地熱發電技術(四):地熱取熱技術 - 增強型地熱系統EGS

 
2018/03/07 張貽斐 | 國立成功大學資源工程學系     257

技術起源

 

1904年7月,義大利王子Piero Ginori Conti於Larderello進行全球首次地熱發電試驗,當時成功點亮四盞燈泡,開啟地熱發電之,如今世界最大的地熱電廠The Geysers,在其全盛時期可供應180萬人使用。一個適合做為地熱發電運用的地層通常包含以下三種條件:充沛的水源、連通性良好的儲集層與足夠的熱源。許多國家在地熱電廠發展初期,若能找到這樣的地層,地熱發電簡直平步青雲,但更多時候是沒有那麼順利的。地熱能源發展剛開始可能面臨無法找到具備水、熱、與良好連通性之地層,在一些像是上述所提及的老地熱電廠也會面臨水源補足不即時或甚至該地的水已被消耗殆盡等挑戰,因而有了增強型地熱系統之誕生。

 

增強型地熱系統特色

 

增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System,以下簡稱EGS)的本意其實是為要解決在乾熱岩(Hot Dry Rock)開發時所面臨之挑戰,乾熱岩顧名思其地層特性就是孔隙率與滲透率不佳、岩體本身沒有儲存足夠可以直接利用的水源,為了「增強」其孔隙率與滲透率,透過水力液裂(Hydraulic Fracturing)等方法創造出人工裂隙,達到改善地層連通性之效果;又由於其缺乏地層原生液體,因此注入地表水至目標地層,並在裂隙的另一端進行生產回收。由於有人工裂隙之輔助,水在地層中可進行熱交換的表面積大幅增加,也進而提高產能。EGS的概念也被用於其他狀況不佳的地熱地層,像是已經生產過多地下流體的地方,就可運用EGS的概念繼續取熱。有了EGS技術,可以幫助一些想進行地熱開發卻礙於沒有條件良好之地層的地區克服先天上的限制,使地熱能源開發不再被侷限於傳統水熱型地層。

 

透過EGS技術改造後的人工裂隙地層,掌握其開裂方向是目前最大的技術挑戰之一。由於地層內水的流動都發生在裂隙之中,因此在進行水力液裂時可事先模擬地層開裂情況,以利往後決定生產井之井位。英國Rosemanowes的EGS場址進行水力液裂,但由於當地的天然裂隙場狀況複雜以至於影響人工裂隙原本預期的開裂方向與最終開裂方向不同,造成此場址原本打算創造的EGS循環流體最後損失超過70%,生產目標無法達成而最終宣告暫停。

國際EGS發展現況

 

1974年美國新墨西哥州Fenton hill進行世界第一個EGS試驗型計畫,此地之地熱地層特性與台灣的大屯火山群同屬於火山型地熱,雖然最終無法達到預期產能而宣告暫停生產,但Fenton Hill試驗場並非全然無功,它證實水力破裂技術可以在低滲透率的堅硬岩層(此地為花崗岩層)中進行開裂,並製造體積夠大且具有發電效益之人工裂隙。爾後陸續在Desert Peak、Brady's Hot Spring、Raft River、Newberry Volcano與The Geysers等場址進行EGS試驗開發;在2014年,美國為了加速促進EGS在技術與商業方面之發展,提出FORGE計畫與大筆資金以鼓勵民間參與。

 

英國目前在Eden和Redruth兩地各有EGS計畫,兩者皆位於Cornwall附近,此地區有3 GWe之地熱潛能,其中Eden地區目前正計畫建置50 MWe的EGS商轉電廠;而Redruth地區的EGS計畫因得到歐盟補助而正在進行鑽井作業。法國於1987年建立了EGS商轉地熱電廠,其井深約5,000公尺,儲集層溫度大於180°C,置今仍營運中。

土耳其目前普遍的地熱井狀況與台灣相似,地溫梯度不高,大多落在100°C ~200°C,目前土耳其除了現階段進行中的傳統水熱型地熱生產以外,也計畫在未來20年間衝刺EGS,期望透過深鑽井(3~5km)結合EGS,達到15,000 MWe的目標。台灣在能源國家型計畫第二期中也於紅柴林進行鑽井試驗,若能持續蒐集地質資料,搭配地層模擬技術進行儲集層生產規畫與評估,EGS便有在台灣發展的可能。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

 

名詞解釋

深層地熱:深度大於3公里之地熱資源

MWe:為Megawatt的縮寫,是電廠計算電度的單位,百萬瓦

1 Gwe (十億瓦)=1,000 MWe (百萬瓦)=1,000,000 kWe (千瓦)