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淺層地熱與深層地熱發電技術(一)引言:地熱發展之優勢與限制
地熱能是一種乾淨的再生能源,源自於地心源源不絕的熱能。台灣位處環太平洋火山地震帶,相對較高的地溫梯度提供了良好的地熱資源,十分有利於發展地熱發電。地熱發電具有乾淨、穩定及運轉成本低廉等優勢,更可以解決台灣長期依賴進口化燃料,能源自給率不足的問題。過去由於開發技術、成本及環保考量的因素,限制了地熱發電的發展。如今國外已經有許多成功發展案例,且開發技術也不斷革新,若借鏡於此,必能成功利用如此豐富的地熱資源。
 
 
 

地熱發電是將地下高溫泉水抽至地表,產生高壓蒸氣推動渦輪發電。而地熱的能量源自於地球內部放射性元素衰變所放出的熱能,自地球形成至今持續不斷發熱,這股源自於地心龐大的能量對生活在地表的人類可說是取之不盡用之不竭的綠能,因此地熱能被歸類為再生能源。近年來人類面對氣候變遷、溫室效應等氣候問題,世界各國開始對舊有過度依賴化石燃料的能源結構產生質疑,並積極的尋找替代能源。311日本大地震所引發的福島核災更是喚起了民眾對於核安的重視,尋求可以與環境永續發展的再生能源便是現階段世界各國應當重視的目標。台灣為海島型國家,能源礦產十分稀少,能源自給力低下,長期仰賴進口大量的化石燃料以維繫民生、工業、商業等運轉,況且核能電廠除役在即,快速發展環保且可靠的再生能源迫在眉睫。而對於位處環太平洋火山地震帶上的台灣,地熱能便是首選之一。

 

地熱發電之優勢及展望

 

首先,地熱發電不同於其他埋藏在地底深處的能源,地熱能的資源分佈十分廣泛,在一般的地層中,每往下一公里溫度可以上升約攝氏25度,可以說是只要深度夠深,就能得到足夠的高溫以用於地熱發電。尤其台灣位於環太平洋火山地震帶,地質活動旺盛。經調查,在某些特定區域甚至能達到攝氏50度每公里以上的地熱梯度,十分有利於地熱發電發展。再者,地熱發電具有相當穩定的特性,不同於太陽能、風力等再生能源,地熱發電幾乎不受任何氣候因素影響,且發電過程安全。相較於同樣都是以熱蒸氣推動渦輪的火力發電,地熱發電省下燃料成本且免除燃料運送、貯藏的問題,且不會排放大量二氧化碳等溫室氣體到大氣層中。對台灣當前的能源結構來說,化石燃料運送與貯存的方法相對重要。在火力發電的燃料中,又以天然氣的運送與貯存最為困難,除了必須透過液化天然氣船以低溫高壓的狀態海運至台灣,容易受到天候及海相限制,也必須設置專門的天然氣接收碼頭及儲氣設施。

 

2017年的815全台大停電便是因天然氣輸送管線人為操作失誤所致(詳情請見行政院1060907-815停電事故行政調查專案報告https://www.ey.gov.tw/news_Content2.aspx?n=F8BAEBE9491FC830&s=A9A6F77E3E777910)。相較之下,地熱發電便顯得十分可靠,且具有成為基載電力的潛力。最後,根據冰島地熱能發展的案例,地熱電廠除供應穩定的電能外,更有其他附加價值,冰島的Svartsengi地熱電廠便成功結合人造露天溫泉設施,帶來不菲的觀光產能。除此之外,冰島更成功將地熱發電後的溫水再利用,將之輸至民眾家中,取代煤氣提供熱源,滿足民生需求,同時發展溫室農業技術等。

 

地熱發電之限制及對應方案

 

關於地熱電廠的發展限制問題,便要提到關於地熱資源衰竭的問題,台灣中油及台電公司曾在1980年合作於宜蘭清水開發地熱發電試驗電廠,於地下1,500公尺深度抽取地熱溫泉水發電,營運初期每小時發電量超過2 MWe,但在長期運轉後,由於地熱井結垢阻塞、管線鏽蝕,地熱溫泉水產量銳減,導致發電量也逐漸衰退,時至1993年,發電量僅剩每小時0.18 MWe,被迫停運。由此可知,若無相應的技術及管理辦法,地熱電廠很可能會因為逐漸衰竭而無法長期運轉。由美國、日本的地熱電廠發展經驗中,可以發現若過度開採地下流體則會造成地下流體資源衰竭,而導致地熱能減少,即使地層溫度並無明顯下降,地下流體的開採量仍會影響地熱發電量。因此,地下流體的補注或回注是十分必要的,不僅可以藉此延長地熱電廠的壽命,也可以透過流體注入來清除管線結垢,以達管線維護的效果。其次,地熱資源的探勘也如同石油、天然氣一般,須要投入十分高的成本。而地層溫度與鑽井深度成正比關係,鑽井的費用又十分高昂,鑽井失敗無法成功生產的風險不是一般民間集團可以負擔的,因此探勘及鑽井開發的技術及成本成為地熱發電發展的一大限制。

 

對此我們可以仿效日本及菲律賓的地熱資源發展策略,由政府負責資助相關技術發展,且提供前期探勘發展費用補助,而後以BOT(民間興建營運後轉移模式)架構合作建立地熱電廠,以此達到增進地熱產業發展的效果。除了前期發展的成本限制,地熱資源的開發也會產生不少環境保護上的疑慮。適合鑽地熱井的地溫梯度高區常會出現在林地、坡地、國家公園等不適合開發之地區,若在此種區域內興建電廠不免會有破壞生態的疑慮,因此地熱電廠的選址也必須格外慎重。此外,將流體從地下產出時,不免會排放一些溶解於地層流體中的火山氣體(硫化物、二氧化碳等),進而造成環境汙染。關於這點則可以透過封閉式生產技術來避免地熱井中的流體與地層接觸,僅利用地層的熱度為井內流體加溫,藉此生產地熱能。

 

綜合以上,台灣的確是一個適合發展地熱發電的國家,但相應的技術發展也是不可或缺的一環,可借鑑國外已有許多成功開發的案例,便能成功利用如此豐富的地熱資源,同時改善台灣能源自己的問題。

 

備註:

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)。

 

(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

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