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當溫泉鄉碰上“ORC”--地熱資源新發展

2013/03/05 經濟部能源局 點閱人次: 298

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▓文、圖:謝瑞青(工研院研究員)

地熱,難道只是「溫泉鄉」的代名詞?地熱,能不能和石油、電力一樣,成為當代已開發國家的「多元能源」的一種?

走在車水馬龍的宜蘭礁溪火車站附近的鬧區,觸目所及都是溫泉旅館。操著廣東話的香港客人絡繹不絕,而宜蘭也開始大力建設礁溪。但是,地熱這個資源,其實還可以用來發電,而不只是發展觀光而已。

地熱不只是溫泉,還可以發電

當地熱這種比較環保的能源形式被提出後,很多人第一印象還是停留在觀光產業的印象。事實上,地熱,的確有很大的潛力,可以成為工業化國家的主要能源之一。例如,最近以「環保形象」知名的宜蘭縣,就又因為有豐沛的地熱資源,而大大出風頭。

觀察國際上以地熱能源知名的,有冰島、日本等國,其中以冰島最為突出。冰島雖然是小國寡民的北極圈經濟體,但是在能源上卻可以達到自給自足,臺灣則不然。我國6成以上的電力,仰賴火力發電,而其能源來源多半來自進口的澳洲燃煤、印尼天然氣等,因此國際能源價格浮動,都會深深地影響臺灣的經濟成長率。

由於我國位於太平洋火環帶,具備開發地熱以做為發電利用的先天優勢條件,因此政府在研擬「再生能源發展條例」(草案)階段,即已明列地熱發電為再生能源發展的一環,除了展開相關政策制訂之規劃與檢討外,並在民國95年啟動清水地熱區的地熱發電潛能評估與電廠籌設的前期技術研發及規劃工作。

為完善再生能源的投資環境,「再生能源發展條例」已於98年6月立法院通過,同時目前地熱發電的躉購電價為4.80元╱度,預估未來相關的法案與措施更趨完備後,可有效促進民間企業投入發展各種再生能源產業的意願。目前民間企業噶瑪蘭清水股份有限公司推出全國首座ROT地熱1MW發電試驗計畫,並與宜蘭縣政府完成簽約,預計於103年啟動運轉。

「地熱能源」開發首重地質條件的掌握

其實宜蘭的地熱,早在32年前就被重視。我國曾於民國70年,在宜蘭縣的清水地熱區建構1座3MWe先驅試驗發電廠,先期由工研院進行地熱資源評估及探勘,接續由台灣中油公司負責鑽井及地熱流體生產,並交由台電公司負責運轉試驗。

因為地熱,在宜蘭縣有過基礎,所以最近政府又開始開發這個能源寶庫。宜蘭清水地熱區的發電機組為單閃發蒸汽發電方式,後因清水地熱區地熱產量逐年衰減,以致不符合經濟效益,而於82年11月停止發電試驗,累計發電運轉時間及經驗累積長達12年有餘。

探究產能衰減原因主要包括:未充分掌握地層(儲集層)特性,以及過度降壓生產造成管線結垢所致。臺灣本島除大屯火山區屬火山型地熱,其他皆屬於變質岩區熱水型地熱,雖具備溫度條件,但仍須進一步掌握地熱儲集層的特性,與生產井、回注井的聯合運用,方有利於地熱資源與發電的永續經營。

政府加速開發清水地熱發電系統,並以清水地熱區做為成果展現平台

經濟部能源局為加速臺灣地熱再生能源開發,委託工研院執行:深淺層地熱發電潛能評估、地熱井新增及修復、地熱儲集層生產管理技術研發,以及發電技術與電廠設置的整體開發規劃;相關技術成果展現以清水地熱區為平台,並配合國科會進行地熱相關試驗。

目前工研院已於清水地熱區建立「50kW地熱增強型雙循環發電試驗系統」,此系統包含有:中低溫熱水型發電機組(有機朗肯循環;Organic Rankine Cycle System, ORC)、井下熱交換系統及尾水回注系統,詳如圖1所示。

其中,「增強型地熱」是指利用井下熱交換器提供熱量給ORC發電機組,利用此方式可直接擷取地熱井內的熱量,且地熱水無須大量生產即可達到相同的發電量。

然而,能源局也表示地熱發電也有其限制,我國傳統淺層地熱發電潛能雖經估計達73萬瓩,還要考量限制開發因素(如國家公園、風景特定區、林業用地、地質災害敏感區)後,推估可開發量僅約12萬瓩,即使加上部分風景特定區及林業用地可辦理變更使用目的,推估總計可開發量約15萬瓩,發電成本達4.8元╱度;至於深層地熱,則國際間尚無商轉之電廠。

中低溫熱水型發電機組

ORC發電機組的熱力循環運轉系統為清水地熱發電系統的核心,它的發電循環流程簡單說明如下:

首先,將循環的低壓液態冷媒(有機工作流體)經由「泵浦」提高壓力進入蒸發器,利用外界熱源所提供的熱能加熱冷媒,吸熱蒸發成為汽態,這時候的工作流體為高壓及高溫的汽體,將變成汽體的工作流體去推動「膨脹機」轉動,並同時帶動發電機產生電力發電。

因為透過高壓推動「膨脹機」的冷媒,離開「膨脹機」時的壓力已經從高壓汽體變成低壓汽體進入「冷凝器」,這時候高溫汽態的冷媒利用冷凝器將熱帶走並冷卻,使汽態的工作流體凝結成液態,接著又進入「泵浦」重新開始循環運作。

由於ORC發電機組的熱力循環與冷氣機剛好相反,故有部分零件可共用,如圖2所示。另外值得一提的是,此發電機組完全由工研院自行研發設計並委由國內廠商製作,機組成本低於國外系統,對於未來地熱發展具有相當的優勢。

工研院研發:井下熱交換系統

「井下熱交換系統」是工研院對於有熱但無水的地熱環境所研發的取熱系統, 主要是將熱交換器放在地熱井下,透過地熱水的熱能與熱交換器內的工作流體進行熱交換,加熱後的高溫工作流體送到ORC發電機組的蒸發器,與蒸發器中的冷媒再次進行熱交換,使冷媒推動膨脹機發電,熱交換完畢的低溫工作流體再流回到井下的熱交換器,達到循環取熱的目的。

簡單的來說,「井下熱交換系統」就像是一座電梯,可以將井底下的熱量送到地面,提供ORC發電機組,送給ORC之後再回到井下繼續下一個循環。

「井下熱交換系統」的設計主要還是需要考慮地熱水的流動性,唯有良好的流動性才能夠有較佳的熱交換效率。目前測試的結果可達到700kW的取熱量,同時ORC發電機組的發電容量可達60kW,發電量可供將近50個家庭使用。

地熱小百科

地熱是源自地表下的能源。當地層內的上升熱水遭遇不透水的岩層,而被限制在地底岩石的孔隙及裂縫中,形成所謂的「地熱儲集層」,其溫度比地表溫泉高出許多,甚至可達350℃,形成極有用的能源。


關鍵字:地熱發電,有機朗肯循環系統,井下熱交換系統

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