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人類最重要的一場科技戰史

鄭國威 Portnoy_96
・2018/01/03 ・1157字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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本文為《光之帝國—-愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》推薦序。本書為 2018 年 1 月泛科學選書。

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圖片取自維基百科,拍攝者為 Luc Viatour / 他的網站是https://Lucnix.be. https://lucnix.be

人工智慧喊得震天價響,新能源,電動車都是熱門且複雜的科技議題,但若要了解當今的科技產業局勢,一直追著新聞快訊或大師開示,反而只會無所適從。若要以史為鏡,19世紀末、20世紀初的電力革命歷程,絕對是最值得參考的時代。

大概每個人小時候都讀過愛迪生這位發明大王的故事,我甚至因此(短暫)喜歡上動手做,還(短暫)立志長大當個發明家。但你可能也跟我一樣,長大之後並沒有實現小時志向,而且也是長大了才知道愛迪生跟另外兩位發明家與創業家–特斯拉和西屋曾大打電流之戰,阻礙創新,甚至因此厭惡起愛迪生,覺得小時候對愛迪生的崇拜簡直是感情被欺騙。反倒是在特斯拉死後超過 50 年,其名氣反因為火紅的特斯拉電動車與該公司老闆超級創業家伊隆馬斯克 (Elon Musk) 而再次爆發,奇才的形象令我莫名崇拜。

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從古希臘、富蘭克林、伏特、賈法尼、戴維,到法拉第,西方的電學在愛迪生手上從理論入世,藉由特斯拉跟西屋奠基,最終是在資本家的運作下普及。但讀完本書,對這段歷史與關鍵人物的單薄印象,又因作者厚實的考據與細密的勾勒,而被顛覆、令我閱讀時頻頻陷入深思琢磨。除了作者如時空導遊般流利的寫作帶領我回到現場以外,在被加速異變的科技動態壓得有點喘不過來的我,看完這段百年多前的關鍵科技發明人物史,反而覺得放鬆了些。

為什麼呢?本書雖非小說,但在作者精耕史料後對愛迪生、特斯拉、西屋等主角的描繪入木三分,不禁讓我聯想起現今的科技創業家、網路資料工程師,甚至是我自己的創業夥伴,而 JP 摩根等大資本家試圖掌控但也屢屢失控的過程,也跟如今的創投業生態如出一轍。愛迪生對工作廢寢忘食般的投入、跟他在門羅公園的創客工作坊儼然是矽谷車庫創業者的先驅,特斯拉那亞斯伯格般的強迫特質與執著,就像是當代流行文本最喜歡描繪的天才角色。

愛迪生、特斯拉、西屋三人之間從孺慕、合作、背叛,到互嗆、離間、又各自超展開的商戰、科技戰與輿論戰,中間夾雜了崛起的資本巨擘與政治盤算,點綴著許多不可考的意外,讓我儘管在讀史,還是能感受到如電影般的刺激。然而回顧歷史,不可避免的是更多的嘆息,為天才電光般的出現跟必然的殞落嘆息、為人性為了求勝求存而願意幹下的事而嘆息、也為自己只能透過想像回到那段風雲時代而嘆息。

這段電與光的科技史影響重大,無比關鍵,重塑了人類文明,甚至可說改變了整個地球。本書是一本科普與科學史的佳作,在邁入下一個科技革命的當口,絕對值得你我多讀幾遍。

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 1180 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

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小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

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就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

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福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

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如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

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除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

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不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(下)
PanSci_96
・2023/02/04 ・4004字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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比爾蓋茲(Bill Gates)創立的「突破能源風險投資基金」(BEV)所投資的其中一家,是瑞典新能源開發公司「倍速羅得(Baseload Capital)」,這家公司在 2019 年選了台灣花蓮的紅葉村,作為亞洲地熱開發地點之一,顯示台灣在地熱發電的潛力。

不過你知道嗎?其實早在 1981 年台灣地熱發電就曾經領先國際,當時在宜蘭清水設置的地熱發電廠,是全世界第 14 個進行地熱發電的國家,但後來到 1993 年就關廠不用了,到 2021 年才重新再次運轉,為什麼呢? 這次我們來聊聊臺灣在地熱發電上已經做了哪些開發?又有哪些實際的困難和需要突破的地方。

發展地熱發電的成本和考量

地熱開發就像談戀愛,不能在 App 上聊得愉快就直接把身家都交給陌生的他,還是得面對面深入交往才知道這人到底存不存在,值不值得真心託付,能不能長長久久。地熱能開發本身,也是件高度不確定的事,以探勘地熱來說好了,即使有科學研究資料輔助,最終還是要認真挖探勘井到一定深度,才有辦法判斷到底能否作為發電之用,無法保證一定有成果。

再說,就算確定有好的熱源,若要開發臺灣地底深處的熱能,就必須挖掘深的地熱井,也就意味著要付出高昂的成本。一般而言,鑽井成本少說占了整個地熱發電計畫的 30% 到 50%,甚至是更高。根據美國康乃爾大學(Cornell University)的研究團隊於 2013 年發表的估計,地熱井深度和鑽井成本的關係,大致可以用這張圖來表示。隨著深度增加,鑽井費用亦大幅上升。

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地熱井深度和鑽井成本的關係。 圖/參考資料 1

而且,每個計畫會開發的地熱井,絕對不只一口,以宜蘭的利澤地熱電廠來說,就預計會有 11 口 6 公里深的井,所需費用的龐大可想而知。

同時,鑽井會遇到許多不同的困難。看過電影世界末日都知道,如果岩盤堅硬又粗糙,那麼不但鑽井的進度會變得緩慢,鑽頭也會磨損得特別快。另外像是卡鑽、穩定鑽頭的泥漿流失等等,都是必須面對的挑戰。

另一方面,在開發地熱時,依地區而異,可能會遇到腐蝕性流體,如含氯離子或硫酸根的地下水,因此必須選用耐腐蝕的機具和管材,或是用化學方法中和;而當熱液從地底冒出到地表時,也可能伴隨硫化氫等有害氣體,要是聞到臭雞蛋的味道還可以跑,要是濃度高到讓人嗅覺疲乏可能小命就要難保。

此外,地下水中的雜質和礦物質,可能會隨時間經過附著在管壁上,導致發電效率下降,定時清理也是個麻煩的差事。

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隨著科技的進步,雖然這些麻煩在原則上都能夠處理,卻也是無法免除的成本,在規劃時就必須仔細考量因應措施。

說了這麼多,到底用地熱發出來的電貴不貴呢?發電成本會因地區、時間和技術的提升而異,不同單位做出來的評估也會不同。若我們比較近年來幾個不同組織評估的全球均化發電成本(Levelized cost of electricity),也就是電廠生命週期總成本除以生命週期總產生能源,大致可以看到這樣的結果,不同顏色代表著不同單位的評估。

全球均化發電成本(Levelized cost of electricity) 圖/wikipedia

以全球總體來說,目前地熱發電每發出百萬瓦小時電力的成本,跟太陽能和陸域風電相比稍微偏高,但跟其他能源相比倒也不至於比較貴。必須留意的是,這只代表近年的能源價格狀況,也跟電力公司發布的發電費用是完全不同概念,而且隨著未來地熱往深處探勘、或技術的成熟,成本還有可能提高或降低。

臺灣的地熱發電發展

事實上,臺灣在地熱發電曾經領先國際,1981 年就在宜蘭清水設置了地熱發電廠,是全球第 14 個進行地熱發電的國家。

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只不過,臺灣的地熱發電量從一開始的 828 萬度一路下滑,到 1995 年完全歸零,從 2017 年之後才又往上提升。這中間到底發生了什麼事呢?

一來,清水地熱電廠早期進行發電時,利用完的熱水並沒有回注地底,而是直接排掉,造成地下水耗損;二來,像我們前面說過的,地下水中的礦物質於地熱井管壁結垢;這兩大因素使得清水電廠的出水量銳減,僅過一年發電能力就大幅下降,最終導致 1993 年的關廠。

從此,臺灣的地熱發電沉寂好一段時日,直到 2013 年清水地熱電廠重新建置示範機組,進行運轉測試,2018 年開始發電,並於 2021 年底正式重新啟用,才宣告復活,目前也有擴大發電規模的計畫進行中。當然,這一次,在地下水回注跟結垢問題的處理上,都比之前更好。

除了清水地熱這個示範點,從 2018 年開始,也有台東知本溫泉業者利用既有溫泉資源進行發電,且併入台電電網,成為臺灣小規模地熱發電首例。

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宜蘭清水地熱河床。圖/地熱發電單一服務窗口

那麼,臺灣的地熱發電就此熱熱鬧鬧熱到家了嗎?倒也不是。我們可以從兩個面向,行政流程和開發誘因分別討論。

臺灣的地熱發電關卡:繁複的行政流程

長久以來,臺灣在地熱資源的開發一直缺乏適當的法規和配套流程。若要進行開發,必須依照《溫泉法》和《水利法》申請,但卻沒有任何一項是跟發電直接相關,法規細節也不符合地熱發電的特性。

此外,土地使用根據涉及的區域,仍須依《都市計畫法》、《區域計畫法》、《森林法》、《國家公園法》、《地質法》、《災害防救法》、《水土保持法》等規定辦理,不但要面對中央和地方政府許多不同單位,行政程序亦曠日廢時,相當不容易。

就像兩人交往之前,得先經過她爸、她媽、二舅、大嬸婆、還有指導教授跟前男友同意才行。以才剛重新啟用的清水地熱電廠來說,雖然施工只要一年多,跑行政流程卻花了四年。這樣冗長繁複的申設程序,無疑拖累了臺灣的地熱發電發展。

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有鑑於此,最近的「再生能源發展條例」修正草案,簡化了地熱發電申請的行政程序,也新增相關規範,並於 2022 年 12 月初在行政院通過,後續將送往立法院審議,值得我們關注後續的發展。

臺灣的地熱發電關卡:開發誘因不足

地熱發電要付諸實行,除了技術和法規必須到位之外,還必須有經濟效益,才可能成真。

我們可分別從計畫的探勘期、開發期、和營運期三個階段來說明。

首先,地熱發電計畫在探勘期風險極大,很有可能挖了探勘井,卻沒有好的熱源,回不了本。

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舉例來說,從 2017 年底開始,台電在綠島進行了兩口地熱試驗井的鑽探工程,最終卻發現溫度並不理想,而暫時將計畫擱置。

而在開發期,臺灣目前沒有保障地熱探勘者優先開發的權利,就算找到熱源,卻可能被其他業者搭便車,捷足先登開發,得不償失。相關法規後續要怎麼訂定,是值得討論的議題。

2018 年仁澤三號井。 圖/環境資訊中心

最後,營運期的收入,若無法彌補成本並獲利,就也不可能吸引廠商投入。為此,躉購費率,也就是再生能源保證收購制度的訂定就非常重要。

縱上所述,因為地熱計畫存在諸多風險,初期又需要龐大的經費,如果沒有政府支持,民間廠商非常不容易投入。

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目前來說,臺灣政府設有「地熱能發電系統示範獎勵辦法」,針對探勘給予補助;既有的地熱探勘初步資料在「地熱發電單一服務窗口」網站也都可查詢,並由經濟部中央地質調查所邀請國內 12 個與地科、地質相關校系,籌組「地熱探勘學研合作平台」,投入前期的地質調查,讓廠商有開發的參考依據。同時,地熱發電做為再生能源的一環,每年也會重新修訂躉購費率。

至於這些措施合不合宜、是否真能發揮效用,增加廠商投資意願,就有待我們觀察。

隨著再生能源越來越受到重視,全球的地熱發電於這十幾年內增加了許多。

雖然在總容量上,與其他主流能源還有不小差距,但因為技術的進步,地熱發電逐漸能夠擺脫地域的限制,更廣泛地被運用。

全球地熱熱點分布。圖/Energy Education

而台灣位處環太平洋火山帶,深具地熱發展潛力。可惜的是,即使是臺灣最容易開發、深度較淺的地熱能源,其潛能亦尚未完全發揮。經濟部原本設定 2025 年地熱發電目標要達 200MW,卻因為行政流程繁瑣和開發誘因不足等各種原因,導致開發進度緩慢,只能下修目標。

現在,台灣地熱累積的併網裝置容量約 5MW,雖然還有二十多個地熱計畫正在進行中,也有民間公司積極投入,宣布最快要在 2030 年累積建置達 200MW。但上述問題一日不解決,臺灣的地熱就難以真正施展拳腳。

如果我們希望臺灣的地熱發電能夠更蓬勃發展,那麼,相關法規的訂定和行政流程的簡化是一定要做的,接著要完善獎勵措施和補助機制,並設定合理的電價制度。在整個過程中,一些地熱發展良好的鄰近島嶼國家,如日本、菲律賓、印尼、紐西蘭的相關政策,也值得我們借鏡。另一方面,在土地的使用上,如何和在地民眾溝通與協商,也是重要的工作。

可以說,不需要燃料,極低碳排放,但是前期建置成本佔比高,營運費用相對低廉,是地熱發電的特色。儘管潛力巨大且有著諸多好處,但技術上的挑戰,和地理條件的限制也擺在那邊。

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(上)
PanSci_96
・2023/01/29 ・3490字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」,我們在先前的影片也有聊到,2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量,再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說,極低碳排放的再生能源電業,在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外,大家也非常期待的綠色能源——地熱發電,談談地熱發電究竟是什麼?有發展的可能嗎?

什麼是地熱發電?

大家學過地科都知道,地球內部處於極高溫狀態,而這股地熱能,會隨著地函對流和熔岩,被帶至地表附近。

地函對流。 圖/wikimedia

人類很早就懂得利用地熱資源,例如你我曾經泡過的溫泉,就源自於被地熱加熱的地下水。換言之,地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電,就是所謂的地熱發電。

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地熱發電擁有不少優點,包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等,更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題,可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用,不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何?

說得再理想,還是要先回答一個關鍵:臺灣的地熱潛能到底有多少?這邊要介紹一個名詞:地溫梯度(geothermal gradient),它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

地球內部的溫度曲線示意圖。 圖/wikimedia

一般來說,在地表附近,每往下一公里,溫度就上升約攝氏 25 到 30 度;但是,在靠近地球構造板塊邊界處,溫度梯度較高;也就是說,往下同樣的深度,會得到比較高的溫度。在這些地區,要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界,因為兩個板塊的互相擠壓,使得地殼隆起而形成。

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因此,臺灣不但多地震,就先天條件來說,似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是,根據上個世紀的地熱評估文獻,臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW,這個數字是多少?我們作個對照,核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境,不見得都適合開發,所以可實際運用的地熱就又更少了。對此,工研院甚至曾推估,其中真正能拿來發電的地熱,只有 150MW。

這麼說來,我們大概不用指望地熱發電,只能洗洗溫泉睡了,或頂多只能有小型的發電規模。

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不過,代誌(tāi-tsì)不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候,就跟為人處世一樣,我們至少必需要留意兩個要素:溫度和深度。很顯然地,當溫度不夠高,地熱發電就沒效率;另一方面,既然地底越深處溫度越高,我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深,總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW,事實上考慮的是溫泉地區中,離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘,又是另一番風景。

地熱發電,除了考慮溫度還要考慮深度。 圖/envato.elements

在習慣上,國際常分別用淺層地熱(shallow geothermal)和深層地熱(deep geothermal)的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是,要多淺才叫淺層、多深才叫深層,並沒有全球一致的定義,反而依各國情況而定。

近年來,在國科會的能源國家型科技計畫支持下,臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料,發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內,且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量,可達 33640MW。換句話說,約等於 12 座核四。

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既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量,那我們還不趕快開發開個爆嗎?

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中,地熱發電技術的發展。

理想狀況下,地熱資源的構造,大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源,熱源之上稱為儲集層(reservoir),再上方則是由緻密岩石組成的蓋層(caprock)。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋,大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流,而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫,從地表竄出,成為溫泉或是噴氣孔。

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就傳統的地熱發電來說,地底需要三個條件,豐富的熱源、充足的地下水,和良好的滲透率,讓水可以在其中流動,這三者缺一不可。在具備這些條件的地方,汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態,我們可以直接利用,讓蒸汽通過渦輪機,產生電力,稱為乾蒸汽(Dry Steam)發電,這也是最古老的地熱發電方式。只不過,這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水,當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽,因為壓力降低,會迅速轉變成氣體,推動渦輪發電機,這稱為閃發蒸汽(Flash Steam)發電,同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好,比如說,世界上大部分地方,地溫梯度並不高,就算挖得很深,地下水溫就是不熱,怎麼辦呢?就像教授在課堂上講笑話,大學生托著腮毫無反應一樣,那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧!

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近來,許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環(Binary-Cycle)發電方式,當溫度沒那麼高的地下水到達地表後,會在熱交換器(heat exchanger)與另一種流體交換熱能,像是正戊烷(Pentane)或丁烷(Butane);它們因為沸點很低,所以在接收到地下水的熱能後,會轉變成氣態並推動渦輪,產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域,而且對溫度的要求不高,甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄,但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠,主要都是用以上三種方式進行發電,深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而,正是地熱發電技術的瓶頸,成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處,其實也有技術可以破解!

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式,至少都需要有充足的地下水或地下流體,和良好的滲透率;就算溫度不夠高,也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣,深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源,發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW,而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電,就勢必要往更深處的地熱資源著手。

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然而,我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源,都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是,地底深處儘管溫度夠高,卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題,這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方,就是所謂的增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System),簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下,以高壓朝地下深處注入冷水,迫使岩石原本既有的裂隙擴大,人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後,又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢,這些冷卻下來的水又會被注入地底,如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

整套方法在 1:05 有動畫呈現。

這樣聽起來,增強型地熱系統似乎很不錯,降低了地熱發電的環境限制門檻。但是,它也存在一些問題。

首先,往地下注入的水,其流動取決於人為擴大的裂縫,但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求,所以會有很多水是沒辦法回收的;二來,它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時,要實際考慮的問題。

這集,我們討論了地熱發電的原理,以及臺灣是否適合地熱發電,下一集將討論地熱發電的成本,與開發上需要考量的細節,並回顧台灣地熱發電的發展歷史。

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PanSci_96
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