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火熱的地球—地熱發電機會與挑戰

2015/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 1163

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撰文/黃釋緯 資料、圖片提供/工業技術研究院綠能與環境研究所

地熱是地球形成時,地心的熔岩與輻射熱將地殼中的岩石或地底伏流水加熱後,形成高溫高壓的乾蒸汽或高溫的水,封存在地殼中,部分透過縫隙冒出於地表;或者是火山爆發時,熔融狀態的熔岩將地球表層的水加熱成高溫高壓的水和水蒸汽,積存於地殼不同的岩層中。地熱發電便是利用從地底至地表層中這一段的能量,包括熱能和壓能擷取轉化為機械能,再轉成電能的過程。

豐沛、待開發的基載再生能源

地熱發電的開發已有百年以上的歷史,世界上第一個建置地熱發電廠的國家是義大利,在1904年設置1座500kW的地熱發電站。地熱發電到了1950年代,開始蓬勃發展與大量應用,地熱與其他再生能源相同,是利用地球本身生生不息的資源,不用燃燒化石能源的優質潔淨能源。

相較於當前應用最廣的太陽能及風力發電,地熱可產生電能的時間是連續性的,不像太陽能或風力發電取決於設置地點的天候條件,地熱有更穩定的發展性。依工研院李伯亨博士研究指出,地熱發電容量因數(Capacity Factor)平均約74.5%,若是場址較佳的地熱電廠搭配最新的發電技術,容量因數甚至可達90%以上,具備基載電力特性,這是地熱發電的重要優勢之一。

地熱發電一般電廠使用壽年,約可使用20至40年,但最早開始發展地熱的義大利,該地熱場址使用已超過百年,仍在持續運轉中,紐西蘭的地熱發電廠也超過60年,菲律賓1970年代開始發展地熱,至今30餘年,地熱機組皆持續運轉中。

前置投資金額高、政府獎勵支持是關鍵

地熱發電在早期的鑽鑿探勘井階段,需要投入大量資金,且需較長時間的規劃,其投資風險相對較高。因此,各國的案例經驗中,較少有民間企業可以獨立負擔整體的開發,需要政府支持並提供研發及挹注資金獎勵。李伯亨指出,以冰島和日本研發中的深層地熱發電,由規劃、示範到商業性應用,可能長達10年,而德國正在進行中的地熱發電計畫,其鑽井深度達地下5,000公尺,成本預估亦達新臺幣2億元以上。上述計畫皆有政府部門的支持協助,其中菲律賓更將地熱發電計畫開發,以專門的地熱法規範,讓廠商投資更有保障。

國際地熱發電開發前景可期

根據工研院綠能所的資料顯示(2015),2015年全球地熱發電的裝置容量高預估可達12.6GW,前三大地熱發電的國家分別為美國(3,450MW)、菲律賓(1,870MW)、印尼(1340MW)。若以成長率觀察,過去5年來,地熱發電的裝置容量每年成長約4至5%,設置量增加較多的國家,以美國、土耳其及紐西蘭為主,全球正在開發的計畫,更高達700 個以上,預計在2020 年時,全球地熱發電總裝置容量將增加至21.4GW。

淺層地熱是主流、深層地熱待技術突破

地熱發電系統依開採之型態可分為淺層地熱與深層地熱,淺層地熱發電又稱為傳統地熱系統(Hydrothermal System),是利用水蒸氣來發電,一般而言,酸鹼值在PH5至8之間,屬於偏中性或偏鹼性;深層的地熱發電或稱增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System, EGS) 是無水發電,在無水的乾熱岩進行水力破裂,再進行人工灌注水循環取熱,需控制維持裂隙,以便開採。

一般常見的地熱發電大多是指淺層地熱,地熱發電的潛力,主要表現在地熱的溫度上,具開發潛力的地熱發電,其溫度至少要達攝氏100度以上,已商業化運轉的地熱發電大致可達攝氏150至200度之間。平均1口井約可建置2至7MW的發電機組裝置容量,較佳的地熱場址,溫度更高達攝氏220度以上,1口井建置的容量在5至10MW之間。

當前主要地熱發電技術成長來自於傳統地熱電廠開發,集中於菲律賓、印尼、冰島、紐西蘭與美國等國家。其中菲律賓、印尼、冰島與紐西蘭以大型高溫地熱田之開發為主,偏重於蒸氣型地熱發電,而紐西蘭則增加雙循環發電系統以增強發電效率,美國則是以探勘評估技術及中低溫地熱取熱進行技術的精進與開發。

我國地熱發電的前哨站—─清水地熱

我國對於地熱發電的發展,早期係以資源探勘或發電與觀光休閒多目標利用為主,在1966年起,即對大屯山進行相關地熱的探勘,後來在1981年宜蘭縣的清水地熱區設置第一座3MW先驅試驗發電廠,並由台電公司負責運轉試驗。然而因地熱產量逐年衰減以致發電量亦隨之遞減,1993年11月停止發電之後,國內之地熱發電處於停頓的狀態,僅有零星之資源調查及學術研究。如全島溫泉區的探勘與發電潛能評估研究,並在土場、廬山、知本、金崙等地進行探勘井鑽挖等。

因應國際再生能源發展趨勢,經濟部能源局於2005年補助宜蘭縣政府進行清水地區地熱發電示範系統探勘評估及利用規劃工作,並於次年起委託工研院投入地熱發電技術開發推動計畫,期望深入瞭解清水地熱區的地熱蘊藏、發電潛能及過去開發的問題,並研擬因應技術。

在2009年再生能源發展條例立法後,躉購電價制度納入地熱發電,能源局並於2012 年12 月完成「清水地熱50kW地熱增強型雙循環發電示範系統」,顯示國內自主開發傳統地熱電廠技術已相當完備,後續將進行地熱電廠之招商, 如宜蘭縣清水地熱1MW發電整建營運移轉案(Rehabilitate-Operate-Transfer, ROT)之簽約計畫,目前該ROT計畫因故終止,宜蘭縣政府正著手新的BOT案(Build-Operate-Transfer)。

我國地熱發電目前仍以宜蘭地區最有潛力,宜蘭清水地熱區已有地熱發電的經驗,待BOT後便可重新加入發電行列。蘭陽平原地熱資源開發,則有賴宜蘭縣政府的支持。目前新北市金山、大屯山亦有相關的發展計畫,但大屯山的地熱偏酸性,地熱區的水氣酸鹼值若在PH3以下,酸度太高,目前開採不易。開採時,需有特殊的酸蝕技術,能源局與工研院正著手研發或搭配可工程化的耐酸蝕技術並行。相較於傳統地熱能之開發,在炙熱岩層製造人工裂隙並注入流體取熱利用之EGS潛能更為豐沛,惟EGS開發成本仍高,目前各國正投入研發技術以降低成本。

合理電價及電力網配套是地熱發電成功關鍵

地熱發電最重要的生產條件,一是資源稟賦,二是電力價格,三是政策支持。臺灣的地理空間位處歐亞大陸與菲律賓板塊地帶之間,正是適合發展地熱發電的國家,不過,地熱發電的條件,很大一部分取決於電價。太平洋島弧的國家如日本、菲律賓等,對地熱發電都十分積極,如菲律賓的民生電價1度電9.2 元,地熱發電的電價,最便宜可至1度電2元,價差之大,是菲律賓地熱發電發展迅速的主因;而日本的地熱發電,除已商轉的地熱電廠外,則與溫泉業進行多目標的結合。

臺灣地小人稠,不如國外擁有大面積土地發展地熱能,如單一地區數百MW級的地熱電廠進行規模較大的發電確實有其難度,使用發電的規模效益也較低。除此之外,臺灣的地熱發電因從地熱發電區到變電站這一段電網連接須由廠商自行負責,而這短短幾公里路,其成本可能就使得廠商對地熱發電開發卻步。

另外,我國民生電價平均1度電約3元,與地熱發電價格相差不遠,在考慮到挖井可能失敗的風險與鋪設電網的成本後,將使推廣地熱發電的普及化受挫。考量我國地熱資源及其具有基載電力的特性,政府對於屬潔淨能源成員的地熱發電,將會有更長遠的規劃與周延的考量。


關鍵字:地熱發電,加強型地熱系統(EGS),容量因數,整建營運移轉(ROT)

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