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利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

圖為冰島的地熱發電廠,未來地熱發電將能擺脫地質條件的限制,各地均可藉由深層地熱發電,獲得來自地底深處源源不絕的能源。(圖片來源:wikimedia commons作者Gretar Ívarsson)

圖為冰島的地熱發電廠,未來地熱發電將能擺脫地質條件的限制,各地均可藉由深層地熱發電,獲得來自地底深處源源不絕的能源。(圖片來源:wikimedia commons作者Gretar Ívarsson)

2013年11月初,日本福島核電廠發生核洩漏事件,汙染周遭海域,讓東亞相關各國再度感到憂心忡忡,加上石油與天然氣可觀的碳排放對全球環境造成的衝擊,發展更有效率的再生能源成為各國努力的目標。現在各國將目光投向到闃黑熾熱的地底,最近幾年技術的突破讓地熱開採更具效率,尤其是深層地熱發電的技術發展,讓地熱發電的穩定程度不亞於現今的傳統發電方式,在可見的未來地熱更有機會擊敗核電,成為「能源一哥」。

地底為何會發熱?

我們賴以生存的地球,表面寧靜祥和,但其實內心相當「熱情」。根據過去的鑽探紀錄,可看出地下溫度有隨深度之增加而升高的現象,這種地下溫度隨深度增加而升高的比率,被稱為「地溫梯度」(Geothermal gradient)。就地球最外層的地殼來說,全球平均而言往下挖一公里,溫度會上升攝氏30度,不過如果地底有其他熱源,例如火山活動與岩漿庫,則地溫梯度會上升較快。

地球內部之所以能維持如此高溫,科學家推測主要是因為地球內部所含有的放射性元素在衰變過程中釋出的熱,讓地球內部得以保持熱度,最深處可達攝氏6000度,相當於太陽表面的溫度。不過如果要發電,我們不需要鑽個幾千公里直達地心,只要從地表向下鑽數千公尺至10公里,地底溫度便已高達攝氏300度,足夠讓我們發電了。

淺層地熱發電:便宜但受限

之前人類的技術僅能開採地溫梯度較大的地區的淺層地熱,也就是在深度3公里以內,利用地熱加熱的熱水與蒸氣進行發電。這種地熱鑽探成本較低,但是深受地質條件限制,需要有多孔隙的岩層讓水流動。能進行淺層地熱發電的地區並不多,而且因為透過抽出地下水進行發電,需要進行尾水回注以避免枯竭。

台灣在宜蘭曾經有清水地熱發電廠,便是屬於淺層地熱發電,於1981年至1993年運轉,但因為未做地下水源補充以及嚴重的結垢問題,最後以關廠作收。然而經過多年的技術研究與改善,例如避免結垢技術的研發與尾水回注,2012年年底宜蘭縣政府與民間廠商簽約,清水地熱準備東山再起。

熾熱的深層地熱發電

不過比起淺層地熱發電,深層地熱發電使用深度超過3公里的深層地熱,可以在一般的地溫梯度地區進行發電。國際能源總署(International Energy Agency)便指出由於施工方法的改進與鑽探技術發展,鑽井成本大幅降低,讓大規模利用地熱資源變成經濟上可行的方案。

目前有兩種深層地熱發電技術,分別是增強型地熱系統(Enhance Geothermal System, EGS)以及閉迴路熱量收集系統(Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG)。這兩種深層地熱發電技術的差別在哪呢?

EGS利用灌注井(injection well)將液體注入深層地層中,利用高壓產生裂隙以增加儲水空間,之後再以生產井(production well)將這些熱水汽化,使用蒸氣進行發電。但是由於這些注入地底的水在加熱過程中離開管路,流經地下岩層縫隙時會因侵蝕與壓力作用而導致縫隙擴大,長期以來有誘發人為地震的風險。此外,EGS亦有結垢與用水流失的缺點,導致運轉成本較高。

而CEEG除了延續EGS的優勢,並改善了EGS的許多缺陷,CEEG一樣將管線鑽掘至深層地層,不過是封閉管路。CEEG的管路設計為同軸內外雙管,就像在吸養樂多用的小吸管外再套一根喝珍珠奶茶的大吸管。冷水從外管往下流至地底,加熱至數百度高溫後,再由內管返回地表。由於CEEG水的循環都在封閉的管線中,不會有誘發地震、結垢與用水流失的問題,而且因為灌注井與生產井合為同一條管線,所需挖井個數至少減半,可大幅降低CEEG發電的成本。

台灣的地熱發電潛力

台灣地處板塊交界帶,擁有豐富的地熱資源。僅考慮淺層地熱,光是宜蘭地熱區、大屯火山群地熱區、花東地熱區的熱儲量,便可產生相當於9.7座核四廠的發電量。然而若深度更深,整個台灣地區在深度4公里以內的熱儲量更可產生65座核四廠的發電量,相當值得開發。目前除了宜蘭清水地熱電廠,台灣更有潛力的地熱資源區莫過於大屯火山周邊,但是大屯火山除了受限於國家公園的法令限制,還有酸蝕的問題,容易破壞機具。幸虧,拜科技所賜,深層地熱發電增加了發電潛力、也改善了選址受限的問題,期許未來能成為主流的綠色能源之一。而台大高成炎老師也極力推動在宜蘭利澤地區進行深層地熱發電。台灣能源自主的選擇,地熱發電是不可或缺的一項重要資源。

日本311強震後2年,福島第一核電廠仍不時傳出核洩漏與核污染問題。而當石油與天然氣逐漸枯竭,全球氣候變遷逐漸加劇,如何將能源來源轉移至再生能源,就長久的發展眼光而言,與各國的永續生存以及避免更嚴重的氣候災變息息相關。深層地熱發電能確保人類擁有乾淨且穩定的能源,台灣為島國,使用再生能源取代現今傳統能源,或許將是邁向永續最重要的一步。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2013年11月)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。