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大屯火山群:來自火山群的贈禮 –地熱發電
地熱發電具備其他再生能源沒有的優點及潛力。以大屯火山群為例,其深度6公里以內的地熱資源若能開發,發電潛能預估可達16億瓦,極具開發誘因。
 
 
 
普羅大眾每當被問到再生/替代能源有哪些時,總會直覺地說出:「水力發電!」接著可能會想到彰濱沿海那些快樂轉動著的風車,或南部豔陽下閃閃發亮的太陽能系統。再厲害一點的朋友還會點出海水潮差、溫差發電等方式,但有個選項卻常常被眾人所遺忘,那就是地熱發電。

其實,地熱發電擁有幾項其他再生能源沒有的優點,如:不受季節、早晚等因素影響,全年可運轉,適合做為基載電能;抵抗天災能力強,如日本東北的9座地熱電廠於311地震前後產能不受影響;發電成本比較低廉;輸出單位電力所需土地面積小等。

尤其很多人還不知道的是,日新月異的科技已順利克服各種技術障礙,讓宜蘭清水地區擁有商業運轉的地熱電廠。本文的目的就是讓讀者重新認識這個充滿潛力與魅力的發電方法。

技術障礙

面對酸蝕問題時,在生產井中注入氫氧化鈉中和,是有效且已商業化的做法。關鍵在於適當劑量及濃度的拿捏,因為過量的氫氧化鈉會使熱液pH值上升過高,導致硬石膏(CaSO4)與二氧化矽結垢的生成。另外,注入氫氧化鈉的成本較高,且可能與CO2、H2S反應,因此也有改用共軛酸鹼對配製緩衝溶液的做法。當然,最直截了當就是不計成本地使用高合金鋼或鈦合金。

就處理碳酸鈣結垢而言,在生產井內的閃發點(熱液在井內上升的過程中會逐漸減壓,當減壓至低於飽和壓力時,便會產生沸騰現象,而發生沸騰的位置就稱為閃發點)下方注入結垢抑制劑是常見的手段。使用24小時運轉的結垢抑制劑井下注入系統的優點有:成本遠低於每年所需的機械性清井、井口產量不會迅速衰退、避免清井時對井壁及水泥的不良影響。另外,注入成本較高的鹽酸清井也是一種選擇。至於應付二氧化矽結垢,當然可採用結垢抑制劑。目前世界上已有十數種的預防方法,視地熱流體的成分而選用。

以上幾種方法也可以互相搭配。以哥斯大黎加Miravalles地熱田為例,其處理碳酸鈣是24小時注入結垢抑制劑,並且數年做一次機械清井:土耳其Kizildere電廠對付碳酸鈣結垢的做法是固定每年一次機械清井,並且數年實施一次加入鹽酸清井。

上述經驗顯示傳統的技術障礙都能有效克服,因此在有酸蝕問題的大屯火山區與有碳酸鈣結垢問題的宜蘭清水地區進行地熱發電,並非遙不可及的夢想。

地下三維模型

地熱資源的形成須具備3個要素:熱源、水源、通路。因此在進行地熱發電的開發計畫前,通常會進行:地質調查與地球物理探勘,如電阻探勘、磁力測勘、震測等。藉由這兩項調查,對一地區有哪些岩層及其工程性質有初步的掌握,判斷何者可能是富含熱液的岩層(儲集層);是否有斷層、節理、褶皺等構造存在,產生破碎帶成為熱水的通路;哪裡是低電阻、低磁、低速區,都反映著可能有熱液的分布。

如果有溫泉露頭,更可以進行水化學分析,推算儲集層平均溫度。其原理是各種礦物在不同溫度下有不同的溶解度,假設熱液在深部與周圍礦物反應後達到平衡,並維持這狀態上升至地表,便可分析熱液中特定成分的濃度並推算。

有了上述調查之後,就能初步選定潛能區並鑽井。鑽井過程中須記錄井下溫度、岩性、孔隙率等資料,再藉由這些資料建立地下地質模型及地下溫度模型,以評估熱源確切的位置,判斷富含熱液的岩層分布,預計生產井需鑽多深以及生產的熱液溫度等重要的決策資訊。

以大屯火山區來說,可以看到七星山東側較接近熱源,但也是儲集層頂面最深的地方,需付出較高的鑽探成本。因此像硫磺谷或金山平原等溫度較低,但儲集層甚淺就可鑽遇的地區,應該可以納入初期測試開發的考量。

發電機組

地熱發電系統有兩類機組,分別是閃發式系統及雙循環系統。閃發式系統是使井口所生產的熱液在較低壓的旋風分離器中閃發(flashing)後,藉由兩相的密度差異進行汽液分離,僅利用乾蒸氣推動渦輪產生電能。根據閃發分離的次數又可分為單閃發式、複閃發式系統。

設定井口熱液溫度、閃發分離壓力、出口冷凝溫度,藉由熱力學的節點分析,配合井口流量曲線,便可評估單口井運用閃發式機組的輸出功率。

對於中低溫的地熱資源(攝氏100~190度),通常採用雙循環系統搭配井下幫浦的設計。它的效率不僅比閃發式機組好,抽水井的產量也比自流井佳,使電力生產更具經濟效益。

這種系統設計的井口所生產的液體僅在熱交換器中提供熱能給工作流體,本身並不推動渦輪,因此兩流體各自構成循環而得其名。它的優點在於井口熱液所蘊藏的熱能都能有效運用,所選擇的有機工作流體具備高膨脹性,且飽和蒸氣線在溫度—熱熵圖上有逆行(retrograde)現象。這種逆行特性可讓蒸氣膨脹的過程中不產生任何水分,渦輪效率也會較佳。

藉由儲集層模擬,評估運用井下幫浦可獲得的井口流量,再進行有機工作流體的熱力學節點分析,便可計算雙循環機組的輸出功率。

以位在硫磺谷的E103號井為例,其深度1,000公尺,井底溫度攝氏170度。模擬結果顯示如果運用單閃發或雙閃發式,機組輸出功率各僅273千瓦或440千瓦。但如果運用雙循環式機組,以異丁烷為工作流體,則淨電力輸出可達3,458千瓦。

區域發電潛能評估

國際上大多採用體積法來計算淺層區域發電潛能。概念是先劃定儲集層的體積,包括範圍(面積)及厚度。接著乘上岩石與流體的體積比熱、儲集層溫度與汽液分離溫度差,這就相當於計算地底下所蘊藏的熱能總量。再把這總儲熱乘以熱攫取因子(由於生產井與回注井之間的裂隙通路「順暢」程度不同,造成回注的冷水沿著較順暢的路徑提早突破至生產井,這時生產井熱液溫度會大幅下降,必須暫時廢棄,因此並非100%的地下儲熱都能攫取出來。諸多模擬文獻指出,只可取出約10~20%的熱能),則是井口所能攫取的總熱能。

同樣地,因為已假設井口熱液溫度、氣液體分離壓力、渦輪出口溫度,便可利用熱力學分析計算熱電轉換效率而得到電能輸出。最後除以電廠營運期(一般地熱電廠計畫運轉30年),就是所求的裝置容量,單位是百萬瓦。

由於各個參數都有不確定性,在評估時必須利用「蒙地卡羅模擬」的統計學方法,這方法又稱為統計模擬法、隨機取樣技術,是一種藉由亂數取樣和統計來獲得數值解的方法。其步驟是針對上述可變參數的機率分布模型寫出對應函數,並實行大量的隨機取樣,再就取樣出的數據進行必要的數學計算,求出大量的數據結果。最後把求出結果以統計學處理,求出平均值、眾數、標準差等,並繪製機率分布曲線和累積機率曲線。

以這方法劃定儲集層面積的依據是必須符合深度1,300公尺時至少達到攝氏180度,底下岩層具高孔隙率或高滲透度的儲集層兩條件。而儲集層厚度部分,則是加上最大鑽深3,000公尺的條件,這限制是考慮深部岩層的滲透率會急遽衰減。

值得注意的是,以現今發電技術而論,攝氏90度以上的熱液資源便可運用雙循環機組發電。但考量到經濟性因素,淺層地熱仍取1,300公尺須達攝氏180度的條件來劃定潛能區,因達到這條件的區域通常是有熱液流經的區域,較符合傳統淺層地熱的開發要件–熱源、裂隙通路與水源。

熱攫取因子與儲集層面積是影響潛能計算結果的主要變數,因此通常會進行地熱田示蹤劑試驗以了解裂隙連通情形、延伸方向及較佳的生產方案(即注入井配置方案),以提升熱攫取因子。

大屯火山區3公里以內的淺層地熱發電潛能是432百萬瓦,若繼續往更深部開發,顯然溫度會更高、資源更豐富。但是就如前面所提到的,越深部的岩層滲透率會越低,到了3公里以下似乎不太可能有足夠的水源與裂隙通路。因此針對深層的地熱資源,目前國外正積極發展利用注水製造水力裂隙的技術,藉以開採深層地熱資源,這項技術統稱為加強型地熱系統。

要評估3至6公里的地熱資源,得先應用經驗公式把各井底溫度往下推導至3.5∕4.5∕5.5 公里深,再運用類似體積法的原理計算。由於人工製造的裂隙「順暢」程度相差更大,目前國外經驗顯示深層地熱的熱攫取因子僅5%左右。計算結果顯示,大屯火山區如果進行深層地熱開發,以30年為營運期,能再額外產生12億瓦的電力輸出。

併合淺層地熱與深層地熱,大屯火山區的地熱發電潛能估計超過16億瓦,極具開發做為基載電力的誘因。在這裡要特別指出,本文計算淺層及深層地熱發電潛能,僅以新北投、硫磺谷經七星山至金山平原的東北走向條帶,即鑽井涵蓋的範圍做評估。實際上在東南方鑽井範圍外因地溫梯度不明而未考慮,也未包含萬里的局部地熱資源,因此實際的發電潛能可能更高。

在核能一號電廠即將在2018年除役的情況下,積極尋找各種能源資源是一個急迫的議題,而地熱發電預期會在未來大放異采。
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