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德國地熱能源的應用實例

2009/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 441

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▓撰文:翁鳳英

在寒冷的冬天裡,除了暖和的衣物和火鍋外,最吸引人的就是泡個熱呼呼的溫泉。來自地底自然的溫泉除了含有多項礦物質能促進人體健康,若能直接使用它的熱能成為家庭的暖氣或熱水來源,更是符合現代節約能源概念。尤其台灣處於太平洋大陸板塊交接處,有多處地方富含天然溫泉,若能善加利用,則不失為一項具環保概念的能源來源。

位於德國南部,阿爾卑斯山北麓,界於瑞士與奧地利之間的摩拉斯盆地(Molassebecken)是德國富含地熱能源的地區之一。拜地底深度約1,500~5,000公尺之豐富地熱泉所賜,這個地區從古以來即是以溫泉著名的度假勝地。過去幾年來,恩特哈欽(Unterhaching)居民在德國政府鼓勵再生能源計畫的推動下,將地熱能源引用來做為發電,之後更因為抽出的地熱泉量多於發電需求,而將之利用來做為家庭與公共單位的暖氣來源,在居民與當地廠商配合下,目前已有相當令人滿意的績效出現。

計畫源起

位於慕尼黑南方的恩特哈欽,居民自2007年起,即已使用地底熱泉供應暖氣的能源需求,更在今(2009)年讓第1座南德地熱電廠正式投入運作。實際上在10年前這個地區即已開始討論進一步利用地熱泉的可能性,而決定在2001年建立地熱電廠,目標期望在2015年地熱能源能夠支撐當地一半以上的能源需求。

進入地底的兩條管路抽出豐富的地熱泉,其溫度高達攝氏120度,原本的能源利用概念主要以發電為主,但之後由於油價的上漲加上抽出的熱泉量與其高溫超出預期,使得開發單位和居民重新思考,將熱泉能源直接做為供應暖氣之用,進而建造遠距暖氣輸送管線,截至目前為止,地熱泉已涵蓋該地區25%的暖氣需求量。

由於一般電廠需要超過攝氏500度以上的蒸汽來推動發電渦輪機,由地底抽出的熱泉溫度無法達到該標準,因此在此所設置的電廠即採卡林那發電法(Kalina-Verfahren),指的是在水中加入阿摩尼亞降低沸點順利發電。卡林那發電法將在以下有詳細的說明。

恩特哈欽地熱電廠的成功運作,在諸如開礦保安、鑽挖技術、用戶收費制度等方面樹立了範例,可做為往後其他地區利用地熱能的參考。

摩拉斯盆地的地質結構

摩拉斯盆地豐富的地熱蘊藏在溶岩裂縫中,是屬於上侏儸紀的岩層。該盆地向西南方延伸700公里,向東北方則為250公里。百萬年前在此地沉積了大量的石灰、沙土與黏土,而之後慢慢轉變為細沙岩、碳酸岩與泥灰岩;經過地殼變動與流水的沖刷而形成特殊的溶岩,在地層裂縫中的這類岩層很容易為水所穿透。

這類岩層有利於地熱能源的取用,只要穿透至地底1,500~5,000公尺之間的地層,即可取得攝氏85~140度之間的熱泉,事實上只要開挖至地底3,000公尺處,即可取得符合地熱使用標準的攝氏100度地熱泉。

過去開礦專家曾在此處鑽挖想找油源,沒想到卻發現豐富的地熱泉,而之前因鑽挖而取得的資料,成為現在開掘地熱泉重要的參考依據,甚至也根據以前的鑽挖位置找到地熱泉,深入地底3,000~3,600公尺之處,發現的都是多孔的石灰岩。

目前每年抽取出來的地熱泉約有47億公升,技術上的挑戰為:埋在地下的抽水機必須能在承受高溫的條件下仍能繼續正常運作,而於今年中旬所研發製造出來的抽水機已能符合實際要求。

地熱發電廠發電原理

恩特哈欽地熱發電廠的發電原理其實並不難理解,其結構係由兩條巨大的地下送水管組成,一條由地底將熱泉水抽出,一條則再將利用過的熱泉水送回地下。所抽出的熱泉水在地表一部分透過發電機組發電,一部分則直接進入遠距暖氣輸送管線供應暖氣;利用過後的熱泉水再經過冷卻系統重新進入地底。地表上發電廠的設計為地熱發電廠附加傳統化石燃料發電機組,在地底熱泉水抽出量不足以發電或供應暖氣時,則可啟動傳統發電機組做為補充。

兩條巨大送水管彼此相隔3.5公里,在經過多方測試並突破技術瓶頸後,目前的水流量為每秒量150公升。令人驚奇的是,科學家發現送水進入地底的一端水溫度竟然比抽水的一端要高,他們也曾試圖將抽水和送水兩端對調,但是無奈計畫調整費用太高而做罷。

所抽出的熱泉水含鹽量為每公升600~1,000毫克,另外也還含有甲烷和氮氣等氣體。為了避免水管內屯積化學物質而造成阻塞,整個熱泉水的循環在氮氣加壓的環境中進行,而水管也由玻璃纖維加強的塑膠材質做成以防腐蝕。

發電計畫運作與卡林那發電法

恩特哈欽地熱發電廠原本只想利用熱泉水來發電,之後沒想到所獲得的熱泉水超過預期、進而將之利用來做為供應暖氣需求。在決定能源利用方向之後,長達28公里的遠距暖氣輸送管線很快地就在18個月內建造完成,這是自1980年代以來德國境內所建造的最長的暖氣輸送線,預計在2020年將能建造完成可輸送70~80MW電量的輸送管線。

恩特哈欽地熱發電廠運用了特殊的卡林那發電法,指的是為要能利用90~200℃之間的熱泉水來發電,就必須在水中加入特殊物質降低其沸點,這種化學添加物就是阿摩尼亞。阿摩尼亞能在-33.7℃的狀態下汽化,若將它加入水中,則可在50℃的條件下汽化,進而導入推動渦輪機來發電。

價格管理制度規劃

恩特哈欽居民對於該電廠具備供電與供暖氣的雙重功能感到十分興奮,當地的地方政府也樂於公開價格制度,並開放讓配送商競爭以保障品質安全以及合理價格。一般用戶只要付一次的接通費用,加上每個月的基本費和實際用量費,即可享受來自地底的能源。目前當地已有3,000個家庭單位使用地熱能,另外還有公共單位像是市政廳、學校、游泳池和公司單位也陸續成為用戶。

目前該地熱電廠所供應的暖氣能量足夠供應需求,若遇上特別冷的冬天所產生的能源不敷使用時,則可啟動上文所提及的傳統發電機組補充其不足;該發電機組共配有兩套發電鍋爐,容量為每套23MW,使用的燃料為石油或瓦斯,在遠距暖氣功能失靈時,此傳統發電機組也能適度發揮輔助功能。

未來挑戰

恩特哈欽居民對於該電廠的接受度普遍相當高,對於利用天然資源也樂觀其成,甚至已完成規劃未來的擴建計畫。開發使用地熱泉所帶來的經濟和環保效益相當地高,除了振興當地經濟外,也因為使用當地天然資源而在減少二氧化碳上有了顯著成果。從2007年開始供應暖氣至今,已減少排放22,500噸的溫室氣體。預計在電廠正常供電和供暖氣的情形下,每年將可減少排放35,000噸的溫室氣體。

目前電廠所面臨的主要挑戰為:社區居住範圍不斷擴大,輸送地帶的整合成為最大的難題。因此為了要能使用這樣的天然能源,持續向環保與節能目標努力前進,社區的開發必須考慮供電與暖氣輸送的可行性,而不能只求城市單方面的發展。

該電廠的順利運作成功,代表階段性任務完成,未來相關地熱能源的研究和開發將持續進行。因為拜恩特哈欽地熱能源開發成功所賜,使得德國南部的地熱能源區陸續地被開發出來,目前已發現有超過100個地點也進入是否適合設立電廠的評估階段。(作者為本刊駐德國特約記者,同時也是台灣公共電視派駐德國杜塞道夫新聞特派員╱有興趣的讀友可逕行上網查詢:www.bine.info)


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