技術介紹
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地熱能技術

一 國外技術發展與應用現況

地熱能源有別於其他再生能源,它具有地球內部自產能源的特色,而且在既定開發時間內其能源產出量是固定,不像太陽能或風力能有著供應不穩定的情形。地熱應用的領域可分為熱能及電能兩項,其中在熱能方面應用頗早,有工業應用、農業應用及觀光休憩的多目標功能,自古溫泉就用於沐浴、理療、烹調以及有用礦物成分的收集;而地熱若從能源利用的觀點而言,以利用於發電最有效率,因為發電後電力輸送比直接熱能利用時必須輸送大量熱水容易,而且電廠可以就近建造於地熱區內,比較不受地理環境的限制,因此在擁有高溫地熱資源的國家,皆以發電為地熱優先利用的項目,同時發電後的餘熱(蒸汽或熱水)可以繼續發展各種熱能的利用,據資料顯示預估全球地熱資源可供應 8.65 億人口在電力上的使用(約為 15% 全球人口比例) [1] 。
全世界第一個地熱發電例始於 1904 年在義大利應用 10 kW 的發電,美國在 1922 年建立了世界第二座的地熱發電廠,而全球開發應用的風潮則在二次世界大戰之後正式展開。如今全球前幾名地熱發電應用國家是:美國、菲律賓、墨西哥、印尼、義大利、日本及紐西蘭等國,截至 2003 年止世界各國地熱發電設置量( 8,402 MW )如 表 3-1-5-1 所示:

3-1-5 - 1 全球地熱發電裝置容量(至 2003 年底)

國家
容量( MW

美國

2,020

菲律賓

1,931

墨西哥

953

印尼

807

義大利

790

日本

561

紐西蘭

421

冰島

200

哥斯大黎加

162

薩爾瓦多

161

國家
容量( MW
肯亞
121

尼加拉瓜

77

俄羅斯

73

瓜地馬拉

29

中國

28

土耳其

20

葡萄牙

16

法國

15

衣索比亞

7

巴布新幾內亞

6

截至 2004 年為止,全世界有 25 個國家設有地熱發電廠,總設置發電量計有 8,735 MW ,每年總發電量累計有 54,613 GW 。 2003-2005 年規劃的地熱發電開發計畫計有:墨西哥( 100 MW )、瓜地馬拉( 20 MW )、法國( 15 MW )、肯亞( 64 MW )、俄羅斯( 25 MW )、菲律賓( 56 MW )、英屬哥倫比亞( 100 MW )、冰島規劃兩處( 180 MW )、紐西蘭( 60 MW )等 [2][3] ,在全球對京都議定書制約生效後,再生能源的開發應用必然有可期的成長趨勢,而地熱發電亦將是有此資源的國家未來高度重視的領域。
考量到地熱資源開發上的經濟效益,以往地熱源泉的開發佈點大都在地表以下 3,000 公尺 的深度為主,更深部更高溫的地熱則需要研究深層地熱資源之調查探勘技術,近來有新興加入國家如德國或其餘歐盟國家,不惜投入比目前平均開發成本更高的經費發展地熱發電,除了較新型的發電設備外,地熱源泉的深度已經逐漸增加到 4,000 -5,000 米 ,先進的鑽探工程技術應用往往造成開發成本上的增加。
地熱發電廠開發設置的流程可分為四個階段,分別是: 1 )根據以往資訊判讀並瞭解地質狀況; 2 )地球物理探測及測試井鑽探; 3 )地熱井建置及輸送系統; 4 )地熱發電廠建置工程及運轉維護管理等。這其中關鍵的發電機由於牽涉到不同的發電方式而有不同技術產品的供應,例如一般地熱源泉在蒸汽含量較多的區域,是用閃發式發電系統十分普遍,而近年由於出井的地熱流體溫度不高或液 - 汽比例過高,已改採間接熱交換式或稱雙循環( Binary )的系統。
綜合世界各國地熱開發趨勢及研究內容可以歸納為下列數項:
1 、熱水型地熱資源之開發利用加速推廣。
2 、深層地熱資源之調查探勘
3 、先進地熱資源偵測應用技術開發
4 、先進地熱鑽井及生產技術研究
5 、熱乾岩地熱開發技術研究
6 、地熱發展應用的環境衝擊分析

二 國內應用經驗與未來推動目標

台灣全島共有百餘處溫泉地熱徵兆,地熱活動廣泛,顯示熱源條件存在具地熱熱潛能。台灣地區可區分為火山性及非火山性兩種地熱資源,其中火山性地熱區僅有北部大屯地熱區及宜蘭外海之龜山島兩處;其他則皆屬非火山性熱水型地熱區,例如宜蘭清水及土場地區、台東金崙及知本地區等。大屯地熱區由於交通方便,因此於民國 55 至 61 年間優先進行調查探勘開發研究,經過六年的探勘工作發現該地區地熱潛能相當豐富,初步評估其發電潛能可達 500 MW ,但因為當時針對酸性地熱流體問題在技術上尚未臻於成熟,且耐酸抗蝕的生產設備成本高而降低其經濟效益,最後未予以進一步開發,而龜山島位處離島,在電力應用上不具經濟效益亦未進行開發。
民國 61 年大屯火山群地熱區探勘工作結束後轉往宜蘭清水地熱區探勘,初步評估具開發潛能,民國 65 年起中國石油公司參與探勘獲得地熱流體之品質產量皆佳,行政院國家科學委員會乃邀集學者專家共同投入研究開發清水地熱發電。當時的研究於民國 70 年 4 月構建一座 3 M W 先驅試驗發電廠,同年 9 月交由台電公司運轉試驗。清水地熱區因地熱產量衰竭以致發電效率過低而於民國 82 年 11 月停止發電試驗。評估當時出汽產量越來越低可能有幾項因素: 1 )未充分瞭解清水地區地熱特質; 2 )當時選用之發電機組不適用於清水地熱系統; 3 )管線結垢; 4 )電廠位置選址不當等。民國 88 年宜蘭縣政府主導重新開發此區域,採委託民間興建營運( BOT )型態進行,初步更名為「清水地區溫泉水發電利用計畫」,進而結合多目標利用(如遊憩觀光)的特色加以規劃,並於 91 年 1 月上網公告,在一家業者投標情形下,經過甄審委員會審查後由於資格要件不符而未能有進一步開發。為提高民間廠商參與地熱發電意願,經濟部能源委員會(能源局前身)訂定之「地熱資源探勘補助要點草案」報部核備通過,於 92 年 9 月公告實施, 93 年確定公告補助地熱區域及金額,同年 11 月宜蘭縣政府取的補助資格後,已於 94 年 5 月委外執行探勘工作做為未來推動多目標利用開發計畫( BOT 型態)之先期準備。
民國 62-64 年間進行全島百餘處溫泉區之普查,調查項目包括溫度、流量、溫泉活動範圍、 PH 值、徵兆特性等。 69-73 年間根據普查結果選擇廬山、金崙、知本、瑞穗、霧鹿及寶來等地區進行探勘評估。
民國 74 年起能源委員會委託工業技術研究院礦業研究所(現工研院能源與環境研究所)在宜蘭縣土場地熱區進行地熱多目標利用示範計畫,為有效利用地熱水所含熱能,購置 300 kW 雙循環( Binary 地熱)發電機組進行地熱發電試驗,經過數年研究測試證實發電效率頗佳,產能在適當調節控制下並無衰退減產的現象,結垢問題也獲得適當的控制,當時評估發電成本約為 2.0-2.5 元 /kWh 。民國 83 年由於該計畫已經完成階段性任務而停止 [4] 。
為加速新及潔淨能源的開發推廣利用,經濟部能源委員會在全國能源會議之後,成立『新能源及潔淨能源研究開發推動小組』,其中於再生能源技術分組中有關地熱利用推廣之短、中、長程目標規劃的初步建議如下:
1 、短程( 2000-2008 年)目標:推廣地熱發電裝置容量 5 MW
2 、中程( 2008-2010 年)目標:推廣地熱發電裝置容量 50 MW
3 、長程( 2010-2020 年)目標:推廣地熱發電裝置容量 150 MW
2010 年再生能源發電裝置容量目標為 5,139 MW ,佔總裝置容量 10% ,地熱發電為 50 MW ,佔 0.1% 配比。

三 國內推動限制分析

國內溫泉區域雖然不少,但是在過去的研究成果發現源泉的熱量不高,而除了大屯山區以外的非火山地熱區域,地熱流體的液體成分比例過高也降低了整體開發的經濟效益,所以原則上我國欲進行地熱發電系統建置將有賴蘊藏量較豐富的潛力區域從事生產開發,例如宜蘭清水或土場、南投廬山及台東知本或金崙等地,但是在整體推動上仍存在以下的限制:
1 、可供開發利用之地熱資源多位於森林地(農委會林務局管理)、原住民保留區或國家風景管理區等特定國有土地上,土地使用許可取得不易,抑或是鄰近以開發風景區,恐有環境生態維護之顧慮。
2 、缺乏完整之申請、評估、審查、開發及督導等作業流程。
3 、由於幾處目前顯示蘊藏潛能較大的區域與台電公司變電所距離長,地熱發電電網併聯的成本高。
4 、地熱潛能及可開採熱源量資訊不詳,對於投資開發商而言所承擔風險較高。非火山性地熱區多分佈於偏遠山區,地形陡峻增加探勘及鑽井工作之困難,影響地球物理探測結果之判釋並限制了鑽井位置的選定。
5 、火山性大屯地熱區潛能大而且交通方便,惟因酸性腐蝕問題尚未能開發,有待國外業者技術的合作與支援。
6 、攸關我國再生能源推動成效利器 - 『再生能源發展條例』尚未通過立法,在未有足夠經濟誘因的情形下,不易吸引民間投資。

四 國內推廣應用效益評估

地熱發電投資成本各國不盡相同,而且依各地熱區之地理特性及地質條件差異甚大。許多地熱應用先進的國家,對於成本的資料亦著墨甚少,雖然一般認為地熱發電成本不會高於傳統火力發電成本,但是有太多的影響因素,如:鑽井的深度、數量、總體蒸汽量、壓力、併聯費用及枯竭衰減等,因此不易精準地評估地熱發電經濟效益。例如宜蘭清水地熱先驅試驗電廠歷年來的發電量及成本統計顯示: 71 年度地熱井狀況最佳時,年發電量有 8,977,790kWh ,發電成本每度電約 2.651 元:在 81 年度年發電量已經降為 1,902,990kWh ,每度發電成本攀升至 7.77 元。
宜蘭清水,及土場地熱發電開發運轉計畫在 83 年相繼結束後,國內地熱發電研發動作暫告一段落。因此,除了經濟部在鑽地熱井的大屯山及土場地區曾研究開發多目標地熱應用的用途外,目前台灣的地熱區幾乎都屬於「熱能直接利用型態」,直接引地熱「露頭區」(溫泉、噴氣孔、沸泉等)的熱水或蒸汽做為溫泉沐浴使用,輔以相關餐飲或住宿等設施為主要利用型態,形成多處著名的溫泉休閒觀光專區,如:北投陽明山大屯山溫泉區、南投盧山東埔溫泉區、台東知本金崙溫泉區、台中谷關溫泉區、太平山區仁澤溫泉區或宜蘭礁溪溫泉區等。而大屯山溫泉除了造就出北投溫泉鄉之外,地熱谷滾燙的青磺水常吸引滿山谷煮蛋的遊客前來,另一方面小油坑或大磺嘴等地熱區噴氣孔煙霧迷濛,噴孔旁硫磺結晶及安山岩受熱液產生換質作用而形成的特殊景觀,對一般遊客而言便成為最佳的戶外自然教育學習環境。
我國雖然規劃了 2010 年再生能源項下地熱發電的裝置目標量,但是前述提及若單純以發電用途進行開發,在投資風險及經濟效益的雙重評估下恐不易吸引投資開發商之青睞。因此在推動上若以「地熱發電及多目標利用」計畫方向來規劃,在執行上將比較容易吸引開發商前來投資,而且國內實施週休二日及泡湯風潮已起,對於休閒生活品質的要求也日益升高,地熱發電的應用系統搭配地熱博物館(或展示館),若再結合自然生態環境景觀的溫泉休閒專區,必然可吸引國內外遊客前來。如此一個既滿足遊客完整遊憩需求、又兼顧個別基地的發展特性,也能結合環境與永續發展,是我國推廣地熱發電應用一種獨特的方式,因為環顧全世界,幾乎均是以單純的地熱發電為開發訴求,而鮮少結合遊憩知性的多目標開發。  

五 國內未來推動策略與發展時程

我國在 2010 年達成設置地熱發電容量為 50 M W 的目標,初步規劃以重點發展清水地熱為主,輔以金崙或土場擇一配合開發,將資源集中於一二處已經具有初步探勘資訊的地熱區域較有成功之機會。清水地熱資源的地質與探測生產井的資料遠較其他地熱區齊全,當我國要重新啟動地熱發電及應用工作,國內專家學者均建議選擇開發清水地熱資源為優先考量。由於清水地熱區域中比較平坦且為當時中油台電開發設置 3 M W 發電廠及地熱井計 13 公頃 面積土地,在 94 年 8 月宜蘭縣政府以 800 多萬元向林務局申請撥用而擁有土地所有權,未來配合縣政府以地熱多目標開發利用進行促參 BOT 型態的計畫公告,以「地熱發電及多目標利用」計畫初期電廠開發可以先考量供應飯店及專區內相關用電,日後再進行第二階段的大規模地熱發電開發應是風險較低的投資策略。初期投資開發商考量經濟效益以自用發電方式在 2007 年底前完成一座 300 kW -1 M W 的 Binary 地熱電廠的成果將是可能的。在熱能利用(溫泉水利用)的數量不列入發電數量的計算時,應與宜蘭縣政府溝通清水地熱區擴大規模開發發電系統的可行性,同時要考量到發電設備的投資補助方有經濟誘因,如此在 2010 年完成第二階段大規模的地熱發電目標( 20-25 MW )的推動才有機會達成。
在其他地熱資源區域的鑽探資訊不足的情形下,考量達成 2010 年設置地熱發電容量 50 M W 的目標前提下,除了清水地熱外必然需要再對另一個地熱資源區進行規劃開發,但是環顧國外成功的地熱發電開發經驗從規劃到鑽探到發電,整個流程的完成至少超過五年,不管未來選擇土場或金崙地熱加以開發,從土地取得到真正的發電,時間上的壓力自然不小。在中央編列鑽探開發經費先儘速予以評估整體開發減少未來投資商的風險是必須的,同時也應以小型開發自用發電為前提,未來才有可能如清水地熱的規劃般進行第二階段較大規模的發展。國外許多案例是由電力公司投資開發,而我國電力併聯系統必須要併入台電公司變電所,若台電公司評估願意開發地熱發電,則我國要達成 2010 年的 50 M W 發電目標將較有可為。

參考文獻

Marnell Dickson ,”The earth's own powerhouse-power and heat from geothermal energy”, Renewable Energy World, p216-221, July-Aug,2002

Newsletter of the International Geothermal Association, Jan-Mar., 2005

John Lund, ”Ground heat – Worldwide Utilization of Geothermal Energy”, Renewable Energy World, p254-260, July-Aug, 2005

經濟部能源委員會,新能源及淨潔能源研究開發規劃總報告,經濟部能源委員會,台北(民國 88 年 5 月