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   近年來,為了因應化石能源過度使用所造成的氣候變遷與全球暖化,全球均致力於發展節能減碳技術,包括發展潔淨能源與提高能源使用效率。繼太陽能和風力發電在台灣生根之後,擁有豐富地熱資源的台灣,地熱發電也將成為明日之星,連擁有成熟地熱發電技術的美國愛達荷州都十分看好,四月下旬曾與經濟部簽定「台美綠能產業合作備忘錄」,未來將結合國內產官學共同開發地熱發電資源。文/楊順發  圖/陳招宗




   參與這項台美合作計畫的單位包括:經濟部工業局、工業技術研究院、台北科技大學,以及噶瑪蘭清水、台灣中油公司、永豐餘、唐榮、漢翔、中興工程、東元等廠商。噶瑪蘭清水公司目前已承包宜蘭縣政府的清水地熱發電BOT案,成為國內第一座具商轉價值的地熱發電廠。國內台灣中油公司具有豐富的地熱鑽探能力與經驗。工業技術研究院已完成開發50千瓦地熱發電商品化機組;永豐餘集團旗下永豐能源科技公司,正規劃發展地熱發電,並運用相關技術於廢熱回收。台北科技大學萬里分校預定地也因擁有地熱資源,期與美國地熱業者以產學合作方式開發。國內另有唐榮、漢翔、中興工程、東元等廠商,也因具備發電機組開發能量及設備製造背景,紛紛投入地熱發電設備領域。


台灣有利於地熱發電產業發展

   美方則包括愛達荷州政府商務廳、愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory, INL)、愛達荷先進能源研究中心(Center for Advanced Energy Studies, CAES)及美商美國地熱公司(U.S. GEOTHERMAL INC.)、動力工程公司(POWER ENGINEERS INC.),雙方將共同開發地熱發電設備模組,以及合作開拓東南亞、中國大陸乃至全球的地熱市場商機,期盼台灣能成為亞洲地區發展地熱發電的先驅領航者。


   愛達荷州歐士傑州長在簽約儀式中表示,美國地熱發電容量占全球32%,居全球之冠。愛達荷州早在1892年即建立全美首座地熱發電系統,目前州境內地熱電廠發電容量達855百萬瓦,預計2025年可達1,670百萬瓦。愛達荷州地熱產業相當蓬勃,且擁有在綠能領域全球知名的愛達荷國家實驗室及先進能源研究中心,均可與台灣合作地熱電廠相關設備的製造、地熱開發及電廠營運。


   經濟部張家祝部長則指出,愛達荷州之在亞洲地區之所以選擇台灣為合作對象,除了台灣地熱資源豐富之外,製造產業基礎雄厚,特別是電子、機械等產業群聚。因此,台灣與愛達荷州在地熱發電的合作,不僅可整合我國鑽探、機電及系統等業者形成產業鏈,未來更可以地熱為基礎,擴及全球工業廢(餘)熱、廢棄物熱及太陽熱等發電設備與能源開發商機。


   台美簽訂這項地熱發電合作開發計劃,國內的民間科技團隊認為這是一項重要的指標,象徵台灣地熱發電將進入成熟的階段,參與當天簽訂儀式的大騰諮詢顧問公司執行董事王嘉慶指出,該團隊集合了台美專業人士,在地熱發電技術的研究已先後投入二十年的時間,目前已擁有成熟的技術,領先國內各界,其參與的第一個個案為宜蘭縣大同鄉清水地區的地熱發電廠,係台灣第一部地熱發電機。


   清水地熱位於宜蘭縣三星鄉員山村與大同鄉交界處,此地為宜蘭民眾皆知的觀光勝地,地熱露頭就在溪水淺灘的河床上,溫泉由地下冒出,水量豐沛,泉水屬鹼性泉,全溫高達95℃,溫泉的地面溫度可算是全台數一數二的高溫。因為優良的溫泉現象,點出該地具備地熱開發的潛能與條件。民國1976年時,中油即在此鑽井探勘,未久即發現豐富的地熱資源,具備工業使用的價值,且可做為發電用途;民國1981年時,全台第一座地熱發電廠應運而生,為我國再生能源的使用寫下新的里程碑。


   清水地熱發電的裝置容量為3,000瓩,但初期營運時發電量只達1,600瓩,爾後因為蒸汽與熱水生產量降低,發電成效也受到影響,清水地熱電廠乃於1993年時關閉地熱井,停止發電。今由於地熱發電技術趨成熟,宜蘭縣政府決定重啟清水地區的地熱發電,積極推動台灣第一座地熱發電廠BOT案(整建台電廢棄舊電廠-營運-移轉),已與廠商噶瑪蘭清水公司簽約並於日前完成用地交付,預定一年後營運,預估發電量可達1百萬瓦。


全台具開發地熱潛能的有26處

   在美國曾參與地熱發電的大騰諮詢顧問公司執行董事林日照指出,清水地熱發電廠先前除了熱水與蒸汽的產量減少外,尚面臨嚴重的機件結垢問題。台灣地區地熱井所產生的蒸汽,多含大量腐蝕性物質,對於水管、發電機組等設備,均會造成材質上的傷害,同時也將影響到發電的效率。


   然而,地球中心溫度可達6,000℃的高溫,以平均30公里厚度的地殼岩石層來說,每向地心深入100公尺,溫度將上升約3℃;像清水地熱這樣在地表溫度均可達到90℃以上的例子,在世界上並不多見,如不善加利用,實在是非常可惜。


   另一方面,台灣東部被視為是全島電力建設最為稀疏的地方。由於人口較少,需求較低,同時各項建設的開發均以環境為前提,宜蘭地區的電力需求雖然不大,但仍須倚靠其他地區的輸入。如果能善用清水地區的地熱,將為宜蘭的電力帶來符合環保與切合地方需求的新境界。


   因此,在台電關閉清水地熱發電之後,宜蘭縣政府乃與工研院能資所合作,希望能將清水地區完整規劃,以BOT方式,邀請廠商在該地區投資設立地熱發電廠,預計的發電量將可達到60,000瓩,是舊清水發電廠裝置容量的20倍;60,000瓩的電力約可滿足宜蘭縣10%的電力。


   根據能資所初步評估,全台有近百處地區顯示溫泉地熱徵兆,其中較具開發地熱潛能的有26處,理論上地熱蘊藏量約有一百萬瓩。以舊清水地熱發電的成本為例,每度電約1.8至2.5元,顯示出地熱發電是非常有競爭力的再生能源;此外,除了發電,地熱更可為工業、農業利用,同時具有觀光的潛力,附加價值十分的高。


   地熱發電最早於1904年在義大利知名溫泉區拉德瑞羅(Larderello)設立,現今,世界上最大的地熱發電廠位於美國加州的蓋瑟廠(Geysers),該廠足夠供給10萬人都市所需的電量。中國西藏羊八井也有可供10萬人電力的地熱發電廠。此外,冰島、日本、菲律賓等國家也正積極地在開發地熱。


   大騰諮詢顧問公司執行董事林日照指出,在歷經兩次主要的石油危機後,再生能源成為各國政府積極追求的替代能源,地熱也是其中的重點,只是相較於風力、太陽能等部份,地熱發電較少為大眾所討論。其實,目前世界上已有260座左右的地熱發電廠;美國是最大的地熱發電國家,發電容量約300萬瓩,每年170億度的電力生產,價值可達10億美元。


冰島的地熱運用為全球典範

   擁有豐富地熱資源的冰島,堪稱是利用地熱最徹底的國家。在村莊和市鎮周圍的大片荒原上,此起彼伏地飄蕩著裊裊白煙,那是地熱發電廠排出的熱氣。冰島首都「雷克雅未克」,在冰島語中的含意就是「冒煙的港灣」。據說,最早移居冰島的先民們來到這片港灣時,到處可見溫泉與蒸汽,便用了這個名字。其後,聰明的冰島人因地制宜,從簡單地使用溫泉水洗澡、洗衣,到學會了用地熱資源取暖、發電。而今,雷克雅未克已成為世界上最清潔的城市,其科學利用地熱資源的技術被聯合國作為典範而加以推廣。


   冰島地處亞歐板塊與美洲板塊交界處,兩大板塊的交界線從西南向東北斜穿全島,活躍的地殼運動、複雜的地形地貌造就了冰島豐富的地熱資源。不僅是首都雷克雅未克,冰島全國四處都可見極富利用價值的地熱井。


   早在20世紀初,雷克雅未克市政府就開始有計劃地使用地熱資源為城市供暖。到了1970年,雷克雅未克的幾乎所有住宅都用上了廉價的取暖和洗浴熱水。而隨後的能源危機使地熱資源的應用更為廣泛。現在首都地區居民已全部實現了地熱供暖和發電。而全冰島85%的住宅都是利用地熱資源集中供暖的。


   雷克雅未克市地區有50多個地熱井,主要的地熱發電站均集發電和供暖功能於一身。發電站生產分為集熱、發電和冷水加熱三個步驟。從地熱井裡抽上來的是高溫地熱水和水蒸氣,經分離,其中的蒸汽先帶動渦輪機發電,然後再將提取的低溫湖水加熱到60攝氏度至70攝氏度﹔剩下的熱水用作對湖水進行第二次加熱。當水溫升到85攝氏度至90攝氏度時,再通過直徑90厘米的管道輸送到市區。由於採用了性能良好的隔熱材料,熱水在長距離傳輸中溫度僅下降2攝氏度。


   冰島的地熱能源除了發電和供應住家暖氣之後,其應用還包括進行溫室蔬菜花草種植、建立全天候室外游泳館、在人行道和停車場下鋪設熱水管道以加快冬雪融化等。還在雷克雅未克市南部海岸開闢游泳勝地,將地熱水大量排入,以提高水溫。


   自1975年冰島大規模使用地熱資源後,石油等能源進口大大減少,二氧化碳等溫室氣體排放量提前幾十年就已達到了國際標準。冰島現在已成為世界上最乾淨的國家之一,並計劃在不久的將來,成為世界上第一個全部使用可再生的清潔能源的國家。


飯店安裝的小型地熱發電機潛力大

  大騰諮詢顧問公司執行董事林日照指出,地熱資源蘊藏量超乎一般人想像,據統計,地熱蘊藏量約為煤炭能源總量的1.7億倍。除了潔淨之外,地熱發電具有幾項優點,包括:較需築水壩的水力發電,或占地遼闊的太陽能及風力發電,地熱發電對地面的影響不大;供電穩定可靠,無論天候或者一般的自然災害,地熱發電較可以24小時全年無休的運轉。


  林日照指出,儘管國外地熱發電技術目前已趨成熟,但並非將成熟地區的技術引進到台灣便可以套用,主要係因各地的地熱水質有很大的差異,在台灣,像陽明山的硫磺泉、關仔嶺的泥溫泉,必須先將會造成機器結垢的物質分離,成本太高;即使分離之後,並機器的使用壽命亦不利,所以,目前並不適合用來商業發電。因此,該公司目前選擇地熱發電的地點以無色無味的碳酸泉為主,而台灣的溫泉區亦以這種泉質最多。


   不過,林日照仍強調,即使是碳酸泉,其產生的蒸汽在引入渦輪發電機之前,還是得經過數道的分離技術,才能產生乾淨度、乾燥度和壓力足夠的蒸汽。該公司在這方面擁有領先的技術,才能爭取到與國外廠商合作的機會。


  林日照指出,該公司採用的地熱發電機係「有機郎肯循環系統」,在地熱井上安裝加壓泵浦,將地熱水抽出後,以蒸發器使之產生更大的蒸汽,之後經過二次循環產生適合發電的介質蒸汽,再導入氣渦輪機以帶動發電機,進而產生電力。通過汽渦輪機的蒸汽經過冷凝器冷卻;冷凝器的主要結構為冷卻塔,冷卻經過汽渦輪機的蒸汽,會讓冷卻塔產生水蒸汽和熱空氣,由上方的煙囱排出,下方凝結的冷水則由排水管排出;另外一方面,經過汽渦輪機的蒸汽經冷卻還原成水之後後,會經回灌井打入地底下,如此,地熱資源便可以生生不息,一再循環使用,不會有枯竭的問題,也沒有地層下陷的疑慮。


  林日照強調,該公司的這套「有機郎肯循環系統」是一套組裝的聯合系統,每一的過程的機器,購自最先進國家的不同廠商,都是挑選目前最頂尖、最有效率的機器,所以,運作效率才能達到最高。


  該公司執行董事王嘉慶指出,台灣地熱發電市場的潛力,不僅止於發電賣給台電,由於各溫泉區大小溫泉飯店林立,飯店營運成本最高的便是抽水的電費,常讓業者大吃不消。如果安裝小型的地熱發電機,可自給自足,省下可觀的電費,營收將可大幅提高。王嘉慶初估,溫泉飯店在安裝小型地熱發電機之後,約2-3年即可回收安裝的投資成本,之後,飯店的電力便可以「用免驚」。如果有剩餘的電力,還可以賣給附近的飯店、店家、住家,賺取外快;此乃該公司十分看重的市場。


 地熱發電的原理


   關於地熱能源的運用,可依溫度區分,一般而言,當地下水的溫度在30∼90℃時,可應用於烹飪、沐浴及暖氣設施;而若是從地下貯水層引取到90∼150℃的熱水與蒸汽的高壓水汽混合體時,則可用來發電。然而,地熱和溫泉不一定會劃上等號,有些地區蘊藏地熱,但不一定有地下水層,可先將高壓水灌注於地底下,俟其被地熱加熱而成為水蒸汽後再用於發電。

 

   地熱發電乃是應用地下的水蒸汽(Steam)來推動渦輪機(Turbine)旋轉,俾使發出電力,就其基本原理論之,係將地熱能轉變為機械能,再將機械能轉變為電能。而對於做為工作流體的高溫地熱水,通常採「閃化蒸汽處理」,也就是讓它因壓力驟降而迅速汽化,緊接導入低壓蒸汽渦輪機產生動力以發電。工作流體若為乾而高溫的過熱蒸汽,可直接通入渦輪機;若同時含有水蒸氣和熱水,則須先藉「汽水分離裝置」將二者分離,待水蒸氣推轉渦輪機後凝結為熱水,如果熱水溫度仍高,則可經閃化處理再利用或另作他途。


   很多地熱具有腐蝕性或容易使管路中積垢,因此而採行間接式發電,亦即先把地熱能經熱交換器轉移給工作介質﹝例如潔淨的水蒸汽、烷屬烴(Paraffin hydrocabon)類,三甲基甲烷﹞,使其成高壓高溫蒸汽,再輸入高壓汽渦輪機,以產生動力發電。 


   地熱發電大致上可分為4個類型:一、利用地熱蒸汽推動渦輪機發電,通常要經汽水分離的過程,這是目前比較主要的地熱發電方式;二、全流地熱發電,則一併利用地熱產生的所有蒸氣和熱水發電;三、雙循環熱交換地熱發電,又稱朗肯系統,是利用地熱蒸汽或熱水加熱低沸點的工作流體,推動汽渦輪機發電。經由水和水蒸汽循環不斷輸運地熱,形成熱管循環,經熱交換器加熱工作流體,工作流體不斷汽化和凝結,推動渦輪機,形成熱機循環;四、乾熾熱岩(Hot Dry Rock)地熱發電,這是1970年代美國科學家莫頓和史密斯提出的方法,隨著鑽井技術進步,這種使地熱發電更不受地點限制的方法逐漸受到重視,日本、英國、法國、德國、俄羅斯等國已相繼投入研究。