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利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

李柏昱
・2013/11/25 ・2441字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

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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李柏昱
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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。

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發電量增加 25 倍卻還是不夠用!再生能源是人類未來的救星嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/18 ・1730字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

我們的能源從哪裡來、往哪裡去?

全球每年對能源的需求量相當巨大,若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字,因此改用「太瓦時」(TWh)來表示,太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年,全球約有 10 億人口,當時對能源的需求約為 6000 太瓦時;而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年,全球人口達到 76 億,發電量增加了 25 倍(156000 太瓦時)。

在 2017 年的全球能源使用比例中,煤炭、石油和天然氣等化石燃料占了大約 80 %左右。圖/ Pixabay

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比,其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能,其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

2017 年的能源消耗總量,顯示出不同能源的百分占比。圖/BP Statistical Review of World Energy, 2018; World Energy Council, Bioenergy, 2016

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求(final energy demand),是指用戶消耗掉的能源:每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10% 是來自開發中國家傳統生質能的熱,22% 來自電力,38% 用於供熱(主要來自化石燃料) 30% 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費?能量轉換效率大比拚!

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位,也就是一度電來測量,雖然電可以完全轉化為熱量,例如電烤箱,但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能,其他的必然會散失到周圍環境裡

在火力發電廠中,存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱,產生蒸汽,蒸汽膨脹推動渦輪的葉片,轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力;其餘的熱量在蒸汽冷凝,完成循環時,就轉移到環境中,成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加,但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中,一般熱能轉化為電能的效率約為 40%。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組(combined cycle gas turbine,CCGT)裝置中,這個比例可提高到 60%。

同樣地,在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量(動能);汽油車的一般平均效率為 25%,柴油車則是 30%,而柴油卡車和公車的效率約為 40%。

另一方面,電動馬達的效率約為 90%,因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例,這將有助於提供世界所需的能源。

火力發電沒辦法 100% 轉換熱能變成電能,約有 60% 的損失。圖/envato

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末,水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展,在二〇一八年時約占全世界發電量的 16%。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上,相對要晚得多,是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢,因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加,成本下降,它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5% 上升到二〇一八年的 9.7%,包括水力發電在內,再生能源的總貢獻量為 26%。

不過,就全球能源的占比,而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看,再生能源僅占約 18%,而傳統生質能則提供約 10% 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜,它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實,從現在開始,再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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「恆水創電」聯手比利時 Turbulent 研發超低落差機組——力拼「微水力發電」扎根台灣!
PanSci_96
・2021/12/09 ・1788字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • 本文依據 恆水創電 110 年 12 月 9 日新聞稿 改寫

文/郭椀濘、李先泰

為了地球的永續發展,台灣已將 2050 年淨零碳排列為重要政策目標,行政院也擬於2022年初提出路徑草案,檢討整體能源政策;為了實現淨零碳排目標,能源新創企業「恆水創電」9日與比利時台北辦事處共同舉辦記者會,發表與比利時水輪機製造商 TURBULENT 共同研發的超低落差機組「Turbulent S」,該機組針對台灣水利環境設計,只要 1.28m 超低落差即可發電,有助於微水力發電在台扎根。

比利時台北辦事處處長文浩德 Frédéric VERHEYDEN 致詞指出,比利時綠能產業擁有許多領先技術,為潔淨能源的先驅,是台灣發展能源最理想的合作夥伴,與台灣離岸風電領域已有深入合作,十分樂見 TURBULENT 與恆水創電在嶄新領域攜手共進,「台比合作將發展美好且綠化的台灣,為全球的淨零願景貢獻心力。」

恆水創電股份有限公司創辦人兼執行長鄒飛逯表示,推動「水利建設內建發電」是恆水創電的企業使命。他強調,台灣具有得天獨厚的水力發電條件,不但水力豐沛,地勢更是山高水急。然而,在河川渠道中卻有許多緩解水流力道的消能設施(如消波塊),以小水力發電的觀點來看相當可惜。

比利時水輪機製造商TURBULENT於智利架設的機組。圖/恆水創電提供

鄒飛逯指出,若運用發電機組取代消能設施,用水流動能發電,就能使消能設施創造能量,既可兼顧設施安全,又能創造最乾淨的綠能,堪稱一舉數得,而這也是恆水創電的初衷。鄒飛逯強調:「思維轉個彎,水利基礎建設就是小電廠,每一滴水都能發好幾次電!」

針對 TURBULENT 機組的技術優勢,鄒飛逯指出,TURBULENT 垂直渦流水輪機的特色是韌性極強且應用場域廣泛。強韌的葉片讓機組不怕垃圾及泥沙堵塞(以Turbulent S為例,可容納直徑 25cm 的物體通過),一體成型的設計亦可抗震;若遇到強風豪雨導致河川水位暴漲,也有對應的斷電機制,讓發電機組自動跳離電網,在條件嚴苛的場域中仍可穩定運作。

鄒飛逯也說,TURBULENT 的機組體積小且易於施作,可與水利設施合為一體,多元發展性高。更關鍵的是,機組的設計也讓河道中的生物能無害通過葉片,可兼顧生態友善:「頂多讓通過的生物感到暈眩,但不會造成傷害。」

資料來源/恆水創電

而為徹底運用台灣的水力潛能,恆水創電與TURBULENT整合雙方專業,經過兩年場域資料蒐集及田野調查,為台灣水力環境量身設計 Turbulent S超低落差小水力發電機組,為台灣打造最佳化機組。

Turbulent S可應用於台灣多數水力環境中,因其有效落差高度僅1.28m,所需流量為2cms (每秒2立方米),無論在灌溉溝渠跌水工、自然河川、淨水與汙水處理廠、給排水、水保設施等場域,都有極大發揮空間,讓鄒飛逯喊出「一落差一機組,一渠道一電廠」的綠能願景。

Turbulent S 的機組構面圖。圖/恆水創電提供

為推動台灣小水力產業發展,恆水創電與TURBULENT已簽訂合作備忘錄,授權Turbulent S機組國產化,比照風電模式在台灣落地生產。

恆水創電總經理廖弘毅指出,Turbulent S國產化不僅有助提升產業技術,更可確保長期料件供應與技術服務。「作為生命週期20至30年的基礎建設,國產化將能確保小水力發電在台灣長久發展、穩定維運;」廖弘毅總結,「這將是小水力發電在台灣遍地開花的重要一步!」

今日恆水創電也正式與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會,強調日後將會有緊密合作。對此聯盟洪正中理事長表示:「小水力發電是最環保再生能源,為對環境最友善的發電方式,小水力為台灣再生能源第三棒,聯盟與恆水創電公司將會持續為再生能源努力。」

恆水創電9日與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會;左為恆水創電執行長鄒飛逯、右為台灣小水力綠能產業聯盟理事長洪正中。圖/李先泰攝

2021.12.12 PM 0:24 更新:原版本文中之「水頭」為英文 Hydraulic Head 之意,為單位重量液體通過泵所獲得的能量,單位為公尺(m)。為便於理解,改為「落差」。

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「地熱發電廠」能夠取代核四嗎?(下集)公投遇上能源議題該如何投?再生能源發展之難 ft.阿樹【科科聊聊 EP70】
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・2021/12/07 ・2209字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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泛泛泛科學Podcast這裡聽:

上集從地熱發電聊到溫泉泡湯後,下集 y 編將與泛科學專欄作者阿樹續聊今年正式啟用的宜蘭清水地熱發電廠,解析為何台灣發展地熱發電仍有難處?不僅找地、找熱困難,「找錢」竟也是一大問題?

12/18 全民公投步步逼近,兩人也討論到「當能源議題成為公投題目」,複雜科學、技術知識如何搞得一般老百姓暈頭轉向。在如今資訊龐雜、輿論嘈雜的氛圍下,該怎麼針對公投做出理性判斷?聽完本集,說不定你會有所收穫!

圖/Pexels
  • 00:44 清水地熱發電廠為何捲土重來?

阿樹說明,過去台灣地熱發電廠也曾考慮選址在他處,例如:台北大屯山火山群附近。然而,雖然該地區地熱資源豐富,但岩石酸性成份太高,發電機組恐無法承受,因此在 1980 年,轉而在宜蘭清水設立公營地熱發電廠,後則因機組沉澱過多鈣化合物等因素而關廠,直到今年才又再度以民營方式繼續營運。他也提及,再度選擇原址蓋新廠,主要因為無需再進行過多設廠的前置研究,較無土地取得問題,因此,所需資金的門檻較低,容易吸引金主投入。

  • 04:49 地熱發電要「找地、有熱、有錢」

雖說地熱發電廠若營運良好,可以 24 小時運轉穩定供電,更不會像風力、太陽能等再生能源,受限季節氣候等因素而電量不穩定。不過,阿樹仍指出地熱發電在台灣發展的難處,歸結於「找地、有熱、有錢」三點。「找地」難在前期探勘恐需 5 到 10 年時間,期間亦無法有盈收;「有熱」難在目前採取「取熱不取水」的雙循環系統(Binary Cycle System),也擔心可利用的熱水源不足,恐導致發電呈現不彰;「有錢」的難則是地熱發電開發時間長,加上營運所遇的種種困難,也可能使業者投入資源時卻步。

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再生能源行不行?先從盤點台灣能源現況開始吧!

  • 10:08 要有「發展點數」才夠力的能源產業

阿樹也提及,目前發電廠的商業投入並不多,多半由政府委託學者進行探勘,但也可能因階段性「結案報告」呈現不彰,影響預算多寡。同時,以研究為目的進行開發,本身經費不足、也非以商業營運為考量,都可能成為拖延發電廠成形的因素。因此阿樹認為,還是需有具有財力、資源的能源產業投入,地熱發電才能良好發展。他也再提及,地熱發電優勢在於,只要土地「體質好」能源就在,但還是要有人提供「發展點數」,產業才能成長茁壯。

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看看他山之石想想自己:全球再生能源發展現場概況

  • 16:35 公投淪為「選邊站」而非理性討論?

由於 12/18 公投即將到來,本次公投又有「核四」、「藻礁」兩道涉及能源議題的題目。y 編表示奠基於科學與技術層面的議題,本應交由專家評估,並不適合成為公投題目。民眾在難以理解議題時,便容易跟隨偏好政黨投票,無法真正做出理智判斷;阿樹也提及,近日在粉專分享核四 S 斷層的相關研究,卻為「擁核四」、「反核四」支持者同時轉發,做出截然不同、有利於各自立場的解讀。實際上研究仍存在不確定性,輿論卻急於「選邊站」而非理性討論。

  • 21:49 能源議題並非單一選擇題

公投容易讓議題成為單一的選擇題,但實際上議題間可能彼此相連。阿樹舉例,「核四」與「藻礁」看似毫無關聯,其實背後涉及選擇「核能」或「火力」發電的價值選擇;區分為兩道公投題目,難以讓討論更為深入。「藻礁」公投涉及環境保育、能源開發的衝突,尚缺乏討論或研究即要進行公投,也令兩人比喻像是「蓋新房還不知格局,卻已經要決定選什麼沙發」。

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火力發電 vs 核能發電:誰的殺傷力大

  • 24:34 如何思考複雜的公投題目

針對本次公投,阿樹除鼓勵大眾不要隨政黨或利益團體起舞,多與身邊人討論之外,也提供自身判斷公投議題的依據。他認為,先把題目中的四到五個討論點攤開來看,研讀各式資料,以「分數」評量自己在每個討論點上,有幾分贊同或反對該題目,最後再加總分數,便可以得出自己對公投的判斷,也能藉此更知曉自己對議題的了解程度,方便與他人做溝通討論。

雖本集討論的地熱發電並非公投題目之一,但 y 編認為能越了解再生能源,認識其發展脈絡,對未來決議能源政策必定有幫助;阿樹也化身「地科大使」,提及不論地熱或其他再生能源發展,或本次公投的藻礁生態、核四廠下的 S 斷層,皆與地科息息相關,歡迎大家一起加入「地球科學」的行列研究其奧秘。

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「爸,媽,我想要念地球科學系。」但地科系到底在做什麼?

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