【地热专题】100 多年前点亮的五个灯泡,开启了地热再生能源奇蹟

【地热专题】100 多年前点亮的五个灯泡,开启了地热再生能源奇蹟

托斯卡尼经常被评价为义大利最美丽的地方,以其豔阳下美丽的风景和丰富的艺术遗产而着称。但少有人注意到托斯卡尼在 102 年前就发展再生能源,是世界地热发电的起点,拥有唯一一座人瑞级地热发电厂。原来托斯卡尼一带过去有活跃的火山活动,造就其在地热发展史的重要地位。台湾北部在北北基一带也有许多陆上及海底火山及岩浆活动,也具有极大的潜能。

拉尔岱雷罗 (Larderello) 位于托斯卡尼省,过去被称为恶魔谷 (Valle del Diavolo),当地的地热利用可追溯自罗马时期的硫磺泉洗浴泡汤,类似台北市北投温泉区,18~19 世纪则是从法国人 François de Larderel 开始由火山泥提炼硼酸成为当地产业。1904 年由出身佛罗伦斯的贵族、义大利着名化学家及发明家 Piero Ginori Conti 设计 10 kW 的地热发电试验,以高温蒸气推动发电机,点亮了 5 个灯泡。目前托斯卡尼 26% 的能源来自地热发电,约满足 200 万户家庭用电需求。

【地热专题】100 多年前点亮的五个灯泡,开启了地热再生能源奇蹟 由 Piero Ginori Conti 操作自己设计的 10kW 地热发电机。从第一座到加速扩充

1913 年世界第一座 250kW 的地热电厂仅耗时 2 年即在拉尔岱雷罗诞生,也是世界第一座再生能源电厂,当时为义大利国家铁路电力系统供电,是目前世界上唯一运转超过百年的地热电厂,长期以来由义大利国家电力公司 (Enel Green Power) 集团负责开发及营运托斯卡尼 34 座地热电厂,装置容量达到 774 Mwe,此处现有一座地热博物馆 (Larderello Geothermal Museum) 展示多项地热利用设备、地热井等古董,并且实际以地热发电供电。

2011 年起,托斯卡尼行政区内 16 家专业技术已臻成熟之地热发电技术厂商,经过竞标程序后取代 Enel Green Power 集团,如今多数已获得地热发电之开发权,于是 Enel Green Power 更积极在佛罗伦斯以南计划建立一座 40MWe 的地热电厂,预计 10 年内要其装置容量可扩充至 100MWe,显示义大利的地热发电团队专业程度越来越高。

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在拉尔岱雷罗地热博物馆 (Museo Della Geotermia) 展示的地热电厂模型。地热资源的探勘秘密

拉尔岱雷罗的地质条件有何特殊之处?为何能提供大量的地热蒸气进行发电?

地震学家以目前成熟的地震阵列网接收远处地震,在生产地热的中心区域发现「低速带」,「低速带」存在表示地下的岩体有许多富含流体的裂隙,使震波能量被消耗,因此延迟了 P 波(首达波)到达观测点的时间(走时),还可从地震波的走时异常,反推算出地下岩浆侵入体的空间位置。由于火山型地热田常具有地震群聚 (Earthquake swarm) 的现象,因此精确的地震定位可推测这块地热储集层 (geothermal reservoir) 的顶部在地下 6 公里,延伸到地下 20 公里深之上部地函 (upper mantle),并且具有低重力及高热流的特性,这一大块地热储集层促使地下 2 公里的流体被加热至摄氏 350 度,因此在缺乏地球物理探勘工具及现代地质学理论的年代就能开发出大量的地热能源。

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托斯卡尼阿米亚塔火山的三维地质图,由钻井探勘之地质资料及数位地形彙整成三维地质模型。蓝色区域以下即为地热储集层,可由此推估储集层结构及开发策略。(Source

虽然地热属于永续利用的再生能源,但部份拉尔岱雷罗生产井仍出现产能衰退,尤其在 1979 年发展回注技术以前,总热液流量是 1954 年尖峰流量的三分之一,进行回注 15 年后恢复到尖峰流量的二分之一 才持续使用至今,同样的情况也出现在美国加州盖瑟 (Geysers) 地热田。

1921 年美国加州盖瑟才出现世界第二座地热电厂,由当地度假村自行兴建的 250kW 发电站,迟至 1960 年才出现第一座 11Mwe 的商业地热电厂。盖瑟目前是全世界最大的地热田,装置容量达 1517MWe,但从 1987 年开始出现过度开发的警讯。1997 年盖瑟地热厂开始从 80 公里外的废水厂拉管回注处理后的生活废水,才使发电量提升到目前的 955MWe。

因此热水回注井是目前所有地热电厂的必要设备,地热地质专家根据水文地质条件设计回注井位置及深度,使回注流体能有效补注地热储集层。缺乏地热流体回注是清水地热电厂失败的主因之一,此技术在台湾仅有科技部于 2015 年在宜兰三星利用探勘井进行小规模的试验,引发一些无感地震,但现有「水利法规」及「放流水标準」未针对地热电厂的回注行为说明管理原则,将使主管机关陷入两难。

从创新中启发永续经营

近期 Enel Green Power 投入 1,500 万欧元的资金,在托斯卡尼完成全球首座整合地热蒸汽与生物质能 (biomass) 产出的混和 (Hybrid) 发电厂,藉由收集厂区半径 70 公里内所生产的生物质能,如农业废弃物、废木材等,由原本 150~160℃ 的地热流体迅速加热至 370~380℃,大幅提高蒸汽量週期的功效,发电量因此增加 5MWe 至 18 MWe,预计每年可减少 13,000 吨以上二氧化碳排放量。

另一个地热科技创新的例子也在欧洲。德国并没有板块边界,也没有活动中的造山带或活火山,但北部及南部均可发现温泉蹤迹,例如游人如织的巴登巴登(Baden-Baden)。德国直到 2003 年才在新城葛雷渥 (Neustadt-Glewe) 建立第一座 200kW 地热发电及热能共生厂 (Combined Heat and Power plant, CHP),短短 12 年间 2015 年德国的地热发电装置容量已经有 27.1MW,成长了 135.5 倍。

德国温泉地热的存在与沉积盆地缓慢的拉张活动有关,沉积盆地的拉张会形成高角度的正断层裂隙,形成温泉上涌的通道,类似于新北市金山万里温泉区。由于沉积盆地的地层孔隙里富含地热水,温度可从 40 度至 190 度,这样以热水为主的地热田无法利用蒸气涡轮推动发电机,因此要到近期有机朗肯循环 (Organic Rankine Cycle, ORC)(PDF 档),或卡林纳循环 (Kalina Cycle)等複循环发电机技术成本降低后,这种裂隙控制型的地热田(fracture-controlled geothermal field) 的开发潜力才受到重视。

【地热专题】100 多年前点亮的五个灯泡,开启了地热再生能源奇蹟

德国新城葛雷渥地热发电及热能共生厂的有机朗肯循环 (ORC) 发电设备近照。停滞脱节的再生能源政策

比较义大利与德国地热能源的发展进程,一个是快速发展后重新调整找出自然规律,再推动创新;一个是缺乏资源但用创新的态度及技术补足,再快速发展,与台湾过去发展科技产业的态度近似。但这两国能成功,归根于政策及融资上的诱因,才能造就的奇蹟。但在台湾,对于没有资源挹注的重要产业,就只能任其自生自灭,因而造成台湾再生能源产业的推动仍旧与国际社会脱节。

台湾大部份的地热资源也属于以热水为主的裂隙控制型地热田,自从 1993 年清水地热电厂结束,直到 2003 年由经济部通过「地热资源探勘补助要点草案」才重起炉灶。该草案规划的短程目标至 2008 年要推广 5MWe 装置容量的地热发电厂;中程目标至 2010 年要达到 50MWe;长程目标到 2020 年要达到 150MWe,但 12 年过去后,目前台湾仍旧没有一座地热发电机组併联供电,与国际发展趋势背道而驰。我将在第 3 篇专栏文章讨论如何改变及创新,使台湾成为第 25 个地热发电国家。

参考资料延伸阅读