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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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先進技術建功 地熱發電啟航

撰文/李幸宜 攝影/游家桓

新北市金山區10 MWe地熱發電廠是全國大型地熱開發的先驅,未來商轉將可供應新北市金山區及萬里區1.6萬戶居民一年的用電量。

再生能源發展是各國競相發展的重要策略,臺灣第一座百萬瓦級地熱發電廠的試驗井在八月開鑽,工研院運用先進技術精準選址於新北市金山區,結合研發長達兩年以上的耐酸蝕塗層材料,來因應大屯火山地熱區水質酸性高、溫度高的環境考驗,有效保護地熱發電機組。

經濟部能源局局長林全能表示,這座試驗井是臺灣地熱發電的重要里程碑,也是精準掌握該地區地熱資源的關鍵。相較於太陽光與風力發電等間歇性能源,能以24小時基載發電的地熱能源更為穩定可靠,還能善用臺灣豐富的淺層與深層地熱能源。
 

以臺灣製造催生綠能產業

根據資料顯示,臺灣淺層地熱發電目前有26處潛能區,總發電潛能可達730 MWe(百萬瓦),其中火山型地熱占70%,非火山型地熱則為30%。結合經濟部能源局、工研院與新北市三方之力,合作開發的新北市金山區10 MWe地熱發電廠屬於火山型地熱,預計兩年內啟動商轉建廠裝置計畫,未來商轉的年發電量可達6,850萬度。

為了推動臺灣綠能的發展,工研院扮演促進民間參與公共建設先期作業的角色,包含可行性評估與先期規畫,以及探勘井鑽鑿與產能測試。本次開鑿試驗井的四磺子坪地點就是由工研院嚴選,此外,工研院也投入數年時間,來解決酸性地熱的腐蝕問題。
以選址為例,屬於火山型酸性地熱的新北市大屯山鄰近國家公園,開發難度相當高,工研院以成熟的探勘技術,以及發電開發建廠與運轉經驗,運用地球科學整合技術及地熱專家輔助決策系統,精準評估出可開發地熱的潛力區。

此外,高溫高壓的酸蝕地熱環境,需要以金屬材料做為取熱流體的流通道,例如:地熱井、分離器、發電機泵浦、冷却塔等,只要有了耐酸蝕技術,就能選用成本較低的基材,降低開發及發電成本。

工研院綠能與環境研究所所長胡耀祖指出,工研院以協助民間、協助產業為出發點,透過能源多元化來催生產業發展,例如:以成本較低的耐酸蝕技術為基礎,希望未來發電機組都能由臺灣生產,取代必須從國外進口、價格昂貴的鈦合金發電機組。
 

耐酸蝕塗料大降商轉成本

國外地熱發電技術多是以鈦金屬做為管線材料,但鈦金屬的成本是不鏽鋼的十倍以上,地熱開發成本必然會因此倍增,產量夠大才划得來,像是冰島及南美洲的火山型地熱國家,雖然環境酸度高,但幾乎都是全管採用鈦合金。

為了達成和其他再生能源發電技術一樣能商業運轉的目標,地熱發電必須有效降低開發成本,才能鼓勵業者投入。工研院團隊很早就預期到在大屯山開發,酸性腐蝕會是最大問題,也是現行地熱技術較欠缺的環節,全世界都在尋求相關技術,因此,毅然決定著手耐酸蝕技術的研發。

工研院綠能所副組長柳志錫指出,研發團隊選擇的作法是在不鏽鋼的鐵矽基材塗抹或鍍上一層抗酸蝕的材料,這個作法跟使用鈦合金相比,可以把成本降低三分之一到五分之一,而且從實驗室數據和現場環境測試結果來看,耐酸蝕塗層的效果一點也不輸鈦合金,也讓團隊信心大增,並順利完成初步技轉。

耐酸蝕塗層材料技術是由工研院跨領域整合各單位之研發成果,以奈米技術製造出奈米級的耐腐蝕塗層材料,目前在北投復興公園的溫泉水體中已經連續進行超過4,000小時的實地測試,沒有任何腐蝕狀況,並且持續進行測試中;相較之下,沒有經過任何加工的不鏽鋼放進溫泉水體,只經過短短120小時,就出現嚴重腐蝕。
 

抗刮耐高溫技術再躍進

柳志錫表示,只要材料支撐愈久,就代表未來的開發成本愈低。所以研發團隊除了持續改良耐腐蝕技術,同時也朝抗刮、耐高溫的複合鍍層技術發展。
火山型溫泉水體富含硫及氯離子,pH值僅1.2,具有高腐蝕性。工研院的耐酸蝕塗層材料技術以鎳鉻合金鍍層為主要材料,鎳可以耐氯,鉻則能耐酸,以目前開發完成並已技轉的成果來看,只要完整塗裝在鐵矽基材的鋼管內外表面,就能通過高溫達150℃的溫泉環境的考驗。

不過,若朝地熱發展,以剛進行開鑿的試驗井為例,地底溫度可能高達205℃至300℃,因此,工研院現階段的研發重點在於克服高溫環境,運用鎳鉻合金結合陶瓷技術,希望能在近期內開發出抗刮、耐高溫的複合鍍層技術,運用於地熱發電機組或生產管線,可望進一步確保地熱發電的永續運轉。

值得一提的是,工研院的耐酸蝕塗層材料技術雖然是針對地熱發電需求開發,但在其他產業的應用面也很寬廣,例如:汽車、機械等產業。此外,像是環境裡有酸雨的問題,或是海水環境腐蝕度更高的狀況,也是耐酸蝕塗層材料技術未來適用的場域。工研院透過地熱能源開發所帶來的創新技術與附加效益,將可實際提供臺灣產業不同的應用商機。
 

新北市經發局長葉惠青(左四)、經濟部能源局局長林全能(左五)、工研院綠能所所長胡耀祖(右三)及貴賓共同出席地熱發電試驗井開鑽典禮。
新北市經發局長葉惠青(左四)、經濟部能源局局長林全能(左五)、工研院綠能所所長胡耀祖(右三)及貴賓共同出席地熱發電試驗井開鑽典禮。

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