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地質綠能與減碳(2):地質綠能-地熱工程之未來性

根據國際能源署(International Energy Agency,IEA),再生能源的定義為,由自然過程產生且具有源源不斷補給的能源,是來自太陽或者地球內部的熱源直接或者間接演變而來的,地熱能源便是其中之一。1990年代,坐落於宜蘭清水為全球第14座地熱發電廠,卻在短時間因管線結垢等技術性問題導致關廠,台灣的地熱能源發展就此停滯。台灣還能繼續發展地熱能源嗎?發展地熱能源是否有利於台灣脫離近期缺電的窘況?地熱能帶給台灣甚麼樣的衝擊與改變?
 
 
 

甚麼是地熱?

 

地熱係指累積在地球內部的熱能,試著想像地球就像一顆外表已經冷卻,內心卻累積著難以估計的熱能的岩漿球,這顆有著硬殼的岩漿球外表有一些裂縫跟洞口,熱能透過這些地方傳達到球面,便成了火山;又因為地表降水滲入裂縫,便形成了溫泉。水如果再往深處流動,因著溫度壓力的變化會成為一個水包安穩地在地底儲存著,這些水分便是我們可以利用的地熱;如果沒有水呢?我們也可以透過工程技術與生產工程的操作,將熱源取出來。

 

這顆岩漿球最特別的地方在於它的體積相對於人類的體積趨近於無窮大,內部所存在的熱能也是無窮大的,因此若我們插一根吸管想要吸取內部的熱液,被抽走的部分很快就會被補注。

 

根據地熱地層的不同特性可將之分為六種:蒸氣型地熱(Vapor-dominated)、含水型地熱(Water-dominated)、乾熱岩(Hot Dry Rock)、岩漿系統(Magma System)、高壓地層(Geopressured Reservoir)、鹽水層(Deep Saline Reservoir)。

 
運用地質工程技術改善地層條件,增加流體在地層內的可流動性,才能創造經濟效益 (由世新大學「二氧化碳與能源發展科普推廣計畫」製作)
▲運用地質工程技術改善地層條件,增加流體在地層內的可流動性,才能創造經濟效益 (由世新大學「二氧化碳與能源發展科普推廣計畫」製作)
 

蒸氣型與含水型地熱系統

 

蒸氣型與含水型地熱系統屬於火成岩性,通常伴隨著足夠的天然裂隙系統,更有水作為傳遞熱的媒介,此類型的地熱系統不僅取熱容易,不太需要多餘的流體幫助它進行熱交換,更因為其具有天然裂隙系統而有較良好的熱源補注。位於美國北加州的Geysers地熱區,為全球最大的地熱田,也是蒸氣型地熱的一種,在其全盛時期曾經為180萬戶供電過;含水型的熱系統的著名地層之一是位於北墨西哥的Cerro Prieto地熱區,此區域的地層平均溫度高達315°C,根據地熱能源組織(Geothermal Energy Association)估計,發電潛能達720MW。

 

乾熱岩層

 

乾熱岩層是目前已知的地熱地層形態中熱蘊藏量最豐富的一種,通常為孔隙率與滲透率極低的結晶岩,地層內幾乎不含水,在這種缺少熱液傳導媒介的情況下,通常需要靠著生產工程設計來取得地層內儲藏的熱。美國Los Alamos國家實驗室在1970年研發了如何從乾熱岩層中取熱的方法,透過液裂(Hydraulic Fracturing)為地層製造人工裂隙,結合注入與生產的雙井循環系統,將地層改造為現今所謂的增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System,EGS)。位於美國新墨西哥州的Fenton Hill地熱區為著名的乾熱岩層之一,也是全球EGS發展的起點。

 

岩漿系統所處的地層壓力通常偏高,其岩漿所處狀態通常是半熔岩至熔岩狀態。位於冰島北部的Krafla地熱電廠是全球第一個岩漿系統型的地熱地層,其裝置容量(Installed Capacity)為兩組30MW的渦流發電機組,目前已經商業運轉。

 

高壓地層與鹽水層

 

高壓地層與鹽水層皆發生在沉積岩帶,高壓地層為有一孔隙率與滲透率極低的蓋岩層在地熱地層上方,導致地熱地層是一個承受異常高壓的狀態,其所在深度超過兩公里深。鹽水層所受壓力通常來自靜水壓(Hydrostatic pressure),位於英國的柴郡盆地(Cheshire Basin)屬於此類型。

 

地熱開採方法

 

一個可以進行電力生產的地熱地層應該具備:豐厚的熱源、充沛的流體(通常是水)、與足夠進行熱交換的裂隙系統,在一個有充分熱源補助的地熱地層中,可以透過將其中的流體取出進行熱交換來產電,而裂隙便是流體進行熱交換,以及流體抽出至地表的通道,更是儲存流體的重要空間。

 

傳統的採熱工法是單純地將地層內的熱水抽出來,進入電廠後與低沸點的流體進行熱交換,使用其蒸氣推動渦輪,此熱交換方式被稱為朗肯循環(Rankine Cycle);然而,台灣的地熱地層岩性大多屬於變質岩地層,擁有豐厚熱源卻缺乏原生流體可以直接利用,或者缺乏良好的原生裂隙系統,此時便可以利用增強型地熱系統幫助取熱,將外部流體注入地層進行熱交換,或增強注入壓力迫使地層開裂而製造人工裂隙系統,透過此方式可以大幅增加地熱地層的取熱比例與效率。世界第一個商轉的增強型地熱系統電廠位在法國的Soultz,裝置容量為1.5MW,至今仍在運轉。

 

由於增強型地熱系統所使用的循環流體系統可能會造成流體汙染地下水的疑慮,另外液裂法可能會引發的微型地震(Micro-seismic)也是學者專家的擔憂之一,便產生了另一種取熱工法:迴路式地熱收集系統(Complex Energy Extraction from Geothermal resource,CEEG;or Geo Plutonic Energy)。利用單井同軸生產的方式,讓外部流體保持在井內循環,不接觸地層,並透過同一井位發展數個水平井,來增加流體與外界的熱交換,期待能解決增強型地熱系統的兩大疑慮。

 

目前全球地熱裝置容量前三名為美國、菲律賓、印尼,若能多研究其成功案例,加上學界研究已經累積到一個程度,此時若能善用台灣地質先天優勢,透過政府支持地熱能源發展,再加上若民眾能團結一心,相信地熱能源蓬勃發展的未來不在遠處。

 
 

(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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