0

0
0

文字

分享

0
0
0

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
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!

延伸閱讀:

文章難易度
李柏昱
81 篇文章 ・ 1 位粉絲
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。

0

4
0

文字

分享

0
4
0

關鍵時刻能救命,與時間賽跑的地震預警系統發展史

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/23 ・2852字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

位處在歐亞板塊和菲律賓海板塊交界 ,臺灣每天都有許多地震發生,可以說是生活的日常。每隔數月或數年就會發生的中大型地震,更是災防安全的一大威脅。

最近幾年,在有感地震發生後、地震波來襲之前,你的手機很有可能會收到下面的訊息:

國家級警報

[地震速報 Quake Alert] MM/DD HH:MM 左右 ○○ 地區發生 ○ 型有感地震,慎防強烈搖晃,氣象局。Beware of probable shaking. CWB

資料來源/地震測報中心

這個能夠在地震波來襲前出現的「災防告警訊息」,全稱為「災防告警細胞廣播訊息」,是利用「災防告警系統(Public Warning System,PWS)」及「細胞廣播服務(Cell Broadcast Service,CBS)」發布地震速報。

災防告警訊息提供的地震速報,雖然在盲區外的多數時候,能比地震的搖晃感來臨前再快一點點讓我們收到,但它並不是地震預測,而是「地震預警」。中央氣象局利用遍布全臺的高密度地震測站收集地動資料,在地震發生時,藉由震央附近地震站的訊號,即時解算地震資訊並迅速發出預警。

地震預警的主要功能,是在地震發生後數秒內,演算出預估地震的基本參數,包括預估震源位置深度、強度,並推估受影響地區將遭遇的震度與震波抵達時間,爭取在破壞性震波抵達之前,對可能發生災損的區域提出警示。

可別小看這短短幾秒鐘的警示,足以左右生死、讓人員離開危險的位置尋求掩護,停下精密的作業(如工業廠房或醫院),也能讓高速運行的交通運輸系統自動減速或停駛,大幅減少中大型地震可能造成的災害,保障人民生命與財產的安全。

地震預警系統的原理

這幾秒鐘珍貴的預警時間,是多年來地震預警技術及通訊設備精進的心血結晶,以電波與地震波「賽跑」搶出來的。

每次地震發生後,能量會以「地震波」的形式從震源開始往外傳播。科學家大致將地震波分成分別為 P 波S 波P 波傳播的速度較快,也是地震測站最早收到的訊號;S 波速度較慢,但為地震破壞力的主要來源,而地震預警系統便是根據這兩者計算出地震的各種參數。

在得到最初預估的地震參數之後,地震預警系統會推估各地的震度,如果達到預設門檻,就會自動發布,利用電波將地震預警訊息傳送到可能致災的區域,以利當地防災應變。舉例來說,模擬顯示 1999 年發生的 921 集集大地震,以現今的地震預警科技,北可有 31-35 秒的預警時間,可大幅減少人員傷亡。

不過,地震預警系統畢竟得在收到地震波資料後才能進行運算,過往的預警系統對於鄰近震央 40 公里內的區域幾乎趕不及預警,這個區域就被稱為「盲區」。盲區是強震即時警報無法避免的科學限制,但靠近震央的區域又是震度最強、災害最嚴重的區域,如何將地震速報的盲區最小化,也將是未來相關技術發展的目標。

地震預警發布的管道與門檻

除了藉由手機發送災防告警訊息,地震速報還有好幾個重要的通訊管道。自 2014 年起,中央氣象局即開發傳訊軟體,在預估地震規模達到 4.5 以上、預估震度達 3 級以上時,直接透過既有網路及通訊系統,將強震即時警報傳送至公務部門、公共設施、醫院、學校單位。舉例來說,學校單位如收到警報,將自動串連廣播或跑馬燈,第一時間向師生宣布警訊。

除了公部門,中央氣象局還積極推動「地震資訊傳遞服務契約」,將社會服務量能發揮最大化,透過專線 IP-VPN 與警報傳遞單位(電信公司及大眾媒體)進行連線,在各個媒體渠道轉發地震速報,而這個部分還可以由合作單位依需求自行設定「需要通知的震度門檻」。

自 2016 年 8 月起,中央氣象局即與電視台合作,當預估地震規模達 5.0 以上,且預估震度達 3 級以上時發布蓋台訊息。這些不同的訊息傳遞機制,希望達成的目的是相同的:將地震預警的資訊,在最短的時間內,傳達到會受影響的人手上。[註1]

而近年來,能夠在地震發生的 10 秒內就發出地震預警,完全是地震觀測網加上資訊、通訊技術,多年來持續累積發展的成果。

臺灣的地震預警系統

1999 年 的 921 大地震,當時中央氣象局在 102 秒內發出地震速報,速度已經令當時全球地震觀測相關單位感到驚訝,但仍緩不濟急,預警效果十分有限。

事實上,中央氣象局在 90 年代初期已開始發展「強地動觀測網」,自 1992 到 2021 年,每期五年、共五期的長期前瞻計畫,從第一期建置「都會區強地動觀測網」,主要廣泛收集台灣各地的強震資料,並提供給工程與防災研究團隊研擬修正建築物耐震設計規範。後續的延續性計畫中,逐步建置地震速報系統、發展強震即時警報系統,其後並持續建置海底地震儀與深井地震監測站,優化地震海嘯監測。

近期重點放在提升觀測的資料品質、增進系統功能、基礎資料的累積,並且拓展地震預警系統在防災的運用。中央氣象局自 2012 年起啟用 24 位元地震觀測系統,整合過往各個獨立的觀測網,包括短週期、地震速報、寬頻、井下地震觀測網及全球即時地震觀測資料,使地震測報進入聯合觀測的時代。

自 2020 年 4 月 6 日起,地震預警的發佈時間已經縮短至 10 秒內,地震盲區也縮小至震央 30 公里以內,中央氣象局地震測報中心更宣告推動「都會區強震預警精進計畫」,要在四年內將都會區的地震預警發佈縮短到  7  秒以內,長期規劃更是希望藉由大數據統計,將時間再縮短到 5 秒內。

事實上,臺灣自行開發的地震預警系統已是全球前段班,未來也將持續運轉,日夜守望每次臺灣的地牛翻身!

參考文獻

註解

  1. 地震預警發布的門檻會依需求與情況做調整,此處以撰文時間為主。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
207 篇文章 ・ 1122 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策