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從地心竄出的力量—金山地熱

2015/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 836

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撰文/曾君儒 資料、圖片提供/工研院綠能所

新北市金山區在今(2015)年8 月時,迎來了一場隆重特別的典禮,不僅邀請到經濟部能源局、新北市政府的長官出席,當地居民也都競相來到現場共襄盛舉,到底是什麼樣的大事,讓所有人都這麼關心呢?原來,是能源局和新北市共同合作的地熱試驗井開鑽典禮!

當天正是炎熱的夏日,頂著豔陽,眾人都聚集在新北市金山區的四磺子坪,等著見證開鑽典禮的啟動時刻。在能源局的支持下,工研院歷經2年的地表勘查、資料分析並與專家密切討論,終於選定新北市金山區四磺子坪一帶,作為大屯山地熱發電開發的前哨站。

最有潛力的發電區

「為什麼要選金山?問對了,因為它鄰近大屯火山群。」工業技術研究院綠能與環境研究所副組長柳志錫博士說,臺灣有很多溫泉,而擁有許多溫泉的背後,就代表著地底下有著地熱發電的潛力,而火山型的地熱,也是最具有開發潛力的地區!

地底下的伏流水源流經火山地帶內地層,被炙熱的岩石加熱後,最後以熱水型態流出地表,就是我們所說的溫泉,一般溫泉都在攝氏70至80度之間,但若地層上端被不透水岩層阻擋,在不斷加壓加熱的情況下,地底下的蒸汽和水可以高達攝氏100至200度左右,而火山岩石則可能超過攝氏300度。「臺灣的溫泉區很多,像是清水、知本、金崙等地區都有,但只有位於臺灣北部的大屯山是火山型的地熱,溫度比較高,也意味著開發潛力較大。」柳志錫說明,北部是全國電力需求最高的區域,若能提高北部地區電力供應的能力,對沉重的電力供應而言,也許能減輕一點點負擔。

大屯山其實是一個火山群,擁有20餘座火山,範圍橫跨臺北市與新北市,根據工研院測量資料顯示,整個大屯山系擁有最高溫地熱的區域是在大油坑馬槽的地方,「我們推測底下應該是直通岩漿庫的,地熱開發的潛能也最高,」柳志錫說,但這個潛能最大的地區,在短期內卻不能開發,「你猜猜是什麼原因?」

原來,大屯山地熱資源是狹長型分布的,雖然範圍橫跨了雙北轄區,但中間卻是短期不可開發的陽明山國家公園,因此能源局就轉往新北市金山區四磺子坪,相較於同樣條件但人口眾多的北投區,四磺子坪地處偏僻、人口較少、且多為公有地,加上沒有國家公園的開發限制,比較適合作為第一階段的目標開發區。

目前能源局和新北市政府合作,由新北市政府協助處理土地相關法規問題、開發案的招商等事宜,而工研院則在能源局支持下,負責有關地質調查、潛能評估與驗證的工作,在10月底也舉行第一次的招商座談會,提供有興趣的業者相關效益評估資料,協助未來投資人更進一步瞭解金山的地熱資訊,「我們預估這幾十公頃的土地應有10百萬瓦(MW)的發電潛能,若能建造出1座10MW的發電廠,1年可發約6,850 萬度電,可提供金山、萬里區1萬6千戶居民一整年的用電需求。」柳志錫說,這可以減少4萬2,677公噸的二氧化碳排放量,相當於110座大安森林公園1年的碳吸附量。

地熱鑽井,難度加倍

同樣是鑽井到地底,油氣和地熱的鑽井工作,有什麼不同嗎?

「基本技術是相同的,但兩者所選擇的目標地層不同,而地熱探鑽工作的難度又往上提了一個層級。」柳志錫說明,地熱鑽井的工作,要面對的是高達攝氏300度的蒸氣和水,而且還多了酸性腐蝕的問題。由於地熱的源頭來自火山岩漿,若沒有任何的水質改良,基本上都是屬於酸性的熱水,岩漿PH值大概在1至3之間,「我們曾經做過實驗,若把不鏽鋼管丟到PH值1 至3 的液體裡面,大概幾天就被破壞了,被浸泡過的不鏽鋼管,不只顏色變黑,甚至只要徒手就可以擠壓至變形,」柳志錫說,鈦合金是目前最好的耐酸材料,但成本卻是一般材料的20至30倍,除非當地可開發的地熱潛力非常非常高,否則通常不會願意用如此昂貴的金屬來開採地熱,「但若PH值在5 ∼ 6左右的話,現階段的技術與材料,是可以克服的。」

工研院現在開發出一種新的塗料,在原本的鐵系基材上塗上薄薄一層,讓這些相對便宜的鋼材可以抵抗強酸的腐蝕,降低地熱開發機具的腐蝕程度,如此一來,降低了開發成本,就能提高相關業者的投資意願。柳志錫也提到,國外也有開發地熱的經驗,像是中南美洲、菲律賓與冰島,他們卻是用氫氧化鈉直接灌注到地底,利用強鹼屬性的化學綜合劑來中和強酸的熱水,以避免管線與發電機受到腐蝕,但這種方式有生態破壞與環保疑慮,能源局則希望在開發再生能源時,能以低度破壞的前提去執行,一來能確保開採資源的長遠營運,二來也能維持原有的生態環境。

最新技術,持續關注

地熱其實有淺層與深層的差異,我們知道距離地心越近的地方溫度就越高,那依照發電潛力來看,深層地熱不是比較有開發價值嗎?

「因為深層地熱的開發成本非常昂貴,」柳志錫說,「淺層地熱是採取天然的熱水,我們頂多打井下去,將熱水引導上來就好,運氣好的話不用1千公尺就可以挖到熱水,很多地熱生產井也不超過3千公尺;而深層地熱則是不管底下有沒有熱水流過,直接往下開挖至少4千公尺。」深層地熱雖然技術可行,但昂貴的成本仍是至今無法商業化的主因,除了鑽井外,開挖之後還要灌注冷水下去讓地心加熱、回收,但是水一旦進入了地層可是會到處亂竄的,因此回收水的工作也有一定的難度。

「現在美國正在努力研究2項技術,1 項就是研究如何用比較便宜的材料,打出1個很深的地熱井;另外就是如何在打井灌水後,能控制水的走向以便順利回收。」柳志錫表示,該技術雖已成功,但不斐的造價仍是至今只有小型的示範場,與遲遲無法商業化開採的主因。

美國在2014年7月推出了1項FORGE(Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy)計畫,主要是為了驗證深層地熱是真正可開發的資源而做,整個過程預計要耗時8至10年;能源局也密切關注這個FORGE計畫,一旦有任何新突破,就可以直接導入國內,有望紓緩未來用電的困境。

安定的基載電力

相較於受限南北日照量差異的太陽能、季節性與間歇性問題的風力發電,地熱發電擁有穩定的供應能力,是可以當作基載電力的再生能源,譬如冰島、紐西蘭、菲律賓等國,地熱發電已占了全國總電力約10至20%,只要國內地熱開發的問題能克服,相信可以供應更多的潔淨基載電力,朝低碳社會的目標更進一步。柳志錫說明,目前全球地熱的發電產量已到達12GW,全球也已有上百座的地熱發電廠案例可供我國學習效仿,是具有極大發展潛力的發電產業。

臺灣地處太平洋火山環帶,初步評估全國的地熱發電潛能約達32GW,包含730MW的淺層地熱與31GW的深層地熱,即便目前尚未克服技術問題的深層地熱不談,僅淺層地熱就有約150MW的可開發能量,政府若能協助產業進行開發工作,估計全數開發後每年將有10億度的發電量,工研院與新北市攜手合作開發金山地熱的計畫,是政府長期推動再生能源、邁向能源自主又一個重要的里程碑。

工研院耐酸蝕塗層材料技術

大屯山地熱區水質酸性高、溫度高,沒有塗層保護的SS304鋼管放入地底,會立刻開始腐蝕,工研院研究測試,只要浸泡300小時,不銹鋼SS304試片(10X10cm、厚度2mm)會在短短兩星期就遭受嚴重腐蝕,幾乎完全消失!地熱發電機組管線必須長期對抗天然環境的酸蝕挑戰,才能為民眾提供永續的潔淨電力!

工研院耐酸蝕塗層材料技術,塗裝在普通鋼管上,可以在富含硫與氯離子、溫度100℃、pH值1.2的酸性溫泉水中環境測試,通過4,000小時驗證,測試材料的表面與重量都沒有明顯的腐蝕現象,此項技術還可應用於汽車、機械等產業。未來工研院將進一步研發更耐高溫與抗磨性更高的「複合鍍層技術」,將耐酸蝕金屬材料鍍層於地熱發電機組或生產管線上,成為地熱發電永續運轉最關鍵的守護者!


關鍵字:地熱,基載電力,再生能源

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