地熱發電與誘發地震科學資訊

什麼是地熱發電與誘發地震?

 

地熱發電

地熱發電主要能源來自因地溫梯度變化而產生的溫度差。地溫梯度是指地底溫度會隨著下挖的深度而提高,根據過去的鑽井探勘紀錄,亦可發現類似的狀況。全球平均而言,每下挖一公里,溫度會上升攝氏30度,但若地底有火山或岩漿等活動,溫度上升速率將會增加。

其發電的原理是透過利用地熱來加熱水體(地下水或注入水體),產生蒸汽後,作為動能推動渦輪機旋轉發電。一般而言,鑽井的井口溫度達到攝氏80度即有發展地熱發電的潛能,超過130度即可直接用於發電(臺灣重要的地熱潛力區溫度分布在攝氏160-245度[1]之間)。

另外依據地熱的深度,可以分為淺層地熱(深度3公里內)與深層地熱(深度超過3公里),其中淺層地熱的發電成本較低,但有地質條件的限制,需要有多孔隙的岩層讓水流動。深層地熱則利用地底高溫,將注入的冷水加熱後,再產出熱水及蒸汽用來發電。

 

誘發地震(Induced Earthquake)

是指受到地表外部的人為因素的影響而引起的地震。這些可能的外部因素包含隕石墜落、油井灌水、油氣開採注入污水、水庫開發及蓄水等等,但這些因素只是提高地震發生的可能性,而非一定會引起地震。但若是因用強力炸藥、武器測試等瞬間能量爆發造成的震盪,屬於能量傳播,不再此範圍內。

在地熱發展所引發的誘發地震案例中,多為規模1-2級的誘發地震,且相對其他因素而言形成誘發地震的比例較低,因此沒有引起太多的討論。同時已有國家,如瑞士已對地熱開採的技術與工程著手進行改良,來控制因地熱開採而發生的誘發地震。

地熱發電技術有哪些?

以深層地熱開採而言主要有加強型地熱發電系統[2](Enhanced geothermal systems, EGS)與閉迴路熱量收集系統(Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG)[3]兩項技術,其簡易運作原理可參考下圖。[4]EGS是乾熱岩系統(Hot Dry Rock System)的改良,運作原理需建造灌注井直抵溫度達攝氏百度以上的無隙岩層,並以高壓將水注入,使岩層產生裂隙,以增加儲水空間,再以生產井導出熱水,使用蒸汽進行發電。

CEEG則是一種新的地熱發電技術,其概念約於1998年由波蘭籍教授Bohdan Maciej Zakiewicz提出,但過去因成本較高,多應用於家用型的系統。其原理是建立封閉式的管路,並於管路內進行冷水注入、加熱、回流的運作,其優點是可以避免與地層水接觸而產生污染,同時避免地質的局限與腐蝕結垢的問題。但此技術的缺點在於因為沒有與地層物質接觸,若熱傳導物質無法快速補給熱給井,對於電量的維持是一大挑戰。此外因現有技術問題,一口井單位時間內可容納的水不多,產出的發電量較有限,增設多個井則有成本問題需考量。

 

 

國際上地熱發電技術的發展

 

根據地熱能源協會(Geothermal Energy Association)的統計,2016年地熱發電量最高的國家為美國(3567MW)、其次為菲律賓(1930MW)、印尼(1375MW)、墨西哥(1069MW)、紐西蘭(973MW)。但地熱發電占比最高的國家為冰島,在國際能源總署(IEA)於2017年公布的電力資訊中,2016年冰島地熱總發電量為5.07(TWh)約佔其國家總發電量(18.55TWh)的27%。

韓國的地熱發電則初步開始啟動,在「韓國最具破壞性的地震可能是由地熱電廠引發」事件中提到的浦項(Pohang)地熱電廠是韓國的第一座地熱發電廠,於2011年開始建造,預計發電量為1.2MW。

 

臺灣目前的地熱發電發展現況

 

臺灣的第一座地熱發電廠則是於1981年建立的「清水地熱發電廠」,當時為國際間第14個擁有地熱電廠的國家,初期營運相當順利,但隨著因為地熱井結垢阻塞、管線鏽蝕等問題,無法維持發電量,於1993年關廠停止發電。隨著近年地熱發展再次受到政府的重視,2012年宜蘭縣政府一度希望能重啟清水地熱發電廠,但於2016年底才正式完成發包。此外2017年第一個由民間公司提起的地熱電廠環評案「宜蘭縣利澤地熱電廠」4月19日正式通過環評,預計於2025年完工。利澤地熱電廠預計使用CEEG技術,鑽井深度為6公里,裝置容量為101MW,預計完工後,每年可發8億度電。

更多的地熱相關知識可以參考

NEP II 地熱能知識網

科技大觀園

台灣地熱發展現況

地熱發電技術

地熱發電原理 

 


[1] 宋聖榮(2017)。〈臺灣地熱能源發展的現況、展望與困境〉,林俊全、周桂田(主編),《氣候變遷下的國家發展藍圖》,頁255-277。

[2] EGS在中文上沒有統一的用詞,加強型地熱系統或增強型地熱系統,兩種說法都有學者使用。

[3]CEEG技術係為採用閉迴路循環概念的地熱發電技術之一,也是目前臺灣進行地熱發電時考量使用之工法。在實際應用與設計上仍有其他地熱發電的技術,使用閉迴路循環概念進行設計,如歐洲企業Green Fire Energy的ECO2G等。

[4] 此圖參考國家型能源計畫第二期(NEP II)地熱能知識網對深層地熱發電技術介紹繪製。