歐洲的心臟,工業 4.0 也用在地熱上

作者 | 發布日期 2017 年 03 月 08 日 13:32 | 分類 環境科學 , 能源科技 follow us in feedly

由於能源專家也極少知道德國在地熱發電及利用上的進展,工業 4.0 的推動者也不大知道地熱能源上的應用,但像德國這樣缺乏火山、地震的國家,2007 年才開始發展地熱,2010~2016 年的發電規模已經成長近 6 倍,對於擁有豐富地熱的台灣而言,不啻是一個重要指引。



借用旅居柏林林育立先生的新書書名《歐洲的心臟:德國如何改變自己》,內容提到許多德國能源轉型過程的重要轉折,正確的能源政策成就了公眾投入能源轉型的新產業,高效率的政策不是一蹴可及,而是逐步凝聚大眾對能源議題的共識,發揮在各種可應用的再生能源上;「工業 4.0」也是德國產業界挑戰的目標,透過深厚的自動化技術加上智慧感應系統,由客戶端視角找出隱藏需求、加以填補,利用資料分析去解決或避免看不見的問題,軟硬體同時升級以創造真正的服務價值。

德國發展地熱的過程及策略

眾所皆知西歐各國極少發生地震,地質上屬於非常穩定的大陸地殼,德國南部雖然有知名的溫泉觀光勝地 Baden-Baden,但少有人認為德國具有地熱發電的條件。德國最早在 2007 年才開始將地熱能以有機朗肯循環(Organic Rankine cycle,ORC)的發電機組發電,在 2010 年已有 7Mwe,至 2016 年則已有 42.5MWe,6 年間增加近 6 倍。

成果資料公開透明

如何能讓投資者有信心?政府將地熱探勘資料的蒐集及公開展示是一種有效的策略,德國的 GEOTIS 地熱資料庫是任何人可免費授權使用的資料庫,由德國聯邦環境部(BMU)委託萊布尼茲應用地球物理研究所(the Leibniz Institute for Applied Geophysics,LIAG)設立,所有人都可透過網路介面查詢探勘成果資料、鑽井資料、地熱電廠技術及規格,也探勘井資料甚至涵蓋石油公司的探勘井及油氣井,因此民間投資者可深入了解目標區域的地熱條件。

除了德國以外,根據環保組織國際再生能源機構(IRENA)出版的《從全球再生能源地圖看地熱策略》(Geothermal Strategy for the Global Renewable Energy Atlas),全球至少已有 24 個國家以網路資料庫形式公開地熱探勘成果(表 1),其中包含對岸中國,對於已建有「地質資料整合查訊系統」的中央地質調查所而言,整合台灣的地熱資料應該需要加速進行。1231233

▲ 表 1. 全球各國公開的地熱資料庫清單。(Source:Geothermal Strategy for the Global Renewable Energy Atlas)

以工業 4.0 克服地熱開發的技術問題

由於地熱發電的穩定性及安全性,德國政府透過研究單位──德國國家地球科學研究中心(Geo Forschungs Zentrum,GFZ),進行地熱發電的工程技術及探勘技術的研發,GFZ 是 1992 年由德國聯邦政府所成立的大型科學研究機構,可直接向政府進行政策建議,在德國學術界扮演重要角色並富盛名。該中心人員近 1,200 人,其中有近 500 名科學家及逾百名博士研究生。2016 年 7 月底時曾由執行長胡托(Prof. Dr. Reinhard Hüttl)率相關專家訪台強化台德雙方在地震和土石流等天然災害防範、地熱能源研究研究合作等交流機會。

GFZ 在地熱研究上最知名的研發投資是委託海瑞克集團(Herrenknecht AG)開發自動化深鑽機(Innova Rig),成為地質科學研究的先進設備,也支援許多民間地熱案的鑽井工程,由於高度自動化的設計可大幅減少鑽井工班人數,後來也成為海瑞克集團知名的外銷機具。地熱生產井深度普遍在 1,000~3,000 公尺內,主要為了避免鑽井成本及風險過高,但從 GEOTIS 的資料顯示,德國的地熱生產井深度集中在 3,500~4,500 公尺,從此可以看出德國科學家在評估地熱發電時,已經考慮優先投入減少鑽井成本及風險的技術,善用產業的優勢佈局自動化深鑽機設備,現已成為地熱發電的關鍵工程技術。

鑽井有風險,所以有保險

地熱鑽井與石油鑽井都是以鑽井取得礦產資源,但是地熱流體可以透過生產井與回注井的搭配形成循環使用的地熱系統(geothermal system),大幅度延長地熱電廠的營運時間,世界銀行在 2013 年出版的《地熱井的成功案例:全球研究》(Success of Geothermal Wells: A Global Study),國際上三千多口地熱井資料的分析,生產井的總成功率約 78%,但在初期的成功率僅 50%(圖 1),但這種結論還不適用於缺乏地熱井施工經驗及設備規格的台灣;石油井的探勘成功率較地熱井低一些,在導入三維探勘調查技術前僅 25%,導入後可達到 50%(Jose Camara Alfaro, et al. 2007),油井附近也可能在壓力枯竭時鑽回注井,以迅速灌注大量水或二氧化碳增加儲集層的孔隙壓,稱為激勵採油技術(Enhanced Oil Recovery,EOR),這種回注井也是美國目前熱門議題人工誘發地震(artificial earthquakes)威脅的主因。1234

▲ 圖 1. 在各開發階段,全球地熱生產井開發成功率變化。(Source:Success of Geothermal Wells: A Global Study)

由於油井開發具有風險,因此在我國可利用《石油基金》分擔石油探勘業近半的開發風險(只有中油公司與台塑公司具有申請資格),由於石油天然氣產業都是富可敵國的大企業,分攤探勘風險的制度是相當普遍;但在地熱領域上,德國的銀行及保險公司也嗅到這一塊商機,領先全球佈局地熱風險分攤制度,以東非肯亞近年快速提高地熱發電為例,主要是由世界銀行及慕尼黑銀行的攜手提供建立跨國地熱補助的機制,稱之為地熱風險降低基金(Geothermal Risk Mitigation Facility,GRMF),兼具我國經濟部《地熱探勘補助要點》及《石油基金》的性質,並搭配上慕尼黑再保險公司(Munich Re Group)的地熱鑽井保險(Geothermal Drilling Insurance),這些風險基金及補貼制度也催生出「地熱技術審查委員會」,由國際的地熱專家協助審查各公司提出的地熱發電計畫的可行性,使得缺乏探勘資料、工程經驗、專業人才、先進技術的地熱資源處女地,仍吸引國際專業地熱團隊進行調查、探勘、開發,並利用健全的財務保險機制處理高風險的資金問題。

慕尼黑市區已完成地熱探勘工作

德國除了在開發先進鑽井技術位居世界領先地位,另外在地熱資源探勘上也具有卓越的實力,主要原因是德國本來在地球科學領域就具有紮實傳統,更由於「能源轉型」已是全民共識,因此能極為迅速將先進的地球物理技術應用於地熱資源探勘上。慕尼黑的能源轉型目標是在 2040 年完成 100% 的再生能源,由於地熱能源的熱電聯產(Combined Heat and Power,CHP)是重要的再生能源,因此他們委託專業團隊進行 170 平方公里的三維震測探勘工作,建立地熱開發的基礎調查資料。

位於德國南部巴伐利亞的慕尼黑,並不是德國地熱資源最豐富的地區,讀者可參考德國地熱分布圖(圖 2),其地質條件與台灣西部造山帶前陸盆地相似,其地熱主要倚靠隨深度增加的地溫梯度,過去中油公司在台灣西部的深井在 3,000~5,000 公尺也有攝氏 150 度以上的高溫。12345

▲ 圖 2. 德國的地熱分布圖,引述自 Suchi et al.,copyright 2014 Leibniz Institute for Applied Geophysics(LIAG)。

2016 年 3 月德國 DMT GmbH & Co. KG 宣布完成慕尼黑市區的三維震測探勘,有興趣的讀者可以參考探勘過程的影片,地熱震測探勘與石油公司的震盪震源探勘(Vibroseismic survey)相似,但是 DMT 公司與萊布尼茲應用地球物理研究所(LIAG)合作開發剪力波(shear wave)的震源,稱為 SHOVER 法,主要應用的原理是剪力波震源對於地下流體非常敏感的特性,可提供高解析的地下流體空間資訊,有了清楚的地下地質資訊,地熱專家就可以選擇風險最低的生產井位置,以及設計回注井位置及深度,使得回注井的流體可連通到生產井(圖 3),對於德國地熱開發詳細的說明,讀者可參考 Agemar et al.(2014)的公開取用論文。123456

圖 3. 德國地熱系統及應用概念圖(Agemar et al., 2014)。

參考文獻:

  1. Jose Camara Alfaro, Chris Corcoran, Kevin Davies, Francisco Gonzalez Pineda, Gary Hampson, David Hill, Mike Howard, Jerry Kapoor Nick Moldoveanu, Ed Kragh. Reducing Exploration Risk, Oldfield Review, 2007.
  2. Suchi, E.; Dittmann, J.; Knopf, S.; Müller, C.; Schulz, R. Geothermal Atlas to visualise potential conflicts of interest between CO2 storage (CCS) and deep geothermal energy in Germany. Z. Dt. Ges. Geowiss (ZDGG). 2014. vol. 165
  3. Thorsten Agemar , Josef Weber and Rüdiger Schulz. Deep Geothermal Energy Production in Germany. Energies 2014, 7(7)

(首圖來源:Flickr/mmmmngai@rogers.com CC BY 2.0)

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