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地熱發電技術(五):地熱取熱技術 - 閉迴路熱量收集系統CEEG
閉迴路熱量收集系統是由波蘭籍教授Bohdan Maciej Zakiewicz所提出的專利,其概念為在單一井中注入水,吸收熱後生產出來提供電廠發電或直接利用,除了地熱電廠以外,其衍生的概念井中熱交換系統(Borehole Heat Exchanger)也已被廣泛的利用在寒帶國家取代傳統燒煤暖氣。CEEG技術主要應用場址多集中於中東,在馬來西亞、加拿大、日本等地區也已推動CEEG技術,台灣利澤地區目前正在建構國內首座CEEG電廠。
 
 

日本大分縣八丁原地熱發電所,在2016年已成功進行CEEG測試。(圖片來源:Herman Darnel Ibrahim)
▲日本大分縣八丁原地熱發電所,在2016年已成功進行CEEG測試。(圖片來源:Herman Darnel Ibrahim)

技術起源

 

閉迴路熱量收集系統(Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG)早在20年前由波蘭籍教授Bohdan Maciej Zakiewicz首次提出的概念,但若要實現在地熱發電使用上,必須鑽深度超過地下三公里的井,成本過高,因此目前CEEG概念較多利用在供給家用型的暖房或冷房系統。申請專利後,CEEG技術在跨國公司,產學界專家,與工程機構互相合作,經過多年的精進之後,成為當今解決能源問題的希望之星。

 

閉迴路熱量收集系統特色

 

CEEG是一種專門設計給取岩層內部熱的技術,其目標在於將地熱開發行為對於地層的汙染與不可控制因素等降到最低,同時兼顧足以發電的熱量。鑽井執行完畢後,井下設備有幾個主要部分:固井用的水泥(Cement),套管(Casing),環孔(Annulus),與油管(Tubing)。CEEG的取熱方式,是透過環繞在油管外面的環孔把水注入井中,在往下輸送的過程,水溫會隨地溫梯度自然上升,到達井底後再由油管抽取至地表,形成一個不與地層物質接觸的封閉循環。透過此種方法,可以避免與地層水接觸而可能產生污染的疑慮,且因CEEG所使用做為循環的水並不是來自於地層,使CEEG的開發可以不被侷限於特定的地質構造區,並且可以避免當今地熱鑽井時常有的井下設備腐時或結垢問題,只要井鑽的夠深,足夠提供循環水熱量以維持發電,CEEG技術就可以被運用在任何地方。

然而,CEEG並非全無缺點,其一是熱傳導問題,由於沒有與地層物質接觸,當靠近井周圍的熱被生產之後,若此地區沒有良好的熱傳導物質快速補給熱給井,該井能否持續維持發電量是一大挑戰;另外,由於鑽井技術的限制,一口井內單位時間所能容納的水並不多,加上進行熱交換的表面積只有井壁,遠小於傳統地熱或增強型地熱(Enhanced Geothermal System, EGS)生產地層水,一口井能維持的產量不可能足夠供給發電,因此通常CEEG需要由一個井眼伸出多支管串,或在同一個場址鑽很多個井,兩種方法都會提高成本,若生產地區溫度不高,或賣出的電價過低,CEEG技術則可能入不敷出。

 
閉迴路系統透過油管外面的環孔把水注入井中,在往下輸送的過程,水溫會隨地溫梯度自然上升,形成一個不與地層物質接觸的封閉循環。(圖片來源:世新大學新媒體科普實作團隊)
▲閉迴路系統透過油管外面的環孔把水注入井中,在往下輸送的過程,水溫會隨地溫梯度自然上升,形成一個不與地層物質接觸的封閉循環。(圖片來源:世新大學新媒體科普實作團隊)

國際CEEG發展現況

 

CEEG技術主要應用場址多集中於中東,由IP Direct Group與發明者Bohdan Zakiewicz教授合作,在各國間簽訂生產契約,阿曼在國境內有三處CEEG場址,總裝置容量達1640 MWe,分別是Salalah場址300 MWe,Duqm場址340 MWe,和Sohar場址 1000 MWe。在斯里蘭卡已選定三處場址,個別計畫裝置容量上達300 MWe。與葉門政府也於2011年已簽訂合作協定,準備在Aden,Al Mukalla和Al Hudayda三處進行先導試驗,預計總裝置容量為300 MWe。蘇丹的生產場址目前選定於Khartum,預計在前其先進行300 MWe先導試驗,最終期望有1640 MWe。在卡達則與電力與水利署(Ministry of Electricity and Water)以及Lusail市政府一同計畫開發一800 MWe的地熱案,此場址主要生產目標為提供給海水淡化廠。另一與其他場址結合的案例在沙烏地阿拉伯,Mecca計畫為100 MWe並與太陽能結合。馬來西亞與加拿大也已分別簽訂100 MWe與300 MWe的試驗性計畫,中國也已趕上CEEG熱潮而承諾大筆投資,主要投資者為江蘇雙良節能股份有限公司。2016年10月,在日本京都大學 Takehiko Yokomine 教授與日本新能源公司 J-NEC合作之下,在九州大分縣也成功測試1450公尺的閉迴路熱量收集系統。

 

在亞美尼亞的KARKAR場址,由NOX holding所負責的CEEG開發案,當地曾為火山地區而有較高的低溫梯度,在深約一公里左右便有100C,鑽井深度約三公里,井底深度約在300~350C,每kWe的生產成本約10萬台幣。其他地區也有許多CEEG案正在推動中,族繁不足記載,詳見參考資料。

 

台灣CEEG技術的應用主要在利澤地區,目前由蘭陽地熱資源有限公司負責此案,共計畫11口井,以一口1 MWe的豎井做為起頭,並在其側邊鑽一口9 MWe的斜井,且在高溫區轉為水平井以達到更高的取熱效益,整個電廠區的配置預計將在豎井周圍鑽7口大口徑深層地熱井,以增加井內的水容量,提升取熱效益。

 

開發地熱需考量許多因素,綜合經濟條件、地質條件、與法規考量等,選定最適當的開發方法與電廠建置,並參考他國案例,能確保地熱電廠未來可長久安全無虞地使用。

 

(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

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)

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