最后几滴：如何弥补石油和绿色能源之间的差距

尽管我们一直在谈论不受物理限制的在线未来，但在日益全球化的经济中，人们的生活仍然需要实际的人和物的移动，而且往往是长距离的移动。如果没有史前碳氢化合物的稳定供应，这种移动就会停止。地球上超过 95% 的交通工具（从汽车到卡车、货轮到大型喷气式飞机）都使用石油产品，没有这些产品，我们将很难上下班或进口电子产品，更不用说耕种田地或将食物从农场运到厨房。现在，我们必须拥有石油。

我们对石油的依赖，与其说是受石油行业政治力量的影响，倒不如说是因为石油本身就是一个极好的能源。与任何其他常见资源相比，石油可以在更小的空间内蕴藏更多能量，而且开采石油所需的能量也少得多。在中东，“易采”石油储量最为丰富，钻井工人只需投入一桶能源就能开采出整整 30 桶原油。这是地球上所有广泛使用的能源中能源投资回报率（EROEI）最高的之一。（例如，同样一桶原油的生产能量只能生产出不到两桶玉米乙醇。）石油的惊人效率是其需求量如此之高的原因之一，尤其是在交通运输方面，这也是寻找替代能源如此困难的原因。

我们面临着一些复杂的选择，不仅仅是在哪里开采哪种石油，还有何时开采。但我们必须找到一个。我们已经消耗掉了世界上大部分的易采石油。现在我们正在钻探硬油：页岩油和重油等非常规资源，这些资源的发现、开采和提炼将更加困难和昂贵。环境成本也在上升。石油生产仍然是一个重大的当地生态危害——去年墨西哥湾深水地平线油井的灾难性故障提醒了我们——即使石油的巨大碳足迹威胁着整个全球环境。

弥合我们目前的石油经济与尚未明确的清洁能源经济之间的差距并非易事。替代系统，例如由海洋藻类农场的生物燃料驱动的混合动力汽车，有朝一日可能会更加可持续。但“可持续性”既是一个经济概念，也是一个环境概念。人们总是喜欢廉价能源而不是昂贵能源。（事实上，许多不太富裕国家的人们仅仅为了生存就需要廉价能源。）而让替代能源系统变得负担得起的过程将是漫长而不确定的，部分原因是它们必须与之竞争的石油系统（例如内燃机）本身将变得更加高效和诱人。

即使我们准备在 2020 年之前大规模生产新一代生物燃料插电式混合动力汽车，即使我们（在最理想的情况下）开始以与现在生产耗油汽车一样快的速度生产这些新车（全球每年约 7000 万辆），我们仍然需要 15 年的时间才能换掉这些汽车。与此同时，石油消费量将继续上升，因为亚洲快速增长的经济体的需求超过了西方国家的任何绿色收益。

加州大学圣地亚哥分校国际能源政策专家戴维·维克托 (David Victor) 表示，石油消费量甚至还要再过 20 年才会开始减少。到那时，目前每天的石油消费量将达到 8500 万桶/天，超过 1 亿桶/天。斯坦福大学普雷科特能源效率中心主任詹姆斯·斯威尼 (James Sweeney) 表示，现实地说，将全球石油消费量削减到更经济和环境可承受的水平（例如 3000 万桶/天）可能至少需要 40 年。他说，在那之前，“我们将使用大量石油。”

需要多少呢？按照维克多所预测的速度，我们需要大约一万亿桶原油才能在 2030 年代达到石油消费的峰值——而且很有可能还需要另外一万亿桶原油才能让我们达到峰值，到那时石油在能源经济中所占的比例将大大降低。那么，仅仅为了弥补这一缺口，我们就必须在未来四十年内开采大约两万亿桶石油——几乎是自 1859 年宾夕法尼亚州的野心家开启石油时代以来我们已经消耗的 1.2 万亿桶石油的两倍。

科罗拉多矿业学院石油工程教授侯赛因·卡泽米表示，最后 2 万亿桶石油中约有一半已被发现，处于“已探明”储量中，可以利用当今的技术进行有利可图的开采。另一半石油的开采就没那么容易了。据估计，地球上还有多达 8 万亿桶石油，但这些石油以多种形式存在，其中一些形式，如页岩油，开采或提炼成本极高。当我们开采最容易开采的石油时，我们还将面临不断增加的外部成本——尽管这些实际成本并未计入加油站。例如，拼命从不稳定国家开采石油可能会推翻政权，就像从环境脆弱的地方开采石油可能会对陆地或海洋造成重大破坏一样。

这意味着我们面临一系列复杂的选择，不仅是在哪里开采哪种石油，而且是何时开采。同时追求所有目标似乎是明智的，尤其是对投资于特定资源的石油企业家或不关心外部成本的政策制定者而言。但随着工程师开发出新的开采和精炼技术，现在昂贵或对环境有害的石油将来可能会更便宜或更清洁。考虑到这一点，如果我们不是从政客或商人的短期角度，而是从石油工程师的长远角度来考虑如何最好地开采我们的两万亿桶石油，会发生什么？我们会把哪种石油留到最后开采，又会先开采哪种石油？

最后要保存的资源

页岩

总储量： 3万亿桶油当量（BOE）
鉴于进口石油前景引发的政治焦虑，美国决策者自然会倾向于首先寻找最近、最丰富的石油资源。对许多人来说，这意味着页岩油。仅科罗拉多州、犹他州和怀俄明州地下的大量储量就可能产生高达 8000 亿桶石油。但决策者应该抵制这种冲动。

油页岩是在干酪根（石油和天然气的有机前体）在岩层中积累而没有受到足够的热量以完全转化为石油时产生的。石油工程师早就知道如何完成这项工作，即加热干酪根直至其蒸发，将产生的气体蒸馏成合成原油，然后将原油精炼成汽油或其他燃料。但这个过程成本高昂。干酪根必须露天开采并在地面转化，或者在地下加热（通常使用电加热器）然后泵送到地面。这两种方法都会使生产成本高达每桶 90 美元。不过，随着所有原油价格的上涨，页岩油的额外成本可能会变得合理——而且如果目前由相对较小的试点业务组成的页岩油行业扩大规模，那么无论如何，成本都有可能下降。

政策制定者应该抵制开采页岩油的冲动。问题在于页岩油的外部成本也非常高。它的能量密度不高（一吨岩石只能产出 30 加仑纯干酪根），因此公司将从数千英亩的土地上采出数百万吨的物质，而这可能会将危险数量的重金属带入水系统。同时，地下开采法也会污染地下水（尽管壳牌和其他公司表示可以通过冻结地面来防止这种情况）。这两种方法都是资源密集型的。生产一桶合成原油需要多达三桶水，这对于已经干旱的美国西部来说是一个重大制约因素。采用地下开采法，干酪根必须在高达 700°F 的温度下保存两年多，地上开采过程也会消耗大量热量。这些需求，再加上干酪根的低能量密度，导致回报率从 10:1（即每投入一桶石油，可产出 10 桶石油）到极低的 3:1。

煤炭

总储备： 1.5万亿桶油当量
煤炭还可以转化为合成原油，正如二战期间急需燃料的德国军队所展示的那样。转化方法很简单：工程师用蒸汽喷射煤炭，将其分解成气体，然后通过费托合成工艺将其转化为汽油和其他燃料。许多能源公司正在推广各种煤制油工艺 (CTL)，以取代石油，尤其是在美国和其他煤炭资源丰富的国家。

其吸引力显而易见。按照每吨略低于两桶的转化率计算，全球 8,470 亿吨可采煤理论上相当于约 1.5 万亿桶合成石油，或占最终万亿石油的很大一部分。

然而，与页岩油一样，煤制油也有明显的缺点。其能源回报并不令人印象深刻；投入一桶能源只能生产出三至六桶煤制油。此外，煤炭的含碳量比石油高出约 20%，而将其转化为液体后，这一比例会进一步提高。煤制油燃料的碳足迹几乎是传统石油的两倍——每桶煤制油排放 1,650 磅二氧化碳，而每桶传统石油排放 947 磅二氧化碳。

卡内基梅隆大学环境工程学教授爱德华·鲁宾表示，即使生产商安装庞大而昂贵的系统来捕获和封存转化过程中产生的二氧化碳，煤炭生产消耗的能源如此之多，以至于煤制油燃料的二氧化碳排放量仍与传统石油相当。用煤制造燃料充其量也无法让我们更接近气候兼容的能源系统。

除此之外，煤炭的供应也并非无限。兰德公司研究人员在 2008 年得出结论，仅用煤制油替代美国日常运输燃料的 10%，每年就需要消耗 4 亿吨煤炭，这意味着美国煤炭行业（该行业已经超出了环保极限）将扩大 40%。尽管在中国或其他国家，这种做法在政治上是可行的，但鲁宾表示，“我很难在美国看到这种情况。”

资源 以后再说更好

重油

总储备： 1至2万亿桶油当量
其他非常规资源尽管存在许多缺点，但随着新开采方法的出现，它们可能会变得更具吸引力。其中一种就是“重油”，范围从委内瑞拉的糖蜜状原油到艾伯塔省的沥青油砂。几十年来，石油贸易商认为重油不如轻质原油，轻质原油更容易开采，分子链较小的重油更容易提炼。相比之下，重油的大分子主要适合用于低利润产品，如船用燃料或沥青。但新的炼油技术使重油更容易制成汽油，新的开采方法也使重油更容易从地下开采出来。

例如，在加利福尼亚州贝克斯菲尔德郊外的一个重油田，雪佛龙公司采用计算机控制的蒸汽注入技术，使石油稀释到足以抽出。阿尔伯塔省的油砂业务前景更为光明，那里的公司现在正在将易碎的沥青从沙子和粘土中分离出来，并将其炼制成合成原油。以每两吨沙子一桶的转化率计算，仅阿尔伯塔省的油砂就可能蕴藏着多达 3150 亿桶原油。随着炼油成本下降，产量已达到 150 万桶/天，到 2035 年，产量可能增长三倍以上，达到 630 万桶/天。

话虽如此，重油生产也有很多外部成本。与页岩中的干酪根一样，沥青要么在地下加工，要么通过露天开采。这两种工艺每生产一桶石油都要消耗多达 4.5 桶水，而 EROEI 仅为 7:1，并不令人印象深刻。而且由于重油富含碳，沥青原油的二氧化碳排放量比传统原油高出 20%——虽然不像煤炭那么糟糕，但对环境也并不友好。碳捕获和封存技术只能将一定数量的二氧化碳排除在大气之外。油砂作业规模庞大，因此，总二氧化碳排放量中只有极小一部分可以被捕获（一项研究表明，到 2030 年，我们可能只能捕获 40%）。

然而，如果碳捕获技术得到改进，重油将占最后 2 万亿桶石油的很大一部分，碳排放惩罚将大大低于煤制油或页岩油。另一个优势（从美国的角度来看）是，大量重油位于一个政治稳定的邻国。

超深海

总储备： 0.1至0.7万亿桶油当量
超深海中的“深”是指浮动石油钻井平台探测的深度（通常超过 5,000 英尺）。但更重要的深度是从海底到石油本身的距离。在水下一两英里处开始挖掘并不容易，更不用说继续在地下挖掘数英里（目前的记录是 2009 年在墨西哥湾创下的近七英里）。但不断扩大的钻井船队正在部署水平钻井、海底机器人和“四维”地震学（地质学家用它来实时跟踪石油和天然气矿床状况）等新技术，以迅速扩大产量。尽管世界上只有不到一半的超深海区得到了充分勘探，但过去十年深海产量增长了两倍多，达到 500 万桶/天，到 2015 年可能再翻一番。

然而，正如去年的“深水地平线”灾难所表明的那样，开采这种资源可能涉及巨大的外部成本。超深油藏的压力可以达到海平面压力的 2,000 倍。油藏内的石油可能非常热（高达 400°F），并且充满腐蚀性化合物（包括硫化氢，它在水中可以溶解钢）。从海底升起的管道又长又重，支撑它们的平台必须非常大才能保持漂浮。与此同时，巴西的“盐下油田”是几十年来最大的发现，它被 1.5 英里厚的盐层保护着，盐层有利于吸收周围的热量并防止石油分解——但同时也将石油凝结成石蜡状的果冻，钻井工人现在必须用化学品稀释它才能开采出来。

向清洁能源经济的过渡几乎不可能完全实现清洁。这需要妥协。毫不奇怪，超深水石油是业内最昂贵的石油之一。单个钻井平台的成本可能高达 6 亿美元甚至更多（尤其是如果深水位于北极，钻井平台必须加固以抵御 10 级冬季风暴和压碎船体的浮冰），公司很容易花费 1 亿美元钻探单个超深水井。所有这些努力的结果是 EROEI 适中——从 15:1 一直下降到 3:1。

因此，尽管各公司都在努力提高安全性，但超深层钻井的大部分研发工作仍将集中在节省资金和能源上。例如，遥控可操纵钻头使公司能够从单个平台钻多个孔（从而降低成本和地面占地面积），并沿着狭窄的油层路径钻探，大大增加石油产量。（埃克森美孚在俄罗斯萨哈林岛附近创下的水平钻孔记录也是大约七英里。）为了进一步降低钻井成本，各公司将使用更强大的钻井马达、由更坚硬材料制成的钻头，以及最终实现完全不使用钻头的钻井过程，从而稳步提高钻井速度。阿贡国家实验室的测试表明，高功率激光可以比传统钻头更快地穿透岩石，方法是通过使岩石过热直至破碎或熔化岩石。

随着各公司开发出更精确的“多通道”地震勘探技术，成本将进一步下降。这种技术将结合多达一百万个地震信号，帮助他们避免钻入空岩层带来的最终浪费。为了更好地测量油藏本身，各公司正在制造耐热耐压的“井下”传感器（类似于 NASA 开发的用于监控火箭发动机的设备），这些传感器通过光纤与地面计算机进行通信。

随着数据量的增加，该行业还将创建更强大的工具来分析数据，从巨型压缩算法（好莱坞动画师的杰作）到全新的计算架构。壳牌首席地质学家布鲁斯·莱维尔 (Bruce Levell) 表示：“如果我们要处理 100 万个通道的地震数据，那么我们需要千万亿次浮点计算能力，而我们目前还没有这种能力。”为了获得这种能力，石油公司正在与英特尔、IBM 和其他硬件公司合作。莱维尔表示，未来石油业务“将真正推动高性能计算的发展”。

立即利用的资源

天然气

总储备： 1万亿桶油当量
天然气，或者用行业术语简称为“气体”，长期以来一直是石油作为运输燃料的最大潜在竞争对手。天然气比石油更清洁——在相同的能量输出量下，它排放的颗粒物更少，碳排放量少四分之一——但目前美国运输车队中只有不到 3% 是天然气驱动的（主要以压缩天然气或 CNG 的形式）。不过，这一比例有望增长，部分原因是天然气的总体供应量不断增长。

随着水力压裂法（又称“水力压裂”）钻井技术的进步，公司现在可以从以前难以开采的页岩层中开采天然气，从而获利颇丰。目前，全球页岩气储量为 6,662 万亿立方英尺，相当于 8270 亿桶石油的能量。这还不包括油田中经常与石油一起发现的天然气，这些天然气肯定会在一些尚未勘探的深水盆地中找到。

天然气储量丰富，按能量当量计算，其价格仅为石油的四分之一——这一便宜的价格已经将 CNG 从主要用于公交车队的利基燃料转变为一般消费的产品。例如，德克萨斯州炼油商 Valero 将很快开始在美国的新站销售 CNG

如果我们不是从政客或商人的短期角度，而是从石油工程师的长远角度来考虑如何最好地开采我们的两万亿桶石油，结果会怎样？然而，以天然气为动力的未来仍可能产生一些高昂的外部成本。水力压裂对当地环境极其危险。该方法使用高压流体来破坏深层岩层，其中封存着气体，而这些流体通常含有可能污染地下水供应的毒素。但这种风险可能是可控的，媒体对此进行了广泛的报道，现在已成为白宫新小组的关注重点。天然气矿床通常位于地下数千英尺深处，而地下水位更接近地表，因此大多数污染被认为发生在上升钻孔与地下水位相交的地方——通过要求钻井工人更仔细地密封钻孔壁，可以将风险降至最低。

尽管如此，将过多的天然气分配给运输部门可能会产生意想不到的负面后果。首先，这很可能会增加对天然气的需求，导致价格上涨，从而削弱目前的成本优势。其次，将大量天然气转移到运输部门意味着将这些天然气从电力部门转移出去，而电力部门更有效地取代了煤炭，而煤炭的碳含量远高于石油。但转换运输系统的特定部门（例如运输车队或公共汽车）可以同时减少二氧化碳排放和石油需求。

提高石油采收率

总储备： 0.5万亿桶油当量
外部成本最低的资源可能是我们遗留下来的石油，那时能源价格便宜得多。钻井工人通常只能开采出特定油田的三分之一石油，部分原因是当他们排干油藏时，也会降低将石油推到地面的压力，这使得开采剩余的石油变得更加昂贵。在美国，废弃的油田可能仍含有惊人的 4000 亿桶残油；在全球范围内，这个数字可能达到数万亿桶。开采所有石油在经济上是不可能的，但提高石油采收率 (EOR) 的进步可以将开采率提高到 70%。

EOR 可能在全球增加 5 万亿桶“新”石油，同时还可能带来巨大的环境红利。最有前景的 EOR 方法之一是用二氧化碳“淹没”油藏，二氧化碳会溶解到石油中，使石油变稀、体积变大，从而更容易开采。一旦石油被开采出来，二氧化碳就可以被分离出来，重新注入油田，并永久封存在那里。一种积极的策略是从单点源（如发电厂或炼油厂）捕获二氧化碳，并将其泵入油田，这可以使美国石油产量增加 360 万桶/天，同时封存近 10 亿吨二氧化碳。根据方法的不同，EOR 的 EROEI 可以高达 20:1。

EOR 不能完全弥补这一差距——但在理想情况下，我们至少应该从开采这些石油和天然气开始。这样，我们就可以先利用危害最小的资源，把危害最大的资源留到以后再利用，到时候（如果一切顺利的话）未来的工程创新将让我们能够更安全、更有效地开采和消费这些资源。

但当然，我们并不生活在一个完美的世界。目前，石油生产商将做他们一贯做的事情，即尽可能廉价地开采石油。石油消费者也将效仿，购买他们能买到的最便宜的能源。我们最终可能会要求市场考虑生产的真实成本，也许是通过碳税或某种气候监管。或者我们可能不会。能源政策从来都不是特别有远见的。向清洁能源经济的过渡几乎不可能完全清洁。它需要权衡和妥协，而这些权衡和妥协的成本将随着我们等待认真摆脱石油的每一年而上升。

保罗·罗伯茨 (Paul Roberts) 是《石油的终结：危险新世界的边缘》一书的作者。