【地熱專題】100 多年前點亮的五個燈泡,開啟了地熱再生能源奇蹟

作者 | 發布日期 2015 年 11 月 11 日 9:52 | 分類 環境科學 , 能源科技 follow us in feedly
Flickr/Lydur Skulason

托斯卡尼經常被評價為義大利最美麗的地方,以其豔陽下美麗的風景和豐富的藝術遺產而著稱。但少有人注意到托斯卡尼在 102 年前就發展再生能源,是世界地熱發電的起點,擁有唯一一座人瑞級地熱發電廠。原來托斯卡尼一帶過去有活躍的火山活動,造就其在地熱發展史的重要地位。台灣北部在北北基一帶也有許多陸上及海底火山及岩漿活動,也具有極大的潛能。




拉爾岱雷羅 (Larderello) 位於托斯卡尼省,過去被稱為惡魔谷 (Valle del Diavolo),當地的地熱利用可追溯自羅馬時期的硫磺泉洗浴泡湯,類似台北市北投溫泉區,18~19 世紀則是從法國人 François de Larderel 開始由火山泥提煉硼酸成為當地產業。1904 年由出身佛羅倫斯的貴族、義大利著名化學家及發明家 Piero Ginori Conti 設計 10 kW 的地熱發電試驗,以高溫蒸氣推動發電機,點亮了 5 個燈泡。目前托斯卡尼 26% 的能源來自地熱發電,約滿足 200 萬戶家庭用電需求。

Piero Ginori Conti Geothermal generator

▲ 由 Piero Ginori Conti 操作自己設計的 10kW 地熱發電機。(Source:Unione Geotermica Italiana

從第一座到加速擴充

1913 年世界第一座 250kW 的地熱電廠僅耗時 2 年即在拉爾岱雷羅誕生,也是世界第一座再生能源電廠,當時為義大利國家鐵路電力系統供電,是目前世界上唯一運轉超過百年的地熱電廠,長期以來由義大利國家電力公司 (Enel Green Power) 集團負責開發及營運托斯卡尼 34 座地熱電廠,裝置容量達到 774 Mwe,此處現有一座地熱博物館 (Larderello Geothermal Museum) 展示多項地熱利用設備、地熱井等古董,並且實際以地熱發電供電。

2011 年起,托斯卡尼行政區內 16 家專業技術已臻成熟之地熱發電技術廠商,經過競標程序後取代 Enel Green Power 集團,如今多數已獲得地熱發電之開發權,於是 Enel Green Power 更積極在佛羅倫斯以南計劃建立一座 40MWe 的地熱電廠,預計 10 年內要其裝置容量可擴充至 100MWe,顯示義大利的地熱發電團隊專業程度越來越高。

Museo Della Geotermia

▲ 在拉爾岱雷羅地熱博物館 (Museo Della Geotermia) 展示的地熱電廠模型。(Source:toscana oggi

地熱資源的探勘秘密

拉爾岱雷羅的地質條件有何特殊之處?為何能提供大量的地熱蒸氣進行發電?

地震學家以目前成熟的地震陣列網接收遠處地震,在生產地熱的中心區域發現「低速帶」,「低速帶」存在表示地下的岩體有許多富含流體的裂隙,使震波能量被消耗,因此延遲了 P 波(首達波)到達觀測點的時間(走時),還可從地震波的走時異常,反推算出地下岩漿侵入體的空間位置。由於火山型地熱田常具有地震群聚 (Earthquake swarm) 的現象,因此精確的地震定位可推測這塊地熱儲集層 (geothermal reservoir) 的頂部在地下 6 公里,延伸到地下 20 公里深之上部地函 (upper mantle),並且具有低重力及高熱流的特性,這一大塊地熱儲集層促使地下 2 公里的流體被加熱至攝氏 350 度,因此在缺乏地球物理探勘工具及現代地質學理論的年代就能開發出大量的地熱能源。

Ami Yatta volcano

▲ 托斯卡尼阿米亞塔火山的三維地質圖,由鑽井探勘之地質資料及數位地形彙整成三維地質模型。藍色區域以下即為地熱儲集層,可由此推估儲集層結構及開發策略。(Source:www.mdpi.com

從錯誤中學習如何永續經營

雖然地熱屬於永續利用的再生能源,但部份拉爾岱雷羅生產井仍出現產能衰退,尤其在 1979 年發展回注技術以前,總熱液流量是 1954 年尖峰流量的三分之一,進行回注 15 年後恢復到尖峰流量的二分之一 才持續使用至今,同樣的情況也出現在美國加州蓋瑟 (Geysers) 地熱田。

1921 年美國加州蓋瑟才出現世界第二座地熱電廠,由當地度假村自行興建的 250kW 發電站,遲至 1960 年才出現第一座 11Mwe 的商業地熱電廠。蓋瑟目前是全世界最大的地熱田,裝置容量達 1517MWe,但從 1987 年開始出現過度開發的警訊。1997 年蓋瑟地熱廠開始從 80 公里外的廢水廠拉管回注處理後的生活廢水,才使發電量提升到目前的 955MWe。

因此熱水回注井是目前所有地熱電廠的必要設備,地熱地質專家根據水文地質條件設計回注井位置及深度,使回注流體能有效補注地熱儲集層。缺乏地熱流體回注是清水地熱電廠失敗的主因之一,此技術在台灣僅有科技部於 2015 年在宜蘭三星利用探勘井進行小規模的試驗,引發一些無感地震,但現有「水利法規」及「放流水標準」未針對地熱電廠的回注行為說明管理原則,將使主管機關陷入兩難。

從創新中啟發永續經營

近期 Enel Green Power 投入 1,500 萬歐元的資金,在托斯卡尼完成全球首座整合地熱蒸汽與生物質能 (biomass) 產出的混和 (Hybrid) 發電廠,藉由收集廠區半徑 70 公里內所生產的生物質能,如農業廢棄物、廢木材等,由原本 150~160℃ 的地熱流體迅速加熱至 370~380℃,大幅提高蒸汽量週期的功效,發電量因此增加 5MWe 至 18 MWe,預計每年可減少 13,000 噸以上二氧化碳排放量。

另一個地熱科技創新的例子也在歐洲。德國並沒有板塊邊界,也沒有活動中的造山帶或活火山,但北部及南部均可發現溫泉蹤跡,例如遊人如織的巴登巴登(Baden-Baden)。德國直到 2003 年才在新城葛雷渥 (Neustadt-Glewe) 建立第一座 200kW 地熱發電及熱能共生廠 (Combined Heat and Power plant, CHP),短短 12 年間 2015 年德國的地熱發電裝置容量已經有 27.1MW,成長了 135.5 倍。

德國溫泉地熱的存在與沉積盆地緩慢的拉張活動有關,沉積盆地的拉張會形成高角度的正斷層裂隙,形成溫泉上湧的通道,類似於新北市金山萬里溫泉區。由於沉積盆地的地層孔隙裡富含地熱水,溫度可從 40 度至 190 度,這樣以熱水為主的地熱田無法利用蒸氣渦輪推動發電機,因此要到近期有機朗肯循環 (Organic Rankine Cycle, ORC)(PDF 檔),或卡林納循環 (Kalina Cycle)等複循環發電機技術成本降低後,這種裂隙控制型的地熱田(fracture-controlled geothermal field) 的開發潛力才受到重視。

ORC

▲ 德國新城葛雷渥地熱發電及熱能共生廠的有機朗肯循環 (ORC) 發電設備近照。(Source:wiki

停滯脫節的再生能源政策

比較義大利與德國地熱能源的發展進程,一個是快速發展後重新調整找出自然規律,再推動創新;一個是缺乏資源但用創新的態度及技術補足,再快速發展,與台灣過去發展科技產業的態度近似。但這兩國能成功,歸根於政策及融資上的誘因,才能造就的奇蹟。但在臺灣,對於沒有資源挹注的重要產業,就只能任其自生自滅,因而造成臺灣再生能源產業的推動仍舊與國際社會脫節。

台灣大部份的地熱資源也屬於以熱水為主的裂隙控制型地熱田,自從 1993 年清水地熱電廠結束,直到 2003 年由經濟部通過「地熱資源探勘補助要點草案」才重起爐灶。該草案規劃的短程目標至 2008 年要推廣 5MWe 裝置容量的地熱發電廠;中程目標至 2010 年要達到 50MWe;長程目標到 2020 年要達到 150MWe,但 12 年過去後,目前台灣仍舊沒有一座地熱發電機組併聯供電,與國際發展趨勢背道而馳。我將在第 3 篇專欄文章討論如何改變及創新,使台灣成為第 25 個地熱發電國家。

參考資料

延伸閱讀

(首圖來源:Flickr/Lydur Skulason CC BY 2.0) 

發表迴響