排名第四，中國的石油產量超過了除沙特之外的任意一個歐佩克(OPEC)成員國。國際能源署(IEA)估計，經過過去20年的穩步增長，中國石油日產量達到約430萬桶的歷史最高水平， 2012年底回落至近390萬桶。國際石油機構分析，中國的老油田（如大慶油田和勝利油田）已有40年至50年的壽命，逐漸進入老年期，產量將逐年減少。根據作者五年前的模型，中國石油高峰的出現有三個可能（請見表1），例如2019年，屆時中國石油的最高產量將是199.5百萬公噸。如果未來在新疆、內蒙古等西部省份發現新的陸上油田或渤海灣及南中國海勘探出新的海上油田，由於儲量增加表1預測的中國石油高峰出現時間將退後，高峰的產量數值將提高。

三、世界石油高峰真的來了

哈伯特的石油高峰理論雖然給人新的視野，但也有不少石油公司或專家認為石油高峰是不准確的警報，因為許多哈伯特預測模型對高峰出現的時間一改再改。有人說哈伯特理論應該把技術進步、成本、價格等因素考慮進去,不過此舉將使哈伯特曲線面目全非,哈伯特曲線預期值會改變原因是新油田的發現。所以支持石油高峰派的人往往反擊道，高峰的遲到並不等於不到。他們還指出，某些 石油公司和石油資本家之所以散佈“石油高峰”不到論，並非學術原因，因為任何的“油荒”理論，只會推動石油節約和鼓勵石油替代，對石油資本毫無好處。

根據石油峰值協會ASPO(The Association for the Study of Peak Oil& Gas)2009年公佈的報告，全球已有美國、英國、挪威、墨西哥等66個國家的石油產量跨越了峰值，還有33個國家即將達到峰值，石油產量能繼續上升的國家所剩無幾。

第一章　廉價石油經濟的結束 ⋯⋯⋯⋯⋯ 1
一、世界第一口機械開採的石油井／ 3
二、揭露最後一滴油的秘密／ 5
三、世界石油高峰真的來了／ 9
四、悲觀派與樂天派的價格戰／ 11
五、石油的價格史／ 15
六、熵和看不見的心／ 18
第二章　什麼是好能源 ⋯⋯⋯⋯⋯ 21
一、能源概念三部曲：「功」、「能」和「能源」／ 23
二、能源與經濟發展的關係／ 27
三、什麼是好能源／ 35
四、能源效率指標：能源強度／ 45
第三章　能源結構大過渡 ⋯⋯⋯⋯⋯ 51
一、能源過渡大地圖的開場白／ 53
二、由木柴到煤炭的第一次能源大過渡／ 54
三、石油興起／ 57
四、電力—初級能源的高速公路／ 59
五、再生能源／ 62
六、2030 年世界能源展望／ 65
第四章　能源地圖 ⋯⋯⋯⋯⋯ 73
一、奇妙的S 曲線／ 75
二、技術替代地圖／ 85
三、尋找能源「地圖」／ 87
四、經典與歸宿／ 93
五、台灣的路／ 95
第五章　氫從那裡來 ⋯⋯⋯⋯⋯ 101
一、氫的簡史／ 103
二、如何獲得氫／ 108
三、發展氫能的技術地圖—台灣的機會／ 117
四、台灣的能源安全／ 120
第六章　燃料電池 ⋯⋯⋯⋯⋯ 125
一、電池及燃料電池簡史／ 127
二、燃料電池的類別／ 132
三、全球燃料電池發展展望／ 146
四、氫的儲存與運輸／ 149
第七章　氫經濟的中途島—布朗氣及其應用 ⋯⋯⋯⋯⋯ 155
一、氫經濟的中途島／ 157
二、布朗氣簡史／ 158
三、布朗氣用於汽車混合燃料系統／ 161
四、布朗氣用於汽車除碳／ 167
五、布朗氣與油混合燃料用於鍋爐／ 171
六、未來的布朗氣新應用／ 173