臺灣智慧型地熱能源系統

臺灣是一處發展淺層和深層地熱發電的良好場址。本文提出一個新概念:利用地下不同階段的溫泉水和蒸氣,來推動發電、氫能、熱導、溫泉和養殖等多種功能的智慧型地熱資源系統。

作者/王守誠(源興溫泉開發公司資深工程師)、李昭興(國立臺灣海洋大學應用地球科學研究所名譽教授)、高成炎(國立臺灣臺灣大學資訊工程學系教授)、李世勛(臺灣棕櫚地熱股份有限公司總經理)、高宏明(國立臺灣海洋大學應用地球科學研究所專案助理研究員)、董雲樵(董雲樵建築師事務所)

在臺灣有128處溫泉徵兆區(CGS, 2002), 其中20%為直接具有發電效益的高溫溫泉及沸騰溫泉, 溫泉溫度介於75~200℃。又有50%為中溫溫泉,溫度介於50~74℃。其他的30%,如果能夠加以現代科技,挖掘更深的地熱,使之達到發電系統所需要的70℃以上;又如果水源不足的地方,以回水灌注,使之在深層加溫,以供應發電和其他能源應用的需求。如此的地熱能源系統,配合智慧型的管理制度,使70~120℃的水用來發電或製造氫氣燃料電池;50~70℃的水用來加熱或作為反向熱導冷卻系統的熱源;40~50℃水供應舒適的溫泉;並且將大約30℃的水來提供溫水養殖;最後,經過妥善的過濾系統,再將回水灌入地層,使之地上和地下都是接近於零污染,而又能帶動發電、氫能、熱導、溫泉和養殖等多用途,是謂智慧型地熱能源系統(i-Geothermal Energy System,簡稱iGES,圖一)。

圖一:智慧型地熱能源系統。



由大學與民間合作, 來推動多功能的iGES智慧型地熱能源, 此乃本文的目標之一。根據估算,每處溫泉提供20 MW(MegaWatts)的發電容量,加上其他不同溫度的80 MW 能源效益,其成本只有核能機組的1/10。它不僅可以使臺灣早日進入「非核家園」,而且減少「二氧化碳排放」,是一項很智慧型的地熱能源系統。20 MW 的地熱發電除了供應溫泉業者外,還可以提供附近社區的大約3000 戶以上的家庭用電,締造和諧的社區關係。臺灣的板塊活躍,地震頻繁,提供大量的地熱能源,而每年平均3 公尺的降雨量,提供大量的地下水補注,因此適合發展智慧型地熱能源。地熱能源來自地下岩石圈,它是安全、穩定、可靠、無污染,而且用之不絕的能源。發展智慧型地熱能源,不但能降低臺灣目前99.4%來自進口的能源,而且也可以漸漸進入5000 公尺深層地熱能源,產生更具效力(例如100 MW 以上)和更大範圍的「加強型地熱系統」(Enhanced Geothermal System, EGS)或「迴路式地熱收集系統」(Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG),使之成為基載電力來源之一,而且也漸漸取代核能發電。

臺灣地熱發展的演進

隨著地質調查及休閒產業發展,臺灣的地熱徵兆區由1928 年的99 處增加到目前128處,經管溫泉業者達5000 家之多,而且數量隨著近年來觀光的開發,大量增長中。業者開發的方式由溫泉露頭的直接引水,演進為溫泉井的開挖,而溫泉井深度可達2000公尺之深。臺灣是快速隆起的造山帶,具有破碎帶和盲斷層等地震密集的特徵,因此縱算在非地熱徵兆區,也開始探勘出許多蘊藏的地熱資源。在1970~1980年代,臺灣曾針對泉水溫度超過80℃的溫泉區進行地熱探勘,並在宜蘭三星地區設立兩座地熱發電廠,土場雙循環式地熱實驗電廠及清水閃發式地熱電廠,後因石油危機解除、化石燃料成本降低,加上井管結垢嚴重降低發電容量,因此,當時尚未克服相關技術問題,就關閉這兩座地熱電廠,以致造成臺灣地熱發電領域長達30 年的人才和技術的斷層。

臺灣地熱資源的分布

工業技術研究院在2002年彙整溫泉探勘調查資料,按照溫泉露頭水溫的分布區間分為沸騰溫泉(溫度高於97℃)、高溫溫泉(75~96℃)、中溫溫泉(50~74℃)。其中,高溫溫泉及沸騰溫泉佔20%,分布在用電量最大的臺灣北部及風景最優美的臺灣東部及中部。中溫溫泉約佔50%,分布在臺灣西部山區,與臺灣造山帶斷層裂隙分布相關。溫泉溫度的差異是受到地下水與之混合的影響,而造成水溫下降。為此,可利用深井工程隔絕淺層地下水,提升溫度,因而仍可作為地熱發電之用。所以,臺灣大約70%的溫泉地熱資源,可以開發成為地熱發電和溫泉觀光雙贏的綠色新興產業。如果再引進最新的深層地熱發電( 亦即EGS 或CEEG), 鑽井至5000 公尺以下的地層,取更高溫的地熱(200~300℃),則臺灣幾乎遍地可以發展地熱發電及相關的能源產業,降低目前99.4%的進口能源比例。

根據2012 年能源國家型科技計畫,臺灣地熱蘊藏量具有7150 MW 的發電潛力,而目前全臺灣的總電力裝置量為48800 MW,相當於全國總能源裝置容量的14.65%。而根據經濟部民國100 年的資料,核能發電佔全國總電力裝置的比例為10.6%。臺灣未來是有很好的機會與條件,可以由地熱發電逐漸取代核能發電,而進入「環境保護基本法」所規劃的「非核家園」。

智慧型多功能地熱能源系統概念

我國「再生能源法」採用政府電力收購制度,來鼓勵民間開發再生能源。但以核能為優先的電力政策,對再生能源產生排擠,因此雖然有豐富的地熱資源及其他再生能源(風能、太洋能、海洋能和生質能),但幾乎遍地皆可開發的溫泉,卻也僅使用於觀光休閒,而沒有像日本和菲律賓等鄰國積極用於發電及其他熱能的利用。臺灣大約有5000 家溫泉業者,隨著休閒觀光業的發展,這個數目還在增加之中。如果政府能誘導溫泉業者以現代科技探勘,來開發地熱發電系統,積極開發利用70℃以上的溫泉資源,將可達到創造基載電力階級的再生能源及其他熱能的使用。階梯方式的地熱利用是由奧瑞岡理工學院(Oregon Institute of Technology) 於1964 年開始發展,70~120℃的水用來發電或製造氫能燃料;60~90℃的水用來加熱或作為反向熱導冷卻系統的熱源;40~60℃水供應舒適的溫泉;並且將大約30℃的水來提供高經濟水產養殖(如溫水養蝦和養鱉等);最後,經過妥善的過濾系統,再將尾水灌入地層,使之地上和地下都是接近於零污染。結合發電、氫能、熱導空調、溫泉SPA 和水產養殖等多用途利用方式,加上監測感應及互動管理系統,可成為能源利用效率最佳化的iGES 智慧型地熱能源系統,而且與綠色的低碳社區結合在一起。

地熱製氫的燃料電池

地熱發電除了有渦輪發電機及熱電效應之外,也可以利用「取之不絕」的地熱來製造氫氣。以氫氣做為燃料電池發電的原料,不僅發電過程不會製造汙染,而且燃料電池的發電效率可以高達40~60%(圖二),遠高於200℃以下機械式發電設備的物理極限大約為20%。有關燃料電池及氫氣製造等能源科技是熱門的研發領域,已經具備工業化量產的規模。此發電方式可以大幅降低地熱井的最小發電規模,或是增加地熱發電的容量。臺灣具有紮實的工業基礎及研發能量等良好的客觀條件,是值得推動的新領域。

圖二:再生能源與氫氣製造的示意圖。
(修改自:http://www.hgenerators.com/)

取代核能的智慧選擇

根據著名的信評機構穆迪(Moody’s)在2008 年的估算,核能電廠設置成本每百萬瓦(MW)需要7 百萬美元(大約2億新臺幣);目前核能成本已隨著環境安全問題及保險費用而更高。如果臺灣溫泉徵兆區每處產生20 MW 的發電容量,加上其他不同溫度階段的80 MW 利用創造低碳生活產業,相當於節省100 MW 以上的發電容量需求。以一個核能機組(1000 MW)的設置成本(大約2000 億新台幣)即可提供約100 處的地熱徵兆區,執行20 MW 的iGES 設廠計畫,並且創造更高的產值及發展技術。不僅使臺灣早日進入「非核家園」,並且減少「二氧化碳排放」。

地熱能源除了供應溫泉業者外,20 MW 的發電容量還可以提供附近社區的大約3000 戶以上的一般家庭用電,成為綠色低碳生活圈的推手,並締造和諧的社區關係。應用大學充沛的人才資源,加上民間活躍的經濟資源,並且引進國外的技術資源,來發展的臺灣新能源(圖三)。

圖三:臺灣北部陽明山國家公園內,大屯火山群的地熱分佈圖。大屯火山群由七個獨立火山亞群組成,火山構造(橘色)在地底加熱地下水層(藍色紅色漸層)而形成多樣性的溫泉。(圖片來源:聯興工程顧問股份有限公司提供。)


溫水養殖的附加價值

臺灣水產養殖的經驗相當豐富,大多是以高經濟價值的魚蝦類為主。溫水環境的魚蝦活動力較大,成長率也可提高。利用溫泉剩餘的30℃尾水,在溫泉會館施行小型的養殖事業,可充分提高地熱的應用價值。以世界上最大的淡水蝦——泰國蝦為例,牠的最佳生長的水溫為28~30℃,剩餘的溫泉水提供了牠的附加價值。

在臺灣北部或山區,冬天的水溫常常會低於20℃。在寒流侵襲時,水溫甚至可低到10℃以下,容易造成魚蝦的活力降低、成長遲緩、免疫力差、病變產生,甚者造成立即性的凍斃。接近「恆溫」的地熱餘溫,對於一般溫水養殖產業的發展提供了極佳的避風港。

結論

臺灣是快速隆起的活動造山帶,具有地震頻繁,以及破碎帶和盲斷層密集的特徵,因此非地熱徵兆區也開始探勘出許多地熱資源的蘊藏。地熱能源幾乎分布全島,有來自地下火山的、板塊碰撞的、和地質變質岩帶的。加上每年平均3 公尺的降雨量,提供大量的地下水補注,因此適合發展智慧型地熱能源。我們的結論:

(1)臺灣有128 處地熱徵兆區,有5000 家溫泉業者,而且這些數目正在增加之中。

(2)其中20%為沸騰和高溫溫泉區,分布在臺灣北部、東部和中央山脈地區。這些溫泉可以直接用來發電或製造氫氣燃料電池。120℃的溫泉水用來發電其效能大約只有20%,而用來製造氫氣其效能可提昇到40~60%。

(3)臺灣其他溫泉,大約有50%為中溫溫泉區,分布在臺灣西部麓山帶。如果我們利用深井工程隔絕淺層地下水的混合,提高水溫,這些仍然是可以作為地熱發電燃料電池之用途。

(4)未來,如果我們引進更新的深層地熱發電技術(EGS 和CEEG),則臺灣幾乎可以在任何需要電源的地方,蓋深層地熱發電工廠或氫氣製造工廠。

(5)利用階梯式的地熱能源使用方法,它可以發揮多功能的效果(例如發電、氫能、空調、溫泉和養殖),而且製造一個臺灣智慧型多功能的地熱能源新系統。

(6)利用民間活潑的投資能力,政府在政策上的鼓勵,加上大學充沛的人力資源,在臺灣重啟地熱發電是可行的。

(7)利用地熱能源來漸漸取代目前的核能能源,在臺灣是可以實現的。

(8)利用溫泉剩餘水來結合溫泉養殖是地熱能源的附加價值。

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延伸閱讀

1. Geological map of hot springs in Taiwan, Industrial Technology and Research Institute (in Chinese), Central Geological Survey, MOEA, 2002.
2. 陳文福等,《休閒溫泉學》,華都文化,2002年。
3. The Future of Geothermal Energy-Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21st Century, Massachusetts Institute of Technology, 2006.

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