跳到主要內容區塊 ::: 網站導覽 最新上線 熱門點閱 經濟部圖文懶人包 近期報導
經濟部能源局-LOGO 圖文懶人包
:::

溫泉熱呼呼——德國地熱能源的發展與運用

2006/07/05 經濟部能源局 點閱人次: 298

字型:


█撰文:翁鳳英 █圖檔來源:BINE Information Service

在寒流來襲時,到溫泉區泡個熱呼呼的湯澡,是冬季裡大家非常喜歡的活動。在享受溫泉的同時,讀友是否想過地熱也是一項綠色能源,若能善加利用,也能增加能源來源及緩和能源危機。

台灣地處太平洋大陸版塊的邊緣,與日本同樣是地熱能源豐富的國家。地下溫泉除了具有多種礦物質,對促進人體健康甚有幫助,也因其高溫而饒富能源價值。試想若能將地熱直接引至家庭使用,我們所需的熱水就不再另外需要能源加熱,尤其在冬季熱水需求量提高時,就是一項充分利用天然資源的作法,符合現代節能的概念。

雖然德國並非地處於大陸版塊與海洋的交界區,但它依地表起伏不一,可以在許多地區地表下1,000~5,000公尺處發現到溫泉,最低溫度為40℃,最高可達190℃。德國向來以發展綠色能源與先進的能源技術著稱,對於埋藏在地下的能源也已發展相關設備取得運用。本文希望藉由提供德國發展運用地熱的進程,以及其設備與概念,供作同為饒富地熱資源的台灣些許借鏡。

發展地熱為國家的能源政策之一

為配合德國聯邦政府的「投資未來計畫(Zukunftsinvestitionsprogramm)」,聯邦環境、自然保護與核能安全部(Federal Ministry of Environment, Preservation of Nature and Nuclear Safety, BMU)成立了金額高達6,700萬歐元的研究發展計畫基金,計劃贊助包括:地熱能源發展、研究平台的建構、離岸風力的環境研究、太陽能電廠的設立,可回收資源煉取燃料以及燃料電池的環境影響評估等方案。該基金中有2,100萬歐元則用為發展地熱能源。該計畫所支持的實驗地熱能源設備依地理狀況而有所不同,它們分別位於德國東北的新城葛雷渥(Neustadt-Glewe)、德國南部的恩特哈欽(Unterhaching)、和靠近法國邊界的歐芬巴赫(Offenbach)。

地熱的雙重運用

在德國北部和南部均可發現溫泉蹤跡,北部和萊茵河流域的溫泉含有鹽分,而南德所發現的溫泉則為良質的飲用水。德國目前共有24座利用地熱之熱電共生廠(combined heat and power plant, CHP),輸出功率在100kW至20MW之間。在這些電廠中,地熱均採階梯式利用,例如溫泉的熱能被用來供應暖氣,而除去熱能後的水則用作飲用水。由於夏季的熱能需求量減低,無法完全利用溫泉所產生的熱能,因此在夏季地熱則被運用來轉換成電能。

運用地熱供應熱能和電能,在德國的發展可追溯至20年前。1980到1990年之間,有位於前東德的瓦倫(Waren)、新布蘭登堡(Neubrandenburg)和普林芝勞(Prenzlau)等城市的地熱發電廠正式加入運作,而其他地區的地熱發電廠則是在進行評估中。東西德合併後,位於瓦倫和新布蘭登堡的發電廠在設備上進行更新,而在靠近史威爾倫(Schwerin)的新城葛雷渥的地熱發電廠則在1995年正式投入運作。之後該設備擴大加入發電機,在2003年11月正式成為全德第1座地熱發電廠。

地熱能源的取得

在德國北部盆地地表下1,500~2,500公尺處,蘊藏有大量的含溫泉的有孔沙岩。依不同的深度和地層,溫泉的含鹽量界於80~350g╱l之間(取海水為比較值,海水含鹽量為35g╱l),處理含鹽量高的溫泉需要特別的設備防止腐蝕。

以新城葛雷渥為例,為取得這地區溫泉中的能源,往地下約1,500~2,000公尺處鑽了2個洞直至含水層。埋設在地下的抽水機將熱水抽上來,至地面上的熱水處理設備。熱能交換機從高含鹽量的熱水汲取熱能,然後將之餵送至區域熱能輸送網。該系統也包括1座整合有ORC(Organic Rankine Cycle)的渦輪機,可在區域熱能輸送網夏季熱能需求量降低時,將多餘熱能轉換為電能。新城葛雷渥地熱發電廠所汲取出的熱能都能直接利用,而剩餘的冷卻水則被送回地下。在正常的運作條件下,該地熱發電系統本身運作時不損耗熱能,可至少運作30年。

地熱發電廠的運作情形

新城葛雷渥的地熱發電廠自1995年起開始運作,每小時自地下汲取40~120立方公尺的熱水,即為每秒11~33公升。選擇該地設廠的原因在於該地地下蓄水層溫度高達100℃,相較於瓦倫與新布蘭登堡兩地的條件來得優越。

雖然熱水含鹽量為220g╱l,但使用強化玻璃纖維環氧樹脂管,即可降低腐蝕的現象。被汲取完熱能的水,溫度只有50℃,經由管道再送回地下。一直到現在,該系統所汲取出的熱能,經由現代化的熱能輸送網提供給使用者,高峰輸出量為11MW。為因應嚴竣的冬日裡高需求量的熱水,另也配有一個大蒸汽鍋。目前該系統每年供應90~95%的熱能給當地居民。由於熱水溫度高,因此該地熱發電廠採直接傳送的方法,並不經由居中的熱能幫浦機傳送。

夏天熱能的需求量明顯降低,所產出的熱能即使輸送給工業用也還用不完,由於該地熱發電系統40%的成本在於鑽挖熱水,會連帶影響到商業可行性。再說,一旦出水孔速率降至每小時80立方公尺,則真空吸塵器的壓力即會降為負壓,如此一來,導致氣體進入密閉式的地熱水循環環境,而使熱水中含有氣體,這些氣體大致上為可揮發的二氧化碳、氮氣和甲烷。

地熱發電

相較於熱能需求,電能的需求較為廣泛也較為穩定,由地熱發電系統所產生的電能可以隨時輸送至輸配電網中。用熱水來發電,在德國並不常見。傳統發電廠技術並不適用於水溫介於80~190℃之間的熱水發電,因而需要特殊的熱能轉換電能系統,即為ORC。

在ORC系統中,蒸汽通過渦輪送入高壓和高溫的環境中,蒸汽充斥在管道中,而為了冷卻蒸汽,亦同時設有注有有機戊烷或異丁烷的管道,這兩類管道彎彎曲曲地糾結在一起,但彼此並不相通,在此一環境下進行熱能交換與冷卻程序,而渦輪機則驅動發電機來產生電力,而冷卻水則透過另一通道注入地下。

通常以ORC系統100℃水可產生6.5%的發電效率,而200℃則可達13~14%。比起電廠所使用的煤、石油和瓦斯,地熱發電並無能源成本,也不涉及廢氣排放,是非常具環保概念的能源。若熱能可以在發電後繼續使用,則它整體的能源效率會更高。一般認為,德國未來將會把地熱發電條件設定於水溫必須在100℃以上,最低流量速率為每小時50立方公尺,ORC目前的輸出電量介於100~250kW之間。

新城葛雷渥的ORC

該ORC整合於地熱水循環系統中,位於抽水孔的後方。該系統每年可輸出1,200萬度的電力。大約可提供300戶家計單位用電,未來該系統將努力朝節省本身運作的用電量發展。

在發電後,水溫仍維持在70~84℃之間,即被送至區域熱能電網中。值得注意的是,此類地熱發電廠,以熱能供應為首要任務,發電則在於熱能需求的低峰期。例如,冬天熱能需求量高時,發電系統則短期關閉,全力提供熱能。

經驗分享

新城葛雷渥地熱發電廠為德國重要的指標性綠色能源發電廠,主要在於吸取以地熱水提供熱能和電能的經驗。由已知高溫、流量速率、夏日多餘的熱能,以及它做為一座地熱發電廠的運作情形,均證明該系統是可行的。在新城葛雷渥所吸取的經驗將有利於在其他地區進行的類似電廠。

地熱能源不受季節和陽光的影響,因而特別適合供應基載電力需求(Base Load Demand)。德國在發展地熱的潛能上可說很大,以現今的技術,若能完全利用地熱,所取得的能源大約為目前每年德國能源需求量的600倍。即使只開發地下蓄水層熱水的1%,也足以提供德國每年熱水需求量長達5年。這樣的潛能到目前為止並未完全開發,原因在於熱能需求量有冬日和夏日不同需求量之分。若全德國熱能輸送網均能貫穿以輸送地熱,則地熱發電也可借此網路輸送,則地熱電量可占全德用電量的2%。為要能增加地熱電能的使用比率,必須加強發展地熱網路的鋪設和其他地熱需求來源。

目前地熱電能仍相對昂貴,原因在於鑽探深度、水溫高以及裝置本身的用電量,和抽取的水量必須要多。目前所估算的地熱電價在於每度為18~22分(歐元)。但若以歐巴漢葛拉邦(Oberheingrabens)的180℃、抽取量為每小時200立方公尺的規格來看,則每度只要8分。就技術層面而言,改進鑽探技術以及發電設備安裝等,都可以降低成本。(作者為本刊駐德國特約記者╱有興趣的讀友可查看www.erdwaerme-kraft.de網站)


文章分類 焦點精選
活動快訊
能源FAQ
能源E觀點

網站選單 關於能源報導 全文搜尋 聯絡我們 友站連結 FB粉絲專頁 網站導覽 經濟部圖文懶人包