未來能源之星–地熱
101/07/11
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盧乙嘉｜
臺灣大學地質科學系
宋聖榮｜
臺灣大學地質科學系
能源是支持人類文明的重要命脈，從17世紀瓦特的蒸氣機轟隆隆地運轉，以至今日便利的電力傳輸，我們已很難回到過去鑽木取火、搆木為巢的生活，於是「遠古的陽光」—石油被大量開採。1960～80年代，尋找油田、探採石油曾經是許多地質學家的志業，但隨著石油的日漸枯竭而風潮不再。不過，十年河東、十年河西，如今地質學家再度躍上新能源的舵手位置，這波能源革命的新寵，正是我們腳底下的「地熱」，開發的新利器則是「加強型地熱系統」。
地熱發電躍上能源舞台
地球表面每年散失的熱量高達2.4×1017千卡，相當於燃燒1.68×1010（168億）桶石油的熱當量，所放出潛在可供使用的熱量約為205EJth/y（每年1018，即百京焦耳熱能），等於全世界一年所消耗能源的43％。這還只是地表的情況，越往地下溫度越高，在正常的地溫梯度下，每往下1公里，溫度可上升約攝氏30度。因此，如果能善用地熱，將可有效解決能源問題。
過去傳統的地熱發電深度大多不超過3公里，且只能透過儲集層內的熱水把熱帶至地表，倘若地底雖熱但儲集層內無水（稱「乾熱岩」），或其內孔隙不連通，便無法用來發電。這種取熱型態只能獲得淺層岩石中不到10％的熱能，且局限在熱水充沛的地熱田。囿於先天條件，加上後續常有酸蝕或結垢問題，往往經營所費不貲，造成地熱發展緩慢。
近年來，環保意識抬頭，而火力發電廠有嚴重的空氣汙染與二氧化碳排放等問題，再生能源屢屢成為眾所關注的焦點。加上近30年來鑽井技術、水破技術、發電設備、材料科技已有長足的進步，使得地熱發電前景看好。
美國能源部於2000年便開始推動Geopowering the West（地熱推動大西部）的計畫，預計2020年地熱能的利用將達到20,000 MWe（百萬瓦電功率）。德國2004年修訂的再生能源法也把地熱明列為獎勵項目，大力推動發電與熱能利用，其他像是澳洲、英國、加拿大等也正積極開發地熱資源。目前，冰島有25％、薩爾瓦多22％、肯亞和菲律賓17％的電力，都來自地熱發電，估計未來地熱發電所占的比率還會更高。
科學家預測，2050年再生能源比率會達到全世界總發電量的75％，地熱能的年發電量會達到1,400TWh（兆瓦小時），占總發電量的3.5％，之所以能如此樂觀，即是有鑒於地熱發電技術最新的突破。
技術越來越成熟
加強型地熱系統（enhanced geothermal systems或engineered geothermal systems, EGS）主要是針對有高熱流卻沒有足夠的蒸氣或熱水，或孔隙率低、孔隙不連通的區域，用工程的方法製造裂隙，或是使原本已經存在的裂隙張開，而在乾熱岩中創造大規模的熱交換區（儲集層），再把載體（通常是水）由注入井灌入到地底熱交換區，再由生產井把熱水抽取到地熱發電廠，把熱能轉為動能，推動發電機發電。
2006年，美國麻省理工學院的研究指出，如採用EGS的觀念，擴大傳統地熱的規模，加上開採利用3公里以下的深層地熱能源，便足夠提供全人類的能源需求。目前全世界EGS發展得最好的，是法國Soultz-sous-Forêts的1.5MWe科學先導型地熱發電廠。2011年，光是在歐洲，就有20個EGS計畫在進行或在歐盟各國間洽談中，其他像美國、加拿大、澳洲、中國、印度、日本等，也都有EGS的計畫。
除此之外，地熱開發早期多使用單閃式發電機組，以蒸氣推動渦輪機的葉片來發電，若是溫度不足以產生蒸氣而只是熱水的地熱田，則發電效能大減。近30年來，發展出的雙循環式發電系統則使用兩套迴路：由灌注井把冷水打入儲集層，再由生產井把熱水抽出通過熱交換器，這時另一迴路中的低沸點、高膨脹性的流體在流經熱交換器時，被加熱而快速汽化變成氣態，推動渦輪機發電，再經冷卻系統重新至熱交換中心，如此在封閉系統中循環不已。雙循環式地熱發電系統使得低溫熱液系統的發電變成可行。
科學家估計，至2020年，全世界可望有50座10MWe的EGS地熱發電廠。2030年，EGS技術可發展成熟，達到大規模的商業運轉，加上高溫熱液系統單閃式發電與低溫熱液系統的雙循環式發電，使得地熱資源能更有效利用。2050年，地熱發電可達200GWe（10億瓦電功率）的裝置容量，包含100 GWe的EGS和100GWe的傳統熱液系統發電。
我國地熱發電前景可期
台灣位處太平洋火環帶，蘊含極高熱流，許多地區的地溫梯度很高。根據1980年以前的探勘及普查資料，全島淺層地熱約有近1,000MW的發電潛能。最新的國科會報告則指出，台灣全島4公里內的地熱蘊藏量達159,606MW，特別是大屯火山群、宜蘭清水與土場一帶，南投廬山地區和花東地區如瑞穗、金崙等地，都有比一般地溫梯度還高的熱流，適合開發地熱能源。
以清水地區為例，傳統地熱徵兆區沿著清水溪約有1.4平方公里，發電裝載量約為10～30MW。但是倘若以加強型地熱發電系統的技術來估計，則不必局限於有熱水通過的破碎帶，只要地底有較高的地溫梯度，都具開發潛力。如此一來，蘭陽溪以南廣約140平方公里的地底下，都有類似清水地區的地熱蘊藏量，發電裝載量估計可高達7,385MW，相當於2.84座核四的裝載發電量（2,600 MW），因此台灣很適合發展EGS。
台灣目前的發電現況，75％是仰賴火力發電，其次是核能發電占13％，抽蓄水力發電約6％，再生能源的比率只有6％。而台灣的火力發電，又有7成的比率使用對環境汙染很大的煤為燃料。其中台中火力發電廠與台塑麥寮火力發電廠，曾在2007年被《自然》（Nature）期刊評定為世界單一火力發電廠排放二氧化碳的第1名和第6名。京都議定書生效後，台灣勢必得為火力發電付出更高昂的代價。
地熱能源不僅符合低環境破壞，可永續利用的條件，且分布廣泛，不受氣候影響，最重要的是還能當基載電力，可以說是現今再生能源中璀璨的明日之星。
台灣地狹人稠，斷層、颱風特別多，核能發電實是最不得已的選擇。且化石燃料和鈾礦終有用完的一天，而地熱源源不絕。在思考能源問題時，必須自問：能為後代子孫做些什麼？是留好幾座無法收拾殘局的核電廠，而殤土永無復原之日？還是在大氣層留下大量的二氧化碳，讓世界變得水深火熱？還是好好發展真的能讓子孫永久享用，再也不必為能源問題傷腦筋的環保能源？
或許深層地熱目前還有不少待解決的問題，但是只要有心，讓地質學家、工程學者與政府部門相配合，終有再也不必為能源煩惱的一天。
