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地熱發電:地熱發電的原理
台灣位處歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處,板塊推擠之下形成台灣美麗的地貌,同時也在地底累積巨大的熱能,等待著人們開發利用。地熱能發電方式是將含熱的地層流體抽出後,透過蒸氣壓力推動渦輪產生熱,因此地熱地層的溫度、壓力、流體相態與含量等參數為影響地熱場址經濟價值的關鍵。
 
 
 

地球內部蘊藏巨大的熱能,地核溫度超過4000℃,如此巨大的熱能從地球核心慢慢傳遞到地殼,冷卻之後成為現在的地殼。這股熱能,不僅能冬天送暖,更可以加以利用成為重要的電能來源。然而,想要使用地熱發電,有些特定條件。首先,地熱能源最重要的就是熱能,其實任何一個地方只要鑽井深度夠深,溫度會隨著距離越來越靠近地核而溫度也越來越高,這種溫度隨深度變化我們稱之為「地溫梯度」,隨著地點不同,地溫梯度也會有高低,依照現階段地熱產業的經濟條件,尋找地溫梯度高的地點可以帶來可觀經濟效益。有了熱源,還需要把熱取出地層的介質,每個地熱水地層的流體相態與成分皆不同,例如清水地熱熱液產出的相態為蒸氣與水的混和態,而大屯火山系統出產的熱液則為蒸氣型態為主,根據出產熱液不同,也需配合不同的發電機組,因此事前調查是地熱發電成本中佔比最重的項目。

 

傳統的地熱發電機組,稱為「乾蒸氣式發電」,顧名思義其適用的地熱儲集層為以乾蒸氣出產為主的高溫地層,由於乾蒸氣式發電是直接利用地熱地層出產的蒸氣推動渦輪發電,對於非以蒸汽出產為主的中低溫地熱地層來說,取熱效益不高。

 

當鑽井到目標水層時,壓力降低使部分水汽化,提供水體動力可以自動上升至發電機組內,先經過分離器將水與蒸氣分離,再透過蒸氣壓力推動渦輪發電。發電利用完的蒸汽進入冷卻塔之後,再注回地層中以減少水資源浪費,同時維持地層壓力,並可再次取熱,此種發電方式稱為「閃發式發電機」。

 

若目標地層的出產溫度較低,則需透過有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle,簡稱ORC)的發電機組以達到更好地取熱效益,由於中低溫的地熱地層(溫度小於180℃)出產流體的蒸氣比可能不足以推動渦輪創造經濟價值,因此透過低沸點的有機介質,利用相對高溫的出產流體加熱使之汽化再推動渦輪,有機介質再進入冷卻塔液化,並再次循環利用。目前也有將閃發式發電機與ORC兩者作結合地機組,可使地熱流體使用效率提高。

 

地熱發電是近10年來發展蓬勃的再生能源之一,各國間都在比拚地熱發電裝置容量,由於其穩定且低碳排放量的特性,對環境污染可降至最小,台灣位於環太平洋火山帶上,若將此先天優勢加以利用,開發地熱資源,不僅能解決能源危機,更能將台灣減少空氣汙染。

 

(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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