台灣地熱發展現況(二):介紹大屯山地熱能

 
2018/03/02 張貽斐 | 國立成功大學資源工程學系     217

位於台灣北端之大屯山火山群內,大屯火山型地熱區地表覆蓋層岩性多屬於火山噴出之安山岩,少部份屬於中新世五指山層之沉積岩區。從新北投到金山區間,總長約 18 公里的地熱區域內,分布著四個主要的地熱徵兆區:大磺嘴、馬槽、四磺子坪及金山,有20多處具有高溫溫泉露頭及火山噴汽孔(Fumarole),根據工研院1995年的調查,此區的淺層地熱潛能是85 MWe,若將深層地熱納入計算,發電潛能超過500 MWe。

 

根據地質調查推估,大約於280萬年前發生第一階段噴發,大量的岩漿與火山碎屑鋪在大屯火山群東半邊底部,形成了火山的基礎。第二階段的噴發活動自80萬年前延續到30萬年前,在這個階段形成大屯火山群的各個亞火山群,現今總面積約達250平方公里,目前的地熱地質調查主要著重在磺嘴山一帶。在人類有限的歷史之內,大屯火山沒有噴發記錄,然而有研究指出最後一次噴發可能在五六千年前。根據大屯火山觀測站針對地表活動與火山氣體的監測,大屯火山群不僅有強烈的噴氣孔,其氣體成分顯示,這些氣體可能來自地下潛在的岩漿庫,近日更有學者研究證實岩漿庫的存在,不過由於岩漿庫仍在地底深處,目前沒有噴發的危險。

 

地熱地質潛能開發分類中,火山型地熱無疑是擁有最佳潛能的,因其所含之高溫地層條件,使得火山型地熱區的地下流體以蒸氣為主要成分。大屯火山區的地熱資源勘查始於約50年前,由工研院綠能所的前身礦業研究服務組在此區域從事地質探勘,因此處地下流體屬於酸性泉,富含對於金屬具腐蝕性之氯離子、硫酸根與銨根,管線酸蝕成為此區地熱開發最大的挑戰。

 

以材料對抗管線酸蝕

 

火山型地熱之泉水大多為酸性泉,非火山型地熱之泉水則多屬於鹼性泉;在地熱或溫泉開發時,酸性泉較常有管線酸蝕問題,鹼性泉較易產生管線結垢問題。普通地下流體開發利用所使用之管線材質大多為鋼,而美國等先進國家在酸性泉之地熱場開發有豐富經驗,為對抗嚴重酸蝕問題,井壁材質多以含鉻量高的合金為主,在重要管線結構具有關鍵影響之組件部分會使用耐酸蝕程度更好的鈦金屬或含鎳合金做為材料(如發電機或具有酸性流體之地層深度區間的井管與閥門)。

 

以美國加州著名地熱電廠The Geysers為例,此地區的地熱井有許多口遭受氯化氫(HCL)的酸蝕,科學家們提出三種解決之道:(1)當井壁被侵蝕到強度不夠或不能再繼續使用時,進行修理或更換井材,但此方法會大幅增加地熱開發的成本,另外,在更換井材時的安全性也是一大問題;(2)在管線內塗防酸蝕塗層,以The Geysers所遇到的氯化氫問題來說,最適合的塗料是高鎳含量塗層,但同樣地,防酸蝕塗層非常昂貴;(3)控制管線環境,管線的酸蝕不只會發生在井中,由於地下流體生產至地表時溫壓環境一下子改變很大,若能在管線內保持流體跟在地下差不多的狀態,或注入酸鹼中和的蒸氣體消除酸蝕性,此法是相較於前兩者成本較低的做法。

 

以發電方式的改變減少管線酸蝕之損失

 

根據台灣過去的經驗,酸蝕情況除了造成井壁腐蝕以外,透過渦輪機發電的時候,需要蒸氣推動渦輪,傳統常利用單閃發式發電(Single flash),將流體降壓氣化,在透過分離氣將蒸氣送進渦輪機裡發電,此時的蒸氣就像無數顆具有腐蝕性的小子彈一樣打在渦輪機的葉片上,時間一久,再堅固的葉片也無法承受。然而,另一種發電方式雙循環發電(Binary circle),是將地下流體生產出來之後,透過管線設計加熱低沸點工作流體,使之氣化為蒸氣去推動渦輪發電。單閃發式發電較適合使用於沒有酸蝕情況且流體成分以蒸氣為主的地熱區域,而雙循環發電較適合低熱焓量的地熱區,同時這種生產電的方式若被應用在酸蝕情況嚴重的地區也可以保護渦輪不受侵蝕。若是較高溫的地熱區,也有使用單閃發式與雙循環是發電的複合式發電機,在蒸氣渦輪機內,將動能轉化為熱能之後,經過冷凝作用再以雙循環式發電將其剩餘熱能也進行利用,可以提升產電利用比例,減少熱能的浪費。

 

除了鑽井與發電技術方面的挑戰,由於大屯火山地熱區位於陽明山國家公園的範圍內,根據國家公園法將具有永續保育國家特殊景觀之區域定為國家公園,並依照各區域特性劃分為一般管制區、遊憩區、史蹟保存區、特別景觀區、生態保護區等五種。若想在國家公園所屬境內從事地熱開發,必須經國家公園管理處之許可,若開發行為規模過大,則國家公園管理處需報請內政部核准,開發範圍僅限於一般管制區及遊憩區。依照我國現況,目前尚未讓開發地熱發電設施給予特殊的規範。

 

根據第二期能源國家型科技計畫(National Energy Program II,NEPII)所評估之地熱發電潛能,大屯火山群的地熱潛能約有2,886 MWe,相當於兩座核四廠的裝置容量,若將如此可觀的火山地熱資源作為發電用途,將為台灣再生能源開創新的紀元,並大幅改善現今的發電網結構。

 

(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