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未來能源之星–地熱

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。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」。
 
 
 
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。
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