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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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地熱發電大哉十問

蔡坤霖

台灣再生能源新指標

在能源問題備受注目的今天,再生能源的發展備受重視。

位於太平洋火環帶上的台灣,擁有豐富的地熱資源,卻因地質構造、地球化學條件限制開發不易,也因此,台灣的地熱產業才正萌芽。
工研院綠能所所長童遷祥針對地熱發電的十個大哉問,進行深入淺出的解說,點明地熱能的技術前景。


在氣候變遷、核能爭議、能源枯竭的21世紀,再生能源已成為世界各國首重的關鍵議題。最成熟的水力發電已經漸趨飽和,目前全世界比例最高的生質能則因為台灣地狹人稠,難以量產,兩者的發展空間都有限。

而台灣緯度低、日照時數長,西部沿海與離岸都有良好的風場,因此太陽光電與風力自然成為最受關注的議題。

當再生能源發展逐漸成熟時,太陽能與風力受到天候限制,供電不穩定的問題便躍上檯面,除了要建置更先進的智慧電網來調配、儲存電能,更要具備足夠龐大的基載電力,作為不受天候、季節影響的穩定電力來源,地熱能正是少數能夠作為基載電力的再生能源,對位於太平洋火環帶上的台灣而言,地熱發電也具有一定的潛力。

然而,台灣的地質構造、地球化學條件限制,讓地熱發電尚未成為能源供給的主力。到底地熱能在台灣發展的現況、未來的可能性與遭遇的瓶頸為何?工研院綠能所所長童遷祥面對地熱發電的十個大哉問,進行深入淺出的解說。


十個大哉問

問題一:除了太陽能、風力發電以外,台灣還蘊藏了哪些具有潛力的再生能源?
童遷祥回答(以下簡稱答):目前潛力探索的重點是地熱,因為太陽能和風力發電都會有不穩定的問題,但是地熱能可以一天24小時、一年365天持續運轉,如果開發出來,就可以成為基載電力。

問題二:為什麼大眾鮮少聽到地熱發電的訊息?
答:雖然台灣到處可以看到溫泉,但溫泉是淺層的地熱資源,量不大,溫度也不高,而且台灣的淺層溫泉水大多蘊含會堵塞管路的礦物質,發電設備使用久了,就會出現問題,不僅維修成本節節高升,發電量也會變得不穩定,有一定的開發風險。

問題三:台灣的地熱能具有怎樣的特色?
答:依深度來說,地熱一般可以分為淺層和深層兩種;依地質條件來說,則可以分為火成岩的地熱和變質岩的地熱兩種。
深埋在地下沉積岩層受到溫度、壓力地影響形成變質岩,受到板塊作用的影響,使這些高溫變質岩快速抬升到近地表,形成主要變質岩地熱區,此類地熱區因地質構造複雜、岩石岩水特性較低等缺點,導致開發技術上面臨較大的考驗。
另外,因板塊作用而被擠壓至地下深處的海洋板塊,因高溫使岩石溶解產生部分熔融,與近地表的大陸板塊岩石交互作用,沿著地層裂隙噴出地表,形成大屯火山,是火成岩型的地熱。火山地底下的岩層結構比較完整,所以地熱開發成本通常比較低,
目前全世界的地熱發電已經達到10 GW,絕大部分都是屬於火山型地熱能。火山型地熱能來自岩漿,透過岩層的裂隙冒上來,因為岩漿冒出地點及地質構造較清楚,可以降低開發的風險,又能在比較淺層的地方取得地熱資源,所以目前10 GW的地熱資源,都是火山型地熱,也都是淺層就有足夠溫度水體的淺層地熱。
其實地熱發電和所有再生能源的挑戰,最終都回歸到成本問題,我們關心的是,未來有沒有可能降低地熱發電的成本。

問題四:台灣目前淺層地熱的應用狀況如何?
答:工研院曾經在宜蘭清水設置過一些地熱井,利用淺層地熱來發電。然而,這裡的地下水資源不夠豐富,所以地熱井鑽下去,取了一部分水上來後,水源就漸漸枯竭了。必須再鑽第二個井,將取出的水回注水,但是因為井比較淺,投資的成本會比深層地熱能的地熱井低,是可以優先考量的標的。
深層地熱能方面,因為沒有地表水的滲透,通常都是乾井,必須注入水來取熱。較有效率的取熱方式,不只是挖一個深井,因為這樣只能針對一個點或是一條線來利用,取熱的成本較高。
一般而言,深層地熱能都會使用加強型的地熱開發,這意味著挖掘最少兩口深井,其中之一注入高壓水到岩層當中,並在取熱深度的岩層製造人為的破裂帶,然後在另外一端,鑿一個井把水取出來。當水流經岩層當中的破裂帶時,會進行熱交換,水溫便會相當高,透過這樣的方式,能更有效地運用大量地熱能,來降低發電成本。最理想的狀況是,注入的水全部都可以在另外一端回收,火山型地熱較完整的岩層結構,能夠減少水的流失,就是被普遍開發的主要原因。

問題五:如果要注入大量的水,會不會消耗大量水資源?
答:如果能夠回收80%以上的水,那影響不大。如果水都取不回來,當然就十分浪費,所以這也是一項重要的成本考量。第一,取出來的水越少,單位成本就越高;第二,極有可能找不到足夠的水不斷注入地熱井。

問題六:請您預估地熱發電的成本?
答:以宜蘭清水地熱區地條件估計大約是1度新台幣4.5元左右。

問題七:其實,地熱能取出後之發電技術,算相當成熟,工研院研發的系統也已經證明能實地運轉,但在地熱能探勘的部份,則面臨了相當大的挑戰,這是否為目前台灣地熱產業發展的門檻?
答:除大屯山之外,台灣的地熱能屬於變質岩型,岩層被擠壓之後會破碎,這種自然形成的破碎不是人為所能控制,所以水的流向可能不會按照預期走,因此要如何確認注入的水,能夠在另一個井回收上來,就是台灣變質岩型的地熱能,進行深層開發的重要課題。
如果灌進去的水只回收20到30%的熱水,發電量就會降低,讓單位發電成本飆高──這就是最大的技術門檻。我們要對深層的地質結構有充分的掌握,確保注入的水能夠取得出來,才能夠成為一個好的地熱井。而如果探勘不準確,取出的水量不足,發電成本就會過高,這是地熱開發面臨的風險,所以深層地熱的開發,需要比較長的時間來做探勘,不能夠短時間大量開採。
台灣面對的挑戰,是因為淺層地熱的蘊藏很有限,最多不會超過1 GW,其中很多又位於國家公園或是地質災害敏感區,像是位在山坡地有土石流的問題,在排除這兩種地點後,我們預估淺層地熱大概只有150 MW,和核四廠2.7 GW差得很多。
台灣深層地熱的蘊藏量,據國科會估計高達30GW,但這要看地熱井鑽到多深,及如何避免地質結構造成的風險。如果這30 GW的地熱資源都能順利開發,那確實是能夠作為未來台灣再生能源的基載電力。


問題八:目前由熱能轉換電能的效率,是否還有很大的進步空間,請問台灣在地熱發電熱轉換的表現如何?
答:發電的效率是直接跟溫差有關,像是火力電廠的溫差一般來說是500到600℃,所以熱能轉換電能的效率可以到40%以上,地熱發電的溫差大約是200℃左右,通常熱轉換效率都不會很高,如果要讓地熱發電的溫差高達500℃,地熱井可能要鑽到10公里深,成本太高了。而我們一般鑽到2000公尺深度的時候,溫差大概是200℃甚至是150℃左右,這樣發電效率大概只有12%,這在全世界都是一樣。
在台灣,工研院有很不錯的機組技術,所研發的地熱機組,價格上比進口機組低很多,這是因為台灣在精密機械的技術很好,而工研院機組的核心是以成熟的空調壓縮機變更設計來的,所以機組的生產量夠大,成本也就能夠壓低。因此在製造地熱電廠的機組上,台灣具備既有產業利基,應該有一定的優勢。

問題九:請問轉換效率差異的主因為何?
答:轉換效率和溫差有關。高溫熱源和冷卻水的溫度落差,就是我們可以利用的範圍。冷卻水溫度大概都固定在20到30℃左右,所以效率高低主要就取決於熱源最高可以到多少。地熱的話從地底下鑿的井大約是200℃,可是如果熱源是來自核能、燃煤或是天然氣所加溫的熱水,那溫度可以到達600℃,溫差就決定效率,核能、燃煤或是天然氣是人為的熱源,我們就可以把它控制在理想的溫度和溫差。

問題十:請問台灣地熱發電的前景如何?要如何突破現階段的瓶頸?
答:曾有一個粗略估計指出,台灣的地熱資源有9.7個核電廠。但其實大家應該要把地熱能分成淺層和深層來評估。淺層地熱台灣擁有的資源有限,而深層地熱能的鑽井成本還是很高,水一旦無法回收,投資便會血本無歸。

我希望未來開採「頁岩氣」相關技術,可以對地熱能的探勘有更多助益。頁岩氣是在鑽到儲氣岩層深度後,將方向由垂直改為水平,並在水平鑽孔段用高壓水柱向地層施壓,造成岩石碎裂,將頁岩氣抽取出來,原理有點類似深層地熱能發電,所以頁岩氣的開採技術更成熟普遍的話,便能成為地熱發電的助力。

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