互动科普

随着容易开采的石油储备越来越少，人们将能源需求转向了油砂矿等新的燃料来源。但开采和使用来自油砂的油会导致温室气体排放大幅增加，因此，必须谨慎考虑是否该修建输油管以扩大油砂生产。

撰文：戴维·别洛（David Biello） 翻译：冉隆华

2012年，有一次沥青上升得非常快，沿着锥形建筑的侧面一直往下流，淹没了建筑的下半部分。为防止此类事故再次发生，工程师安装了许多传感器，用来跟踪监测温度、压力和其他参数，如果出现什么闪失，传感器就会发出警报。然而，警报太频繁了——“每天1 000次”， 约翰逊这么说道，因此工程师习惯于把声音关掉。他说：“我们没办法把那当作饶舌歌手的歌声，因为那会让我们发疯。”

森科能源公司北斯蒂普班矿有许多“分离器”（separator cell），约翰逊操作其中一台。阿尔伯塔油砂矿区面积大约有15.2万平方千米，北斯蒂普班矿的产量只占现有油砂产量的很小一部分。过去10年间，油价高涨，这些油砂矿有利可图，加拿大已经迅速扩大了生产规模。仅在2012年，阿尔伯塔就出口了价值550多亿美元的油料，其中大多数去了美国，所以这也难怪约翰逊他们不理会警报。

然而，阿尔伯塔油砂开采热潮正在引发另一种警报——这些警报发自气候科学家。燃烧化石燃料排放的二氧化碳正推动着全球温室气体浓度迅速逼近临界值——在大气中的浓度达到450ppm，这会使大气温度上升2℃以上。一些科学家担心，超过这个临界值，就可能发生灾难性气候变化。虽然在所有化石燃料中，煤炭所占比例更大，但是，和常规石油相比，开采和炼制阿尔伯塔油砂需要更多能源，这额外增加了温室气体排放量。越来越多的人采用从油砂中炼油的方式获得原油。把现在还束缚在油砂中的碳释放出来，最可能使全球气温快速上升，超过2℃临界值。

阿尔伯塔油砂的命运及其相关的气候问题，似乎都集中到了基石XL输油管（Keystone XL pipeline）项目上，是否建设该项目还在讨论中。基石XL输油管建成后，将从阿尔伯塔通向得克萨斯州在墨西哥湾沿岸的炼油厂，成为油砂原油的主要运输通道。10多年来，阿尔伯塔油砂行业的支持者们认为，油砂是美国非常需要的油料来源，因为它们不受中东等地局势动荡的影响。人们需要做的，就是把油砂从加拿大运到需要它们的地方——美国以及更远的欧洲和亚洲。如果不建设基石XL输油管这样的管线，那么其他管线或者铁路也会扮演类似的角色。但一些专家认为，基石XL输油管对阿尔伯塔油砂产业的持续发展具有关键性作用。

有关基石XL输油管的种种问题都还不明朗，因为美国总统奥巴马在第二次竞选期间，把输油管建设的决策推后了。而当问题再次出现时，更多事情将取决于奥巴马的决策。

我们能排多少碳

冬季，当我来到阿尔伯塔北部，冒着刺骨的寒风，俯看森科能源公司的油砂矿时，我不禁想，全球变暖一点点可能是件好事。该矿藏位于广阔寒带森林的一个工业区内，大约在麦克默里堡以北约30千米，麦克默里堡是一个繁华的城镇，房租可以比肩曼哈顿，卡车司机一年可以挣10万美元。小镇下面有一条碎石路，我看到路上有一队卡特彼勒797FS卡车，这是世界上最大的卡车，每辆可以装载400吨成团的油砂（在这里，女驾驶员更受欢迎，因为她们呆在车上会比男驾驶员觉得轻松；但女驾驶员却很难找到，因为该镇男性人数是女性的3倍）。卡车在大型电动铲车和约翰逊的分离设施之间来回穿梭，跑一圈耗时40分钟。

卡车把油砂矿倒入一个紧凑型轿车大小的工业粉碎机里，粉碎机则把油砂传向一条超大型的输送带，这条输送带把油砂送到约翰逊负责看管的分离设施里。一批油砂矿从上车到分离出沥青仅需30分钟。黑色黏稠的游离沥青冒着泡从分离器顶部溢出来，然后被收集起来，由输油管送到小型炼油厂，在炼油厂进行高温蒸煮，去除碳，生成类似原油的烃类混合物。另一种做法是，沥青在低矮的巨型储罐里与较轻的烃混合，由此得到的混合物就是所谓的稀释沥青（dilbit），这种沥青的流动性较好，足以在基石XL输油管那样的长运输管线中流动，一直流向美国的炼油厂。

森科能源公司北斯蒂普班矿只是世界第一批油砂矿里的一小部分，也只是该公司众多油砂矿之一——森科能源公司所有油砂矿加起来每天可以生产30多万桶原油。而最近，阿尔伯塔油砂每天产量已经接近200万桶，相当于8万多口油井的产量、美国需求量的二十分之一。这些油砂矿、巨大的有毒废水湖和大块亮黄色的硫，大得足以从太空中看到，就像一块在寒带森林中不断蔓延扩张的工业补丁。

然而，最大的问题可能是这些油砂矿在无形之中对环境造成的影响。要避免升温2℃，达到灾难性气候变暖的临界值，就意味着人类要根据“碳预算”（carbon budget），来克制自己的行为：所谓的“碳预算”，是科学家提出的一个极限值，也就是人类排放的碳总量不能超过1万亿吨。

 “碳预算”是牛津大学的物理学家迈尔斯·艾伦（Myles Allen）和另外6位科学家提出的概念。2009年，艾伦小组收集了有关气温升高的观测数据，并把这些数据输入用来模拟未来气候变化的计算机模型（该模型反映的是，二氧化碳会在几个世纪里，在大气中累积，持续吸热等事实）。模拟结果显示，如果要把气温上升程度保持在临界值之下，那么从现在起到2050年，人类排放总碳量不能超过1万亿吨。我们会以多快的速度达到这个极限并不重要，重要的是不能超过这个极限。现已退休的美国航空航天局气候学家詹姆斯·E·汉森（James E. Hansen）指出：“碳排放量的多少才是根本问题，我们以多快速度燃烧化石燃料其实无关紧要。”1988年6月，汉森就曾在美国国会的听证会上证明全球变暖，而最近，他还因抗议基石XL输油管项目而被捕。

碳的来源也不是关键问题。不管是油砂、煤炭、天然气、木头，还是其他任何会产生温室气体的燃料，全球只能烧掉一定数量的碳燃料。斯坦福大学卡内基科学研究所全球生态系的气候建模专家肯·卡尔代拉（Ken Calderia）指出：“从气候系统的角度看，二氧化碳分子就是二氧化碳分子，它来源于煤炭还是天然气无关紧要。”

艾伦认为，迄今为止，燃烧化石燃料、砍伐森林和其他活动，已经向大气排放了5 700亿吨碳；仅仅2000年以来，就有超过2 500亿吨的二氧化碳进入大气。现在，人类活动每年大约向大气排放350亿吨二氧化碳（相当于95亿吨碳），随着全球经济发展，这个数字还在不断增加。根据艾伦的计算方法，按当前排放速度，在2041年夏季某个时候，全球就将向大气排放第1万亿吨碳。因此，为了不突破“碳预算”，从现在起，全球的碳排放量必须每年降低2.5%。

地下油砂矿

阿尔伯塔油砂其实就是大量埋藏于地下的碳，也就是无数藻类和其他微生物的遗体——数百万年前，这些生物生活在温暖的内陆海，通过光合作用吸收大气中的二氧化碳。采用现在的技术，人们可以从阿尔伯塔油砂中提取大约1 700亿桶油，如果烧掉这些油，会让大气中增加大约250亿吨碳。如果科学家能找到一种方法，把油砂中每一滴沥青都提取出来，石油产量还可以再增加1.63万亿桶，也就是说，如果将油砂中的所有碳燃烧掉，将产生2 750亿吨的碳排放量——现在，这些碳还埋在地下，等待着人们去开采。美国明尼苏达州圣托马斯大学的机械工程师约翰·P·亚伯拉罕（John P. Abrahm）指出，“如果我们烧掉所有来自油砂的油，由此引起的温度上升，将会是我们现在已经看到的上升幅度的一半”，也就是说，全球大约会再变暖0.4℃。

露天开采可以获取地下80米以上的油砂，但这些只占油砂总量的20%。在许多地方，油砂位于地下几百米深处，能源公司已经开发出了一种就地提取沥青的方法——所谓的就地生产法（in situ production）。

2012年，加拿大Cenovus能源公司每天在克里斯蒂娜湖提取64 000多桶地下沥青，该基地位于阿尔伯塔省，以附近水域的名字命名。这里采用的炼油方法，是油砂开采技术的前沿之一。现场9台工业锅炉燃烧天然气，把水加热，变成350℃的水蒸气。Cenovus公司的工作人员坐在控制室（比森科能源公司的控制室大），把水蒸气注入地下，去熔化沥青。随后，沥青会通过生产井来到地面，工作人员再用输油管，把沥青送去其他地方，进行进一步处理。克里斯蒂娜湖基地的负责人格雷格·法甘（Greg Fagnan）把这个综合体系比作巨大的水处理设施，“只不过这里生产的是石油”。偶尔，井喷会让蒸汽和部分熔化油砂冲入云霄——2010年夏天，戴文能源公司由于使用了过大的压力，就发生了类似事故。

在克里斯蒂娜湖基地，工程师们提取出一桶沥青大约要注入两桶蒸汽。由于要使用天然气来加热水，产生蒸汽，因此开采地下油砂产生的温室气体，要比露天开采多2.5倍，而露天开采油砂本身，就已经是石油生产中排放温室气体最多的方式之一了。根据加拿大石油生产商协会（Canadian Association of Petroleum Producers）的数据，仅2009年以来，由于采用地下开采方法进行大规模生产，阿尔伯塔油砂的开采就使温室气体排放量上升了16％。2012年，阿尔伯塔地下油砂生产量首次与露天油砂生产量持平，由于克里斯蒂娜湖基地等矿区开展的工作，地下开采很快就将成为主要的生产方式。

然而，地下开采方式只适用于埋藏在地面200米以下的沥青，而露天开采最深只能到达地面以下80米。这就留下了一个120米左右的空白地带——这个深度对露天开采而言太深，对地下开采而言又太浅。到目前为止，工程师还没有想出什么招数来消除这个空白地带，这就意味着，目前要燃烧掉油砂矿中的所有碳还是不可能的事情。

尽管如此，燃烧掉大部分油砂中的碳，还是会让人类越来越接近全球碳预算的极限。既要燃用油砂，又要保持碳预算收支平衡，唯一的办法就是停止燃烧煤炭和其他化石燃料，或者找到一种方法，大幅度降低油砂开采的温室气体排放量。但这两种办法似乎都不可能实现。加拿大环保团体彭比纳研究所（Pembina Institute）油砂研究负责人詹妮弗·格兰特（Jennifer Grant）认为，油砂开采的“温室气体排放量自1990年以来已经翻了一番，到2020年将再翻一番”。

输油管项目

为了避免突破碳预算，亚伯拉罕、卡尔代拉和汉森和其他15位科学家向美国总统奥巴马写信，强烈要求奥巴马拒绝批准2 700千米长的基石XL输油管项目。这些科学家写道，建设输油管（油砂开采的规模会因此加大）是“违背国家和全球利益”的事。

就在2012年总统大选前，奥巴马推迟批准基石XL输油管项目，并在第二次就职演说和2013年国情咨文演讲中表达了对气候变化的关注。他将在美国国务院发布关于基石XL输油管的最终报告之后做出决策。

美国国务院报告的第一稿低估了基石XL输油管项目对油砂产业命运，以及对环境的影响。报告第一稿说，基石XL输油管项目对温室气体排放“不大可能产生大的影响”。但报告作者似乎假设，即使不建设基石XL输油管项目，加拿大也将找到其他在经济上可行的方式，把油砂油运送到消费者那里。

今年4月，美国环保局（Environmental Protection Agency，EPA）作出了回应，给出了不同的说法。美国环保局环境执法办公室（Office of Enforcement and Compliance Assurance）助理主任辛西娅·贾尔斯（Cynthia Giles）认为，美国国务院报告是基于有漏洞的经济学原理来撰写的，并且除此之外还有其他疏漏。根据以往大型环境评估经验，美国环保局认为，基石XL输油管项目的替代方案要么更加昂贵，要么面临强烈反对。换言之，如果没有基石XL输油管项目，就可能制约油砂开发。今年5月，国际能源机构 （International Energy Agency，IEA）在其有关油砂开采的预测中证实了上述分析。

加拿大已经在利用火车向南方运送油砂油了，但这只是权宜之计。按照现在的费率，用铁路运输油砂比输油管运输贵3倍。随着油砂开采量攀升，铁路运输的昂贵费用终将成为油砂产业进一步发展的障碍。

如果基石XL输油管项目失败，那么其他输油管如何？加拿大可以选择向西铺设通到太平洋沿岸的输油管，从而对接开往中国的超级油轮。加拿大还可能将油砂运往东边——通过现有输油管，将它们运输到美国中西部或者大西洋沿岸。这两个方案都有问题。太平洋输油管可行性最差，因为它必须横贯落基山脉，通过不列颠哥伦比亚省印第安人和其他土著民族的土地，而这里的居民因为害怕泄漏和其他影响，已经对铺设输油管提出了反对。大西洋输油管则可能与连接阿尔伯塔省到北美东海岸的现有输油管拼凑在一起。这样一来，工程师将不得不改变原来原油的输送方向，就像埃克森美孚公司对飞马输油管进行的处理，该输油管现在把原油从美国伊利诺伊州运到得克萨斯州。但是，改造过的旧输油管可能更容易泄漏。例如，今年4月，飞马输油管在美国阿肯色州就发生了油砂油泄漏事件。而且改造现有输油管可能激起环保主义者和其他人的强烈反对。

根据美国环保局和国际能源机构的报告，由于存在这些障碍，油砂行业要进一步做大，就离不开基石XL输油管项目。目前，阿尔伯塔油砂油产量达到每天180万桶，而基石XL输油管建成后，每天能多运送83万桶油砂油。

顾及来自环境方面的反对，阿尔伯塔省和能源公司已经着力最大限度地减少油砂生产的温室气体排放量。荷兰皇家壳牌公司（Royal Dutch Shell）正在试用昂贵的替代方案来从油砂中提取沥青，这种方案要加入氢气，而不是把碳加热变成石油焦（pet coke，渣油加工制得的一种焦炭），从而减少二氧化碳排放量。这个国际石油巨头也已开始制订计划，为一个小型炼油厂增设碳捕获和存储设备，该项目称为Quest。在2015年项目完成时，该工厂将尝试每年在地下深处存储100万吨二氧化碳，大约相当于工厂二氧化碳排放量的三分之一。另一个类似项目计划捕获二氧化碳，用于把更多常规油类从地下压出来。

阿尔伯塔也是世界上唯一征收碳税的产油地区，目前每吨最多征收15美元碳税。讨论仍在继续，碳税可能提高。迄今为止，阿尔伯塔已投入3亿多美元用于技术开发，主要开发油砂二氧化碳的减排技术。2011年，时任阿尔伯塔省能源部长的罗恩·利柏特（Ron Liepert）告诉本文作者，“即使没有什么其他意义，碳税的存在，也能在人们抨击我们的碳足迹时，成为一面挡箭牌”。

这些试图减少油砂碳足迹的工作进一步增加了油砂油的提取成本，却对碳足迹没有多大影响。据加拿大石油生产商协会的数据，2011年，加拿大每天生产180万桶油砂油，排放温室气体4 700万吨以上。

2010年，国际能源机构发布了一份分析报告，提出了不突破2℃临界值的应对措施。报告认为，到2035年，阿尔伯塔油砂产量每天不能超过330万桶。然而，从阿尔伯塔省已批准或正在建设的油砂开采项目来看，到2030年，其油砂产量每天可能达到500万桶。很难想像要怎么做，才能在开采如此大量的油砂的情况下，不会突破碳预算的极限。

防止突破极限

单独针对油砂是不是不公平？毕竟，我们燃烧掉的其他化石燃料更多，然而它们却没有惹来那么多骂名。也许，其他化石燃料也应该受到同样的“待遇”。2011年，美国燃煤电厂大约排放20亿吨温室气体——大约是油砂开采、提炼和燃烧所产生温室气体的8倍。世界各地许多煤矿对景观的破坏是显而易见的，并对气候变化带来了更大的遗留问题。然而，美国蒙大拿州和怀俄明州的粉河盆地煤矿却没有像基石XL输油管项目那样，成为人们高调抗议的靶子；抗议者没有把这些煤矿和铁轨联系在一起，去阻止那些日复一日地从粉河盆地运输煤炭的几千米长的火车队列。美国地质调查局（USGS）认为，利用现有技术，仅仅这个盆地就可以开采1 500亿吨煤炭。这些煤炭全部燃烧，世界就将远远超出任何万亿吨级的碳预算。

澳大利亚计划向亚洲增加煤炭出口，燃烧这些煤炭每年可能向大气增排12亿吨二氧化碳。即使油砂产量按最乐观的预计增长，与这些媒碳相比，其温室排放量也是小巫见大巫。美国和印尼等国家也正在筹划扩张煤炭产业。即使基石XL输油管项目建成，推动油砂大量开发，削减甚至关闭美国煤炭行业，也能补偿基石XL输油管项目建成造成的环境问题，并且还能补偿其他环境损失，虽然两种化石燃料用途不同——煤炭用于发电，油砂油用于运输。

作为一个容易受到环境压力影响的国家，加拿大也更容易受到质疑。 生产“重油”（heavy oil，原油提取汽油、柴油后的剩余重质油，分子量大、黏度高）的污染类似于油砂沥青，而墨西哥、尼日利亚和委内瑞拉的重油生产者，却没有因为极高的二氧化碳排放量而被审查。事实上，从加利福尼亚州老油田提炼这样的重油，是全世界各种油类提炼（包括油砂）方式中排放二氧化碳污染最多的，没有之一。阿尔伯塔大学油砂创新中心的化学工程师、科学负责人默里·格雷（Murray Gray）说：“如果你认为使用其他石油来源比油砂好得多，那么你错了。全球煤炭使用量的增加让我更加担心。”

但是，在全球其他任何地方，石油开采的增加速度都没有阿尔伯塔的油砂开采那么快——过去10年间，其日产量增长了100万桶以上。要想不超过碳预算，世界化石燃料产量必须低于已探明的、可经济开采的石油、天然气和煤炭储量的一半。这意味着许多化石燃料——尤其是油砂油等污染最严重的油——必须继续埋在地下。

经济作用可能有助于全球环境改善。美国北达科他州利用水力压裂法开采巴肯页岩，由此产出的石油已经在一定程度上减少了美国对加拿大重污染原油的需求，为此，阿尔伯塔油砂的一些新的基础设施项目——例如投资达120亿美元的樵夫（Voyageur）小型炼油厂——已经下马。由于美国汽车燃油效率的新标准上台，在这个强制性标准下，油料需求会减少，至少在短期内是如此。但无论如何，油砂始终在那里，等待开采。一旦方便开采的石油耗尽，油砂终会成为诱人的开采目标。

如果批准基石XL输油管项目，或者建设其他输油管把油砂油运到其他国家，加拿大油砂出口可能持续上涨，从而加速大气中的二氧化碳在无形中累积。根据艾伦的计算，为了保持地球不触及升温2℃的临界值，必须从现在开始，努力让二氧化碳排放量每年减少2.5％，否则全球温室气体浓度将持续增加。来自化石燃料——无论是油砂还是其他来源——的每一个碳分子都至关重要。