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可作為基載電力的再生能源─地熱發電

2015/05/05 經濟部能源局 點閱人次: 666

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撰文/歐陽湘(工業技術研究院綠能與環境研究所技術總監)圖片提供/歐陽湘

地球本身儲存有很多熱能,為一個巨大的散熱體,內部之溫度隨深度而增加,地熱與風能、太陽能、海洋潮汐同屬潔淨之再生能源;地熱能除了可直接供做溫室栽培養殖、工業加熱、城鎮社區供暖、以及健康理療等應用外,更因具有較高的能源密度、穩定性與持續性等優點,可用來發電並作為基載電力供應之一環。

按熱源成因之不同熱液系統可分為火山型與非火山型2種。火山型地熱區分佈於火山活動帶,如綠島、龜山島、大屯山地熱;非火山型地熱分布於變質岩與沉積岩區,如宜蘭清水、土場、南投廬山、臺東知本等。如依儲集層內熱液型態之不同,則可分成蒸汽型(Steam-dominated)與熱水型(Water-dominated)2類。蒸汽型地熱田全球發現的為數不多,如美國之Geysers 與義大利之Larderello,此型地熱田生產飽和或過飽和蒸汽,蒸汽可直接用於發電,發電流程較簡單,費用省,效率佳。世界上大部份地熱田屬於熱水型,以液態熱水的型態蘊藏在儲集層中,地熱井生產以熱水為主(或含部份之蒸汽)。儲集層之溫度最高可達攝氏200多度,低者則僅數10度。一般而言,與火山或火成活動有關之地熱區,較容易形成高溫(攝氏200度以上) 之地熱田;中溫(攝氏90 ~ 200度)或低溫之地熱田則與變質作用或區域地溫異常有關。

我國的地熱探勘歷程

我國位處環太平洋構造帶,火山活動與板塊擠壓造成國內豐富的地熱資源,有報導的溫泉出露地點即近130處。我國地熱能源探勘始於1962年,由時任美援會秘書長兼經濟部礦業研究服務組召集人李國鼎先生帶領推動。1966年至1972年間,地熱資源探勘工作多集中在大屯火山群地熱區,後因酸性腐蝕問題嚴重,而逐步向其他地熱徵兆區展開;1974年選擇宜蘭土場地區進行較詳細之探勘工作。此期間又遭逢第一次國際能源危機,經濟部為加速探勘開發國內地熱能源,選定宜蘭清水地熱區進行探勘井之鑽鑿,發現該區具有近攝氏200度、弱鹼、無腐蝕性的地熱流體。1977年行政院國科會邀集學者專家組成地熱發電小組,同年秋天在宜蘭清水地熱田建造第一座1,500kW(瓩)先驅型地熱試驗電廠,10月示範運轉成功,發電力達到300MW(百萬瓦)。隨後,政府籌建3MW背壓式先導型地熱發電廠,1980年9月完成發電機組安裝,發電廠交由台電公司管理,蒸氣生產井及輸送管線由中油公司負責維護。1981年7月正式運轉發電並納入台電營運系統,我國也正式成為世界第14個擁有地熱發電的國家。此地熱發電廠運轉12年多,但因當時未進行尾水回注,且持續生產亦促使生產井結垢問題日益嚴重,到民國1993年11月15日終因產量不符經濟效益而停止運轉發電。

國際地熱發電的發展狀況如何呢?統計至2013年底,全世界有24個國家擁有地熱發電廠,總裝置容量已達11,000MW,排名第1的美國地熱發電裝置容量為3,389MW;美國能源部於2000 年開始推動Geopowering the West計畫,除已知的地熱資源開發,觸角更深入到不具地表徵兆的深部地熱資源,並發展建構「加強型地熱系統」(Enhanced or Engineered Geothermal System, EGS) 技術,希望藉由工程技術來擴大擷取更深的地熱能以供人類使用,減少對化石 能源的依賴,並提升能源的自主性;預計於2020 年地熱能利用能達到20,000MW。

地熱的種類與發電過程

地熱發電乃是擷取地下熱能,將之轉換為機械能,然後再把機械能轉換為電能的過程。目前開發利用的多屬蒸汽型及熱水型2類地熱資源,前者產生的蒸汽可直接推動渦輪機來帶動發電機發電,後者熱水型的地熱發電則可分為閃發式及複循環式2種。閃發式發電係根據熱水的汽化溫度與壓力來設計,例如在0.3絕對大氣壓下,水的汽化溫度是攝氏68.7度,我們可通過降低壓力而使熱水沸騰變為蒸汽,以推動渦輪發電機轉動而發電;複循環式發電則是指利用地熱水間接加熱另外的「低沸點工作流體」使其變為蒸汽,再來推動渦輪機做功的發電方式,這種方式既可利用攝氏100度以上的地熱水(汽),也可使用攝氏100度以下的地熱水,對於溫度較低的地熱水來說,效率會較低。

我國的地熱資源

我國地熱資源頗豐, 根據1980 年以前之探勘資料估算,全島淺層地熱26處(<3000公尺深度)約有近1GW(十億瓦)之發電潛能,其中大屯火山區之發電潛能即達514MW,宜蘭清水(61MW),宜蘭土場(25MW),南投廬山(41MW),臺東知本(25MW),臺東金崙(48MW),此6處地熱發電潛能合計便達到714MW。近年來國際上積極發展加強型地熱系統(EGS)技術,工研院綠能所也曾於2008年評估大屯火山區深度3000 ~ 5000公尺的地熱發電潛能,以及蘭陽平原磁力異常帶的地熱發電潛能,估算結果分別為12.6GW與5.6GW。2012年12月,經濟部能源局及工業技術研究院在宜蘭縣政府的協助下,建置完成「清水地熱50kW地熱增強型雙循環發電示範系統」,縣府也針對清水地熱區推動1MW發電整建營運移轉招商計畫。現階段政府持續進行的地熱計畫尚有:經濟部的「高效能地熱發電技術研發計畫」,著重在火山型地熱資源的探勘與開發;科技部的「第二期能源國家型科技計畫地熱分項計畫」,主要聚焦於蘭陽地區的深層地熱探勘及開發。

我國雖具有豐富地熱資源,估算出來的發電潛能也都不低,但若以發電為主要開發目的,仍需確實掌握地熱田的特性,包括地熱田的規模大小、產能測試(溫度/壓力/流量之穩定關係)、蒸汽熱水比、流體的組成與化學性等。過去宜蘭清水地熱發電計畫未能克盡全功,除了發電方式與地熱儲集層特性沒有充分瞭解外,直接衝擊熱液生產與發電成效的便是生產井結垢問題;光擷取地底下的熱液來發電,而未將尾水回注,也促使熱液生產的衰竭。發電潛能評估固然對儲集層之熱能蘊藏量以及可能發電量有所瞭解,但實務上其結果很少會被當成開發的目標,主因是評估階段通常缺乏足夠的地熱田參數作為依據,對於真正可取出的熱能量仍有相當程度的不確定性;換言之,定性之描述有餘但定量之風險評估不足。如何確保地熱田開發成功並能持續運轉利用,是我們推動地熱發電過程中必須要審慎思考及面對的關鍵課題。

歐陽湘小檔案

現職/工業技術研究院綠能與環境研究所正研究員兼技術總監
學歷/美國亞利桑那大學地質工程博士
美國南達柯達州立礦冶及技術大學地質與地質工程碩士
成功大學地球科學系學士
專長/地質工程、核廢料地層處置技術、岩石及土壤力學、地下水、黏土工程


關鍵字:地熱發電,複循環式發電

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