地熱發電─介紹篇

發布時間:106年09月30日

資料來源:第二期能源國家型科技計畫 計畫辦公室

什麼是基載電力

基載電力指的是可長時間連續運轉、不受氣候影響、供應穩定且低成本之電力,如核能及燃煤火力。電力公司的標準做法通常會讓發電成本較低的「基載機組」滿載運轉,以滿足基本的電力需求,但同時必需讓部份「尖載機組」或「中載機組」保持待命的狀態,以隨時因應電力需求的變化。
(一) 基載:可長時間連續運轉,供應穩定且低成本之電力,如核能及燃煤火力。
(二) 尖載:可快速起動與停止,適時補足一天當中尖峰時期用電需求。如抽蓄電廠。
(三) 中載:介於基載與尖載之間,供應基載與尖載間的用電負載,如調整池水力、燃氣複循環機組等。

 

地熱是否有成為基載電力的潛能

地熱發電擁有穩定的供應能力,是可以當作基載電力的再生能源。台灣地處太平洋火山環帶,初步評估全國的地熱發電潛能約達32GW,包含730MW的淺層地熱與31GW的深層地熱,相當於11.7座核四廠的發電量。

 

何謂地熱發電(發電原理)

地熱發電是利用地熱來加熱地下水,轉變成蒸汽後,當做工作流體用以推動渦輪機旋轉發電。也就是將地熱轉換為機械能,再將機械能轉換為電能。地熱發電依深度可以分為淺層地熱和深層地熱。淺層地熱是在地下深度3公里以內,利用地熱加熱的熱水與蒸氣來發電。淺層地熱的鑽探成本比較低,可是有地質條件的限制,需要有多孔隙的岩層來讓水流動。深層地熱發電則是利用深度超過3公里的深層地熱,可以在地溫梯度地區進行發電,利用地底高溫將注入的冷水加熱後,再以生產井將熱水產出後使用蒸氣進行發電。

 

為什麼地底會發熱

地球內部能維持如此高溫,科學家推測主要是因為地球內部裡的放射性元素在衰變的過程中釋放出熱,讓地球內部可以保持熱度,最深處可達攝氏6000度,相當於太陽表面溫度。觀察過去的鑽探紀錄,可以知道地下溫度有隨深度的增加而升高的現象,這種地下溫度隨著深度增加而升高的比率,稱為「地溫梯度」。從地球最外層的地殼算起,平均往下挖一公里,溫度會上升攝氏30度,但是如果地底有其他熱源,像是火山活動與岩漿庫,那麼地溫梯度會上升比較快。

 

地熱系統的種類

依照地熱流體在儲集層中的形式,地熱系統可分成熱水型和蒸氣型兩種。全世界的地熱系統中蒸氣型約占1 0%,熱水型約占 9 0%。熱水型的地熱系統是以熱水存在儲集層中,溫度最高可達攝氏370度,低者則只有數十度。攝氏200度以上的地熱系統,因為熱水到達地面後,可以有1 0% ~ 3 0%轉變為蒸氣,所以比較有發電價值。蒸氣型則由地底高溫的熱源提供熱量,再加上岩層的低滲透性而形成。一開始原本是熱水型,水經高溫沸騰變成蒸氣,然後水位下降,又因熱水湧出量大於地下水注入量,慢慢轉變成蒸氣型。在蒸氣儲集層中是熱水與蒸氣共存。

 

深層地熱發電技術介紹

目前有兩種深層地熱發電的技術,分別是增強型地熱系統(Enhance Geothermal System, EGS)以及閉迴路熱量收集系統(Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG)。EGS利用灌注井將液體注入深層地層中,利用高壓使岩層產生裂隙以增加儲水空間,之後再以生產井將這些熱水產出,使用蒸氣進行發電。而CEEG是一種新穎的地熱取熱技術,一樣將管線鑽掘至深層地層,不過是使用封閉的管路。CEEG的管路設計是同軸內外雙管。冷水從外管往下流到地底,經地熱加熱至數百度高溫之後,再由內管輸送返回地表。

 

增強型地熱系統EGS的開發流程

首先要設立灌注井,把灌注井鑽至乾熱岩基盤中,基本上深度大於3公里。然後用高壓將水注入乾熱岩基盤製造裂隙,或把已經存在的裂隙撐大,以製造儲集層。必須持續把水灌注到乾熱岩基盤中,製造並撐開更大範圍的裂隙至整個開發中的儲集層,這是EGS開發的最關鍵階段。接著,要把生產井鑽至先前開發的裂隙系統,然後經由灌注井把水打入製造出的儲集層,再由生產井抽出熱水,汲取地底熱能。可鑽更多的生產井至儲集層,以汲取更大量的熱能來達到預先設定的發電量。

 

增強型地熱系統EGS是否會造成地震

美國地質調查局提到,地下水回填若符合兩個條件,就可能會引起地震:(1)高速 (2)大量,EGS如果要達到經濟規模(低電價),回填的水一定是高速且大量,就可能會引起地震。此外,初期透過灌注井將高壓液體注入深層地層中,使產生裂隙以增加儲水空間。由於這些注入地底的水在加熱過程中離開管路,流經地下岩層縫隙時會因侵蝕與壓力作用而導致縫隙擴大,長期以來有誘發人為地震的風險。

 

增強型地熱系統EGS是否會影響農用地下水

EGS主要是兩口井,一口抽取高溫水發電,另一口注入井補充地層損失的水源。深層地熱鑽探的深度超過3000公尺,中間還有很多不透水層阻隔,深層地層裡的水是經多年的累積而來,不會影響農用地下水(深度約200~400公尺)。


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