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地質綠能與減碳(1):引言-地質工程應用於綠能及減碳
齊柏林的看見台灣系列中,導演用空拍的手法,將台灣大地之美呈現在觀眾眼前,高低縱谷、山擁俊河,許多人因這部紀錄片首次看見台灣之美,也開啟了環島潮流。台灣能擁有得天獨厚的美麗,是因為與眾不同的地質條件與環境。台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的交界面上,兩個板塊不斷地互相推擠之下,不只造成了中央山脈的形成,也因在斷層帶有巨大熱能的累積,使得台灣有豐富的地熱資源潛能。台灣地質環境的另一個優勢,是西部有大量沉積岩所帶來的碳地質封存可能性,主要分布在西部平原到台灣海峽底部,厚度可達8公里之多。
 
 
 

綠色能源與地質工程

 

「地熱能源」為地質工程應用於綠色能源上的實現,台灣目前的綠色能源有風力發電、火力發電與水力發電,地熱能源與其他再生能源最不同的地方在於它的穩定性,由於地熱工程是在地底下施作,不受天候與時間影響,可以穩定地24小時持續生產,必要時候也可以暫停,是當今最適合做為基載電力的再生能源。

 
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)
 

依照地熱地層的生成背景,可將台灣的地熱能源分成火山性地熱系統與非火山性地熱系統。火山性地熱系統的主要熱源為岩漿,過去岩漿噴發或在地層內流竄,為火山性地熱帶來豐富的天然裂隙,這時若有地表水或地層水滲入其中,便被加溫形成溫泉或甚至蒸氣,熱源、裂隙、與水的組合,變成為一個具有經濟價值的地熱系統,台灣的火山性地熱系統主要分布在大屯火山群與宜蘭外海的龜山島。非火山性地熱系統又可根據地層岩性分為變質岩型與沉積岩型,變質岩型地熱熱源通常來自異常高的地熱梯度,而沉積岩型地熱系統因其生成條件與環境的關係,通常裂隙系統相較其他兩者較不發達,台灣的非火山性沉積岩系統集中在宜蘭礁溪與台南關子嶺一帶。

台灣地熱發展潛能保守估計有15座核四廠的量,並集中於大屯山、宜蘭、花蓮、台東、廬山地區 (由世新大學「二氧化碳與能源發展科普推廣計畫」製作)
▲台灣地熱發展潛能保守估計有15座核四廠的量,並集中於大屯山、宜蘭、花蓮、台東、廬山地區 (由世新大學「二氧化碳與能源發展科普推廣計畫」製作)

 

目前台灣地熱重點開發項目大多著重在宜蘭一帶的變質岩型非火山性地熱系統,變質岩的孔隙率(Porosity)與裂隙系統(Fracture System)較不發達,換句話說,其傳導流體的能力相較於沉積岩是差的,在開發地熱能源時,需要透過地質工程技術先改善其地層條件,增加流體在地層內的可流動性,才能創造經濟效益,使生產能順利進行。

 

透過地質工程改善地層條件,目前世界上最常見的方法是創造人工裂隙,搭配循環系統,便能形成增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System, EGS)。增強型地熱系統除了可以透過人工裂隙的方式增加流動性,其循環系統更可以省去透過朗肯循環(Rankine Cycle)生產完的廢水處理,直接將之注入地底下再次吸取地層的熱,再次進行生產。然而,此方法並非全無缺點,在製造人工裂隙的同時可能引發微型地震(Micro-seismic),另外將廢水回注至地層時需進行縝密的監控,避免溢散或汙染地下水,也必須隨著地層壓力調整其注入率,以維持良好的地層完整性。

 
適合碳地質封存的構造有:煤層,枯竭油氣層,油氣增產,鹽水層(圖片來源:碳捕獲及封存知識網)
▲適合碳地質封存的構造有:煤層,枯竭油氣層,油氣增產,鹽水層(圖片來源:碳捕獲及封存知識網)
 

碳封存與地質工程

 

地質工程之於節能減碳的另一個重要應用便是「碳地質封存」,想要減少碳排放量,除了透過上游端節制製造二氧化碳與收取碳稅等手段以外,最快速有效的方法便是將工業製程中排放的二氧化碳進行捕獲與壓縮後,送到封存現場,注入地下儲氣窖。

 

因應全球減碳潮流,政府於能源國家型計劃中進行相關研究,碳地質封存於近年廣泛被討論與研究。目前研究發現適合碳封存的地質構造主要有煤層、枯竭油氣層、地下鹽水層等。目前台灣現有的碳地質封存候選場址包含苗栗永和山、彰濱工業園區、以及桃園觀音等處。其中苗栗永和山的有效封存量約有986百萬噸,將近台灣2013年碳排放量的四倍,若能實際執行封存,其效果可見一斑。

 

當地熱遇上碳封存

 

在進行地熱能源的開發時,需要流體做為取熱的媒介,在傳統地熱生產中所使用的流體通常為水,但以二氧化碳當作取熱流體的想法在近幾年來被盛大地推行,因為這麼做不僅可以將空氣中的二氧化碳再利用,更可以在將二氧化碳注入地層取熱時順便一起封存,可說是一兼二顧的好方法。目前各國學者專家已經著手開始研究其可行性,兩個較著名的示範場位於亞利桑那州與新墨西哥州的邊界與澳洲,另外中國也有幾處正在進行研究的場址(青海、雲南、華北等)。

 

既然台灣有豐富的地熱蘊藏量與碳封存潛能,那麼為何還裹足不前?地熱能源是現今台灣擁有的再生資源之中少數可以當作基載電力使用的能源,而二氧化碳地質封存已經是世界潮流,因應台灣地質條件的先天優勢,我們應該好好利用。除此之外,由於開採地熱的技術可以透過現有的油層工程技術做改良與精進,台灣在學術界已有台灣大學與成功大學進行相關研究,趁著這股研究潮流,政府應多加鼓勵發展地熱,以達到真正的節能減碳目標,也為台灣的綠色能源開啟新的篇章。

 

名詞解釋

地溫梯度:由地表往地球內部延伸,地底溫度會呈現越來越高溫的分佈,通常以每公里增加多少℃為計算單位。

有效封存量:為確切可以注入地層的封存量。
 
 

(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

 
延伸閱讀:
地熱發電
郭明錦,"地熱資源",科學發展, 2004年11月
Shui-Beih Yu, Horng-Yue Chen, Long-Chen Kuo, "Velocity field of GPS stations in the Taiwan area", Tectonophysics, 15 June 1997
碳捕獲及封存知識網
宋聖榮、俞旗文,「熱虹吸效應:深層地熱結合碳封存之井間取熱技術」
Liang Zhang et al., “Potential assessment of CO2 injection for heat mining and geological storage in geothermal reservoirs of China”, Applied Energy, March 2014
劉政典,「鹽水地層二氧化碳封存量分類系統及計算法之研究」
行政院環保署,「溫室氣體排放統計」
Global CCS Issues, “Appendix C: CO2 as a working fluid for enhanced geothermal systems (EGS)”
第二期能源國家型計劃,減碳淨煤主軸中心,「台灣中北部沿海地區CO2封存技術及注儲先導試驗」
標籤 標籤:
增強型地熱系統(5)迴路式地熱收集系統(3)地熱地層分類(2)
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