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延長地熱井壽命,提升取熱效能--增強型地熱發電系統

2012/11/05 經濟部能源局 點閱人次: 176

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▓撰文:劉力維、李伯亨、謝瑞青、郭泰融 ▓圖片提供:劉力維

世界各國持續推動溫室氣體減量,積極開發利用再生能源來取代資源有限且對環境造成污染的化石能源,而地熱能源即為可替代化石能源之一。臺灣位於西太平洋火環帶上,具有豐富的地熱資源,初步評估國內地熱發電潛能可達32GW(包括淺層傳統地熱1GW與深層地熱31GW),由於地熱資源具備潔淨、穩定的特性,為我國未來可積極開發的再生能源之一。

地熱發電系統

地熱系統依據開採方式可分為:傳統地熱系統(或稱淺層地熱系統)、非傳統地熱系統兩種。傳統地熱系統依據溫度可分為:低溫、中溫及高溫系統,目前大部分國家已開採或開採中之地熱均屬之,多與地表地熱徵兆相關,分布範圍有限。另一種非傳統地熱系統包含:增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System or Engineered Geothermal System, EGS)及超臨界地熱系統(Supercritical Geothermal System, SGS),乃利用自然的地溫梯度,鑽鑿深度通常超過3,000公尺,因而較不受地形及地層條件影響,相關資訊請參考表1。

增強型地熱系統

增強型地熱系統又稱為深層地熱系統,係利用自然的地溫梯度,往地層深處鑽井,達到高溫的地層後,利用人工注入流體方式,將深層的地熱能利用流體帶至地表,加以開發利用。

深層地熱的開發,可應用於一般性的地溫梯度地區(一般地溫梯度30℃╱km),突破以往地熱資源僅侷限於特定地熱區的制約,達到有效利用地球內部之熱能,並提供低污染、可永續利用之能源替代方案。近年來由於鑽鑿技術與材料、人工製造裂隙技術及量測技術的提升,開發深度可達3,000公尺以上之高溫岩體熱能,已逐漸成為可行之技術。增強型地熱系統開發流程如下(詳圖1):

一、鑽鑿一口注入井(深度超過3,000公尺)。

二、於目標深度段之上方及下方,使用2組封塞器(Packer)。

三、以水力破裂方法灌注高壓流體於目標岩層,使流體壓力大於岩層張應力強度,進而產生多條裂隙的人工熱儲集層。

四、地表架設的微地震監測儀(st1、st2及st3),接收因水力破裂所造成的震動信號,分析岩石裂隙的發育位置及延伸方向。

五、由微地震監測資料研判裂隙發展方位而鑽鑿另一口生產井(使兩口井藉由人工裂隙而彼此相連)。

六、由注入井注入流體流經裂隙吸取熱能。

七、注入流體經過加溫後,由生產井回至地面推動渦輪機,帶動發電機發電。

臺灣地熱資源開發問題與技術發展

臺灣地熱資源開發所面臨的主要問題包含:管線結垢及水源不足等問題,以上兩種問題均與發電效率及電廠經營息息相關。工研院地熱團隊針對地熱資源開發之問題,研究發展出結垢抑制及地熱增強型發電技術,以期達到延長地熱井的壽命、提升取熱效能及降低維護成本之目標。相關技術說明如下:

結垢抑制技術

臺灣宜蘭清水地熱區屬於變質岩地層,其地熱流體的化學組成使得地熱能的開採存在結垢問題,結垢問題直接衝擊熱液產能進而影響發電成效,工研院的研發團隊乃發展相關結垢抑制技術,包括:無污染之機械清除系統及結垢抑制系統(Calcite Inhibition System, CIS),藉由抑制結垢物於生產井及管路中生成並避免累積阻塞,以維護發電產值及降低井的維護成本。

地熱增強型發電技術,搭配井下熱交換器

臺灣變質岩地熱區淺層即具可開採價值之中低溫型地熱能,唯熱液產量不足,無法有效將熱能取出。針對此問題,工研院團隊研發適用於中低溫型地熱之有機朗肯循環系統(Organic Rankine Cycle System, ORC)(圖2),另外搭配「井下熱交換器(Downhole Heat Exchanger, DHE)」(圖3),整合為可提升取熱效率之地熱增強型發電系統。

地熱增強型發電系統的工作原理為:井下熱交換器的內部填充工作流體,此工作流體在井下加熱後,經由密閉管路返回至地表有機朗肯循環系統內之蒸發器形成高壓氣體,進而作功發電。此井下熱交換系統與生產井中之地熱流體並不直接接觸,可有效解決地熱區因水源不足及結垢生成導致發電量衰減的問題,使地熱能永續生產經營。

臺灣增強型地熱系統開發優勢

臺灣淺層地熱資源(傳統地熱系統)受限於地形與水文的影響,開發規模受到限制;有鑑於此,臺灣應儘早啟動增強型地熱系統之開發與應用,以有效提升國內地熱再生能源之利用率。臺灣發展增強型地熱系統相較於國際間的優勢如表2所示,由於臺灣位處西太平洋火環帶上之板塊擠壓區,地溫梯度相對較高,因此鑽鑿深度相較於國際開發上較淺,開發成本可大幅降低;而臺灣地熱徵兆區地質多屬變質岩,其岩石的抗張強度相較火成岩(花崗岩)為低,使得地熱井鑽鑿及人工熱儲集層製造之工程費用與困難度降低,所造成的地震機率及強度亦相對較小。

因應未來增強型地熱系統開發,技術發展方向包含:微震監測及人工裂隙(水力破裂)、並持續發展新穎結垢處理技術,以提高地熱儲集層取熱效率、維持儲集層壽命及提升發電系統效率與低溫地熱系統利用,可使地狹人稠的臺灣於有限土地面積下,達到最有效率的再生能源開發。(作者任職於工研院綠能所資源應用技術組)


關鍵字:增強型地熱系統,人工裂隙,地溫梯度

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