從冰島二氧化碳封存計畫談地熱能源科技的新進展

作者 | 發布日期 2016 年 07 月 11 日 12:00 | 分類 環境科學 , 能源科技 follow us in feedly
下載自路透
View of the Hellisheidi geothermal power station, about 34 km (21 miles) from capital Reykjavik, June 1, 2008. This latest power station currently produces 125 MW of electrical energy, which will increase in the future. Climate change, stoked by human use of fossil fuels, has focused attention on Iceland's energy innovations and created demand for its ideas and expertise in fields such as geothermal energy and fuel technology. REUTERS/Ints Kalnins (ICELAND) - RTX6EUR

最近冰島最大的地熱電廠 Hellisheiði 上了國際新聞,但原因是他們成功證實二氧化碳(CO2)可以在兩年內礦化封存在玄武岩中。這項世界首例的成就因而刊登上科學界頂尖的期刊《Science》。 Hellisheiði 地熱電廠只是世界第三大的地熱電廠,且發電裝置容量達 303 Mwe。



地熱發電過去受到傳統能源開發集團的壓抑及排擠,技術研發及投資遠遠不如傳統能源,甚至還比不上同樣屬於再生能源的太陽能及風電產業。然而近幾年美國能源部正協助地熱產業及學術單位研發新技術,以提高地熱開發的成功率及降低開發地熱的成本,期望增加美國廠商的全球競爭力。

「碳收集及儲存」(Carbon dioxide Capture Storage,CCS)是一種從石油開採工程所演變出來的減碳技術,將二氧化碳注入到儲油層中提高壓力及降低黏滯性,以提高石油產量,CO2 則可封存在地層中,經過數千年後完全成為礦物固化。但冰島則由一群科學家利用地熱電廠現有的設施,從 2012 年開始試驗另一種礦化 CO2 的地球化學反應,科學家將地熱電廠無法用於發電的不凝結氣體 CO2 及硫化氫(H2S)集中收集,利用地熱電廠的回注井將 CO2 及水一併回灌到風化玄武岩地層,利用玄武岩中的鐵鎂礦物與 CO2 及水產生的礦化反應,由於 CO2 加水就是碳酸,碳酸解離形成的氫離子與矽酸鹽產生反應,矽酸鹽中的金屬離子與碳酸根離子形成碳酸鹽礦物(Rober et al.,2012)。

Hellisheiði 地熱電廠共有 61 口生產井及回注井,除了發電供應冰島首都雷克雅維克的用電外,也將利用 7 公里的管線將熱水供應至城市用於供暖,熱功率高達 133 MWt,目前冰島有 68% 的能源消耗是仰賴地熱能,但 Hellisheiði 電廠的碳排放量只有同規模燃煤電廠的 5%,每年約 40,000 噸(圖1)。美國及冰島科學家合作進行 CarbFix 計畫,選擇在地熱電廠分離的二氧化碳溶於水中,再回注至 400~800 公尺深的地底,共有近 250 噸的 CO2 及 H2S 氣體被回灌(圖2),其中 95% 的 CO2 都固化成碳酸鹽礦物,形成的礦物類似澎湖特產文石。(圖3)

外稿

▲ 基載能源生命周期碳排放量比較(Baseload Renewable Energy Summit, 2016)。

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▲ 計畫主持人Juerg Matter 站在 CarbFix 計畫初期的回注井旁。(Source:MIT Technology Review

www.ldeo.columbia.edu

▲ CO2 礦化後經由鑽探取出的岩心樣本。(Source:ldeo.columbia

台灣科技部的國家能源計畫的「淨煤」主軸計畫也積極順應世界潮流,投入資源研發在鹽水層儲存二氧化碳的技術,並且預估到了 2020 年及 2040 年,CCS 成本分別達每噸 60 美元及 30 美元。而冰島的例子則已經達到每噸 30 美元的水準(Lamont-Doherty Earth Observatory,2016),提供商業化 CCS 可行的方式,或許大屯火山群未來要開發地熱資源,設置地熱電廠也可以妥善利用安山熔岩流地質條件進行 CCS 的實驗。

美國近期的地熱發電並未像紐西蘭、土耳其、肯亞等國大幅增加,主要原因是 70 年代即大量開發探勘較簡易的地熱資源蘊藏地區。但在地下 4 公里的地層內,仍有開發成本雖然較高,但數量上相當龐大的潛在永續能源,因此美國能源部協助各專業領域的地熱公司投入研發計畫,在 2014 年宣布提供 3.38 億美元獎勵資金,用於探索開發新的地熱蘊藏區,研究先進的地熱技術。這些資金涵蓋範圍包括 39 個州的 123 個項目,受益者包括民營企業、學術機構、地方政府和美國能源部國家實驗室等,由非聯邦資金或私人基金提供額外的 3.53 億美元用於研發計畫(周韋慧,2015),因此研發計畫規模近 7 億美元。在 2015 年的研發成果包含先進的鑽井技術、抗腐蝕材料、探勘資料處理分析、地熱海水淡化技術、地熱滷水有價成分提煉等(2015 Annual Report Geothermal Technologies Office,2016)。

反觀國內現階段科技部在「深層地熱」主軸計畫每年僅投入不足一億的經費,且以地熱徵兆探勘的花費為主,而非與產業合作培養具有國際競爭力的關鍵技術,對於未來 9 年要開發 600MWe 的再生能源目標而言,值得科技部主管機關在策略規劃上深思。

(首圖來源:達志影像) 

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