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冰岛奈斯亚威里尔地热发电站
不同的地热能技术及用途
冰岛北部克拉夫拉的地热发电站

地热能(英语:geothermal energy)是由地壳抽取的天然热能,这种能量来自地球内部的熔岩,并以热力形式存在,是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达摄氏7000度,而在80至100公里的深度处,温度会降至摄氏650度至1200度。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳,热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热,这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法,就是直接取用这些热源,并抽取其能量

人类很早以前就开始利用地热能,例如在旧石器时代就有利用温泉沐浴、医疗,在古罗马时代利用地下热水取暖等、近代有建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶,但是,现代则更多利用地热来发电

地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。地热能是来自地球深处的可再生能源。地球地壳的地热能源起源于地球行星的形成(20%)和矿物质放射性衰变(80%)。[1][2]地热能储量比目前人们所利用的总量多很多倍,而且因为历史原因多集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度,那么地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用相当广泛。据估计,每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW·h。不过,地热能的分布相对来说比较分散,开发难度大。

地热

地热来源

地热来自于地球内部,地核散发的热量透过地幔的高温岩浆传达至地壳,“地热能”,简称“地热”。可供开发利用之地热一般发生在地壳破裂处,亦即板块构造边缘;台湾便是位于环太平洋地震带上,因此具有发展地热的良好先天条件。由于地壳板块推挤或扩张,造成火山活动,以致区域性地温升高,目前的技术只能在部分地质适宜的区域,针对集中在地壳浅部的热能予以开发利用,将来若能更进一步开发较深层的地热时,则热能源源不绝,地热常被称为永不枯竭的资源。

地热、地热区种类

常见的地热依其储存方式,可约略分为如下两种类型:

  • 水热型(又名热液资源):系指地下水在多孔性或裂隙较多的岩层中吸收地热,其所储集的热水蒸汽,经适当提引后可为经济型替代能源,即现今最常见之开发方式。
  • 干热岩型(又名热岩资源):系指浅藏在地壳表层的熔岩或尚未冷却的岩体,可以人工方法造成裂隙破碎带,再钻孔注入冷水使其加热成蒸汽和热水后将热量引出,其开发方式尚在研究中。

此外,另有在油田区受巨大地压而形成高温盬水之“地压资源”,但因仅出现在尚未固结或正进行成岩作用的深部沉积岩内,故不常见。

“地热区”(或称“地热田”)泛指具明显地热征兆的区域;举凡温泉喷泉或喷汽孔地区或高温岩石分布区皆可称之。由于地热与火山活动有直接或间接的关系,因此“地热区”依其成因可分类为火山性地热区和非火山性地热区两种。

地热发电

地热发电的基本原理乃利用源源不绝的地热来加热地下水,使其成为过热蒸汽后,当作工作流体以推动涡轮机旋转发电。

换言之,即将地热转换为机械能,再将机械能转换为电能;这种以蒸汽来旋转涡轮的方式,和火力发电的原理是相同的。
不过,火力发电推动涡轮机的工作流体必须靠燃烧重油煤炭来维持,不但费时且过程中易造成污染
相反的,地热发电等于把锅炉燃料都放在地下,只需将蒸汽取出便能够达到发电的目的。

对于做为工作流体的高温地热水,通常采“闪化蒸汽处理”,也就是让它因压力骤降而迅速汽化,紧接导入低压蒸汽涡轮机产生动力以发电。

工作流体若为干而高温的过热蒸汽,可直接通入涡轮机,若同时含有水蒸气和热水,则须先藉汽水分离装置将二者分离,待水蒸气推转涡轮机后凝结为热水,如果热水温度仍高,则可经闪化处理再利用或另作他途。发电系统末端之冷凝水经适当控温后排入河川,或回注地下以免造成地下水资源枯竭。

直接利用

2020年直接利用数据
国家 2020年利用量(MWt)

[3]

中国 40,610.000
美国 20,712.590
瑞典 6,680.000
德国 4,806.340
土耳其 3,488.350
法国 2,597.600
日本 2,570.460
冰岛 2,373.000
芬兰 2,300.000
瑞士 2,196.800
加拿大 1,831.280
荷兰 1,719.150
乌克兰 1,606.960
韩国 1,489.760
意大利 1,425.000
挪威 1,150.180
奥地利 1,095.780
匈牙利 1,023.700
波兰 756.000
丹麦 743.600
英国 524.700
新西兰 518.000
俄罗斯 433.000
巴西 363.450
印度 357.644
捷克 324.500
斯洛文尼亚 265.550
希腊 259.450
罗马尼亚 245.130
斯洛伐克 230.300
阿根廷 204.780
爱尔兰 200.870
墨西哥 156.113
泰国 128.510
澳大利亚 94.400
伊朗 82.224
葡萄牙 21.060
肯亚 18.500
萨尔瓦多 3.360
危地马拉 2.310
埃塞俄比亚 2.200
哥斯达黎加 1.750
菲律宾 1.670
巴布亚新几内亚 0.100

技术应用层面

支援地热发电开发的技术是多面向的,其主要涵盖能源生产技术、能源工程技术与其他相关技术三大领域。

能源生产技术

能源生产技术包括探勘技术、钻井技术与测井及储积工程技术。

  • 探勘技术:以经济、有效的方法,估计地热田的温度深度体积构造及其他特性,据以研判井位之选定,并推估其开发价值。
  • 钻井技术:钻井成本占开发地热的最大比例,亦可验证初步探勘之结果,经确认地热资源的赋存及生产特性后,由适当的完井技术在安全控制状况下开采。
  • 井测及储集层工程技术:完井后可作单井或多口井同时喷流之井测,利用取得的井下流体特性及地层资料,可以推断储集层的位置、深度、厚度、构造、储集范围、流体产状和产能,据以规划地热井的生产控制及地热田的开发与维护,作有效的利用。

地热发电使用的探勘方式

地热发电使用的探勘方式,包括地质调查、地球物理探勘、地球化学分析与钻井探勘等。

  • 地质调查:透过采集水样、岩石标本与取钻井岩心予以分析鉴定,以厘清各潜能区之地质构造,并建构区域水文模型。
  • 地球物理探勘:利用重力测勘、磁力测勘、大地电磁、震测、井下地震仪以及地温梯度等方法探勘地下构造,并探究地热储集层之温度、深度、范围、岩层孔隙率及渗透率等,以作为选定探勘井井位之依据。
  • 地球化学探勘:调查地热征兆区,采取水、汽及沉积物并进行化学分析,以研判地热水在深部可能状况,并依地化温度计推算深部温度。进行地热井水、汽之测试分析以确定地热流体品质,作生产控制及开发利用依据参照地表及井流地化特性,辅以同位素研究,研判地热潜能及地热系统型态。
  • 钻井探勘:利用钻井方法获得地热田之地质构造、地温梯度及地热流体赋存情形等资料,以供选定生产井井位之依据。

能源工程技术

能源工程技术包括发电技术、小型地热发电机研发技术与直接利用技术等。现今地热发电的发电技术有四种最主要的应用系统,分别是:全流发电系统、地热蒸汽发电系统、增强型地热发电系统与双循环发电系统。

  • 地热蒸汽发电系统:可细分为“干蒸汽式”发电,及“闪化蒸汽式”发电。前者的天然干蒸汽是最简便而有效的工作流体,只要由管线直接导入蒸汽涡轮机就可产生电力;后者如2.2所述,高温地热水经单段或多段闪化成为蒸汽,再由汽水分离装置去除热水,以蒸汽推动涡轮机发电。该系统之运用技术已趋成熟且安全可靠,是目前有地热发电最主要的形式。
  • 增强型地热发电系统:须先凿通两口深达数千米的深斜井,再将冷水注入其中一井,由干热岩层所提供的热能加热,并从另一口井取出加热后的热水及蒸汽,推动涡轮机发电。
  • 双循环发电系统:又称“双循环式”发电或介质发电系统。系以低沸点的物质(如:丁烷等)作为介质(即工作流体),与地热井产生的热流体借由热交换器达到加热,使其气化以推动涡轮机产生电力,且工首歌作流体可循环使用。值得注意的是,其中可作为介质的氟氯昂(Freon)因“蒙特利尔公约”之故,已全面禁用。
  • 全流发电系统:又称“总流式”发电。地热井产生的热流体,包括蒸汽及热水的两相混合体,同时导入特殊设计的涡轮机,由动能及压力能带动传动轴连接发电机以产生电力。

其他相关技术

  1. 地热能的直接热利用技术
  2. 地热水回灌技术
  3. 地热温泉水处理技术

各国使用地热资源概况

美国地热资源委员会英语Geothermal Resources Council(Geothermal Resources Council,GRC)1990年的调查,世界上18个国家有地热发电,总装机容量5827.55兆瓦,装机容量在100兆瓦以上的国家有美国菲律宾墨西哥意大利新西兰日本印尼。 根据再生能源政策智库REN21所发表的《2017全球可再生能源状况报告》,在2016年,全球约有400 MWe的新地热发电装置容量上线,相当于现行台湾所有种类发电机组总合(42132.5MWe)的百分之一,全球总地热发电装置容量也来到13500 MWe的新高,足以撑起三分之一个台湾的用电。截至2016年底,地热发电装置容量前十名的国家如下:美国(3600 MWe)、菲律宾(1900 MWe)、印尼(1600 MWe)、新西兰(1000 MWe)、墨西哥(900 MWe)、意大利(800 MWe)、土耳其(800 MWe)、冰岛(700 MWe)、肯亚(630 MWe)和日本(500 MWe)。

台湾传统地热共计27区,总发电潜能为989MW。目前主要潜能区有:大屯山、宜兰清水、土场、庐山、金仑、知本与瑞穗等七处。目前全台已商转电厂仅宜兰清水(结元能源开发)和台东知本(安葆电能)两处。[4]

开发考量

地热发电与火力发电相比,最显著的差异便是不需装设锅炉且节省燃料费。但若欠缺良好的热交换及其相关技术,不仅无法将珍贵的地热资源善加利用,反而易肇生设备毁坏或工安问题。

各种发电方法所产生的每单位电最所产生整体二氧化碳排放量[5]
发电方法 简述 每单位电量所产生的二氧化碳
(g CO2/kWhe))(百一分段价)
水力发电 假设利用水塘,不含水坝建设 4
风力发电 位于低成本陆地的情境,不含海上型 12
核能发电 以普遍的第二代核反应堆计算
不含更新型科技
16
生质燃料 18
聚光太阳能热发电 22
地热发电 45
太阳能电池 多晶硅太阳能电池
生产过程的碳排放
46
燃气发电 假设加装燃气涡轮
联合废热回收蒸汽发生器
469
火力发电 1001

优缺点

优点

地热发电跟火力、水力的发电原理相同,都是推动涡轮机使机械能转变为电能进而发电,其优点如下:

  • 地热能稳定,可以作为基载电力。
  • 过程安全。
  • 运转成本低:地热发电不需锅炉、燃料,故其运转成本可相对降低。
  • 附加价值多元化:地热能源除了可以发电外,尚可供温室农业栽培、建物空调、温泉沐浴等使用,亦同时兼具观光物理治疗等经济价值。

地热能源系属自产型之替代能源,其经济规模不但具备发展远景,且拥有能源供应稳定、产量适合开发等优点,还能与其他能源相互结合应用,节省相当大比率的其他燃料消耗,达到高温高效率的利用价值。

缺点

由于地热资源的开发,受环境先决条件之限制颇多,且开发过程中易造成环境污染,相对的其研究困难度也较大,因此即使在能源多仰赖国外进口的台湾,地热发电还是较少被考虑,其最主要的缺点如下:

  • 初设成本高:开发初期的探勘、钻井之费用极高,且所需相关技术之门槛皆极为严苛。供应源位置掌握不易,且持续供应量之稳定度难以精确计算。可能需要挖深井才能有足够的温度。
  • 技术要求高:例如抗腐蚀的管线会提高投资成本。
  • 环境负荷大:挖凿地热井将破坏地表自然景观并影响生态,对土地使用造成影响。
  • 工安管理风险高:发电时之蒸汽中可能带有毒性气体,热水中也可能溶有重金属等有害物质,对环境将造成污染;若曝露量高,工作人员甚至有遭受危害之虞。

增强型地热系统

增强型地热系统(enhanced geothermal system,EGS)是为解决在干热岩开发,所面临之挑战。干热岩因孔隙率及渗透率不佳,缺乏可直接利用的水资源,故透过水力压裂的方式制造人工裂隙,并从地表注入水资源,取回经地下高温加热后的蒸汽及热水,进行发电。[6]

增强型地热系统,因可透过人工方式制造裂隙,可使用深度范围则超过地下 3,000 米之热源。在正式开采前,为精确评估热源位置及资源量,经科研团队将该区探勘资料综整后,将会进行探勘井钻凿,取得进一步的地层资讯,以了解储集层概况,确认开采井位。[7]在工程规划上,至少将钻凿2口井,一口井为注入井,一口为生产井,透过注入井注入冷水,并取回经地下高温加热后的蒸气及热水进行发电。[8]

但是新兴科技例如水热钻机、等离子钻机的概念已经提出,钻井成本有望大幅下降,届时地热能不受位置和气候影响能提供24小时稳定基载电量的特性,建设时间、成本和大众疑虑又远低于核能;很有望成为最具竞争力绿色能源和全球暖化的解救方案。

超临界二氧化碳流体可以替代水作为工作流体将热量转送至地热发电厂,然后抽取其能量或推动涡轮机发电。

地热空调

地下有恒温的特性,除地表随季节略有变化、几百米深度以下开始有温度梯度,中间基本是一个恒温区,一般平均十五度左右,随地区及水文地质条件不同略有差别,这种蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能形式的地热能叫做浅层地热能或浅层地温能。其温度范围与人类所需要的暖通空调温度最为接近,夏季比冷却塔循环水温度低,冬季比室外温度高,故可以采用此特性在适合的地区,主要是利用热泵技术设计低耗能的冷暖空调系统,使房间保持在让人舒适的温度范围内。
采用浅层地热能的冷暖空调形式主要有两种:一种叫地源热泵,另外一种叫做水源热泵。
水源热泵有两种:多井系统和单井系统。多井系统就是一(多)个井抽、其他一(多)个井回灌,且需要定期回扬,主要是利用地下水中的能量;单井系统是通过控制井内结构,使抽灌都在同一个井内实现,主要是利用该井周边范围内岩土体及地下水中的能量;就构造上说,要比多井系统复杂,若某个系统中有多个单井,使用中可以当作多井系统使用。水源热泵系统,因为是一个开放的系统,人为的改变了地下水的原始状态,若缺乏科学的设计,会产生严重的后果。
地源热泵则没有这种担忧。地源热泵形式是利用埋在地下的密闭管道内的循环水(或其他液体),将地下土壤或岩层中的热量与管道内的水进行热交换,为热泵机组提供热源或热汇。有些条件下也可以没有热泵而直接将在地下循环的水作为热汇,给建筑室内提供空调。如果在地下循环的水的温度达到可以直接为建筑室内提供热源的程度,这种地下的温度情况应该叫做地热了。

参考文献

  1. ^ How Geothermal energy works. [2013-04-03]. (原始内容存档于2014-09-25).
  2. ^ Turcotte, D. L.; Schubert, G., 4, Geodynamics 2, Cambridge, England, UK: Cambridge University Press: 136–137, 2002, ISBN 978-0-521-66624-4
  3. ^ Lund and, John W.; Boyd, Tonya L., Direct Utilization of Geothermal Energy 2020 Worldwide Review (PDF), Proceedings World Geothermal Congress 2020, April 2020 [2020-04-26], (原始内容存档 (PDF)于2020-07-04)
  4. ^ 比風、太陽能更穩定的電就在腳底!, 天下杂志, 2021-05-03
  5. ^ http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Annex_II.pdf页面存档备份,存于互联网档案馆) see page 10 Moomaw, W., P. Burgherr, G. Heath, M. Lenzen, J. Nyboer, A. Verbruggen, 2011: Annex II: Methodology. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.
  6. ^ 地熱發電技術(四):地熱取熱技術 - 增強型地熱系統EGS. [2018-09-01]. (原始内容存档于2018-09-01).
  7. ^ 庄怡芳、施清芳、陈中舜. 地熱發電技術發展現況、趨勢與瓶頸. 能源简析. 2013.
  8. ^ 延長地熱井壽命,提升取熱效能--增強型地熱發電系統. [2018-09-01]. (原始内容存档于2018-09-01).

参见


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