地熱發電 1 成功大學電機系通識教育 應用電學 授課老師 張天豪
地熱能 自地球誕生以來，於地球內部生成，蓄積 而來。此熱能會由地底釋出，而促使地球 表面進行各種運動。例如：火山活動及溫 泉等 … 2
地熱資源 利用深約 3000 公尺，離地表較近的地方所 蓄積、作為資源之地熱能。除了發電外， 亦提供溫泉、取暖設備、熱水利用（家庭 用、農業用、工業用 … ） 等用途。 3
地熱探勘 地熱資源的探勘方法，依地點不同而有些 許差異。一般會透過地質調查及化學調查 等，篩選出可能發展之區域後，再由物理 方法進一步詳細調查。 探查時，要點著重於 – 熱度 – 流體（熱水、蒸氣） – 地下裂縫 4
5 地熱的形成
6 地熱能
7 火山附近地下數公里至 20 公里左右，溫度約 1000 ℃，加熱周圍的岩石。
8 雨水滲入地底，地下水受附近岩漿加熱，再由列縫噴出。
9 加熱後以熱水或蒸汽的形式，透過裂縫上升，形成溫泉或噴發孔。
10 淺層地下水溫壓較低，其下層之地熱貯留層則累積了大量的高壓熱水。
11 直接連結地熱貯留層，可以加強高壓蒸汽，用來發電。
地熱種類 蒸氣型 乾熱岩 高壓型 12
蒸氣型 乾蒸氣（只噴出蒸氣） 溼蒸氣（噴出時混雜著熱水） 目前地熱發電普遍為「溼蒸氣型」，佔全 世界地熱九成以上。 13
乾熱岩型 於乾熱岩中鑽鑿一對井，兩井間以高壓注 水造成裂隙破碎帶，由一井供水經熱岩加 熱後，另一井生產。由於大量乾熱岩位於 地球內部深處，如何降低開採費用尚處於 研究階段。 14
高壓型 高壓沉積地下水。通常由不透氣和低導熱 度頁岩所包圍。熱能相當可觀，但位於地 底深處，一般三至七公里處，鑽井費用甚 高。故同乾熱岩型，尚待降低開採成本。 15
地熱發電 對於高溫地熱水常採用「閃發蒸氣處 理」，也就是使地熱水因降壓而迅速蒸 發，然後導入低壓之渦輪機， 產生動力以 發電。 16
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地熱發電種類 地熱發電目前主要有兩種 – 一為傳統型之蒸汽渦輪發電須利用 150 ℃水溫，可 分為氣冷式及水冷式。氣冷式較簡單便宜，容易安 裝，容量 2.5~5MW ，可在 月內安裝完成，其 每 kWh 之蒸汽用量較水冷式幾乎多一倍。水冷式較 複雜，安裝時間亦較久，容量較大， 55~60MW 較 常見。 – 另一種型式為雙循環系統 (Binary cycle) ，可適用於 較低溫 ( 可低至 80~90 ℃ ) 之地熱水，其中一個循環 係採有機循環 Organic Rankine Cycle ，目前相當多 的國家均採用此系統，應用情況亦甚良好。 18
全球地熱發電安裝統計 裝置量 MWGWh 產出 美國 2,22815,470 菲律賓 1,9099,181 義大利 7854,403 墨西哥 7555,681 印尼 , 全球目前之地熱容量約 8,000MW ，僅占可開發潛力之 0.25%
近期地熱發電裝置量推估 年代 MW 19956, , , 全球目前之地熱容量約 8,000MW ，僅占可開發潛力之 0.25%
全球地熱利用 2000 年止全球地熱利用裝置共有 15145MW ，熱利用 估算達 191x10 15 J/y 。地熱熱利用之主要用途有： – 溫泉浴 (42%) – 暖房 (23%) – 熱幫浦 (12%) – 溫室 (9%) – 其他 (14%) 其中熱幫浦利用係最近成長較快的一項，過去五年 熱幫浦安裝成長了 59% ，目前總安裝量已有 50 萬個 系統，以美國及歐洲裝量最多。 21
世界地熱利用潛力推估 依國際地熱協會推估顯示，全世界尚可開 發之高溫地熱發電潛力有 11,200 TWh/y ， 1.4x10 18 J/y 。 22
地熱利用環境考量 高溫地熱發電之 CO 2 排放是大家較關切的問 題，按過去統計結果， CO 2 排放隨地區而 有不同，介於 13~380g/kWh ，較天然氣發電 之 453g/kWh 、燃油發電 906g/kWh 及燃煤之 1,042g/kWh 為低。 23
地熱發電對環境的影響 鑽鑿地熱井及地熱發電廠建設期間所發生 者，如噪音、景觀破壞等。 測試蒸汽及地熱發電剛開始所發生者，如 有毒氣體的發散、熱廢水的排放等。 正式地熱發電期間所發生者，如還原井的 堵塞，結垢問題，地盤下陷等。 長時間開發後可能發生者，如二氧化碳污 染、地震、生態係的變化的等。 24
使用地熱能的優點 地熱的蘊藏量很豐富 單位成本比開採石化燃料或核能低 建造地熱廠時間短且容易 不需裝設鍋爐 節省燃料費用 25
使用地熱能缺點 熱效率低，共有 30% 的地熱能用來推動渦輪發電機，若欠缺好 的熱交換技術則很難利用。 所流出的熱水含有很高的礦物質，若蒸汽雜質為是當過濾，其 雜質將會造成管道阻塞，降低效率。 一些有毒氣體（如硫、硼或銨摩尼亞） ) 會隨著熱氣， 而噴入 空氣中，造成空氣污染。 破壞自然景觀與環境生態 總發電量難掌握：熱源與水源為決定地熱井生產壽命最主要因 素，一個地熱田若熱源或水源不足，則談不上有經濟價值。因 此，在詳估地熱蘊藏量時，除需要詳加測試的熱潛能外，也不 能忽略研究該地區每年之降雨量大小以及熱廢水還原地下措 施。 26
地熱能之未來展望 數量龐大，幾乎無浩竭之慮。 較核能、礦物燃料少污染問題。 石油與其他燃料價格日益上漲，地熱能利 用更形有利。 27
國外地熱發展史（義大利） 最早的地熱發電是出現在 1904 年義大利拉德瑞 洛地熱區的首座地熱發電廠，發功率 550 瓦， 現今已發展到 5000 千瓦的機組容量。義大利在 1913 年時已有 250 kW 的地熱發電設備投入營 運。到 1916 年，義大利的地熱發電設備已達 1.2 萬 kW 。義大利的地熱資源集中在中部從拉 齊奧州到托斯卡納州這一區域，所以，義大利 的地熱電站都集中在中部，而在義大利的格爾 雷德洛的地熱發電廠則是目前全世界最大的地 熱發電廠。 28
29 Raruderero 地熱發電廠（意大利），世界上第一個地熱發電廠
國外地熱發展史 在全世界各地，地熱的用途甚廣，諸如發電、 工業利用、農業利用等，但以能源使用觀點而 言，則以利用於發電上的使用範圍最高。國外 對地熱發電之大量開發應用始於 1960 年代，發 展至 2000 年為止，全世界已有二十餘國共建置 約 250 多座地熱發電廠，總裝置容量將近 8,000 MW 。世界各國地熱發電廠於 1990 年～ 2000 年 間裝置容量變化情形詳如下表。 30
世界各國地熱發電廠 國家名稱 國家名稱 美國 2,7752,8172,228 尼加拉瓜 3570 菲律賓 8911,2271,909 肯亞 45 義大利 瓜地馬拉 033 黑西哥 中國 1929 印尼 土耳其 2120 日本 俄羅斯 紐西蘭 葡萄牙 3516 哥斯大黎加 衣索比亞 009 冰島 法國 444 薩爾瓦多 阿根廷 110 總計 5,8336,8577,974 31
國外地熱發展史（冰島） 除了在義大利外，冰島算是最廣泛利用地熱的地區，冰島是世 界上地熱資源最豐富的國家，全國共有 250 個地熱區，熱能蘊藏 量巨大，如全部加以利用，每年可發電 800 多億度。在冰島的雷 克雅未克，這個地名有個涵義就是「冒煙的港灣」，因其豐富 的地熱資源而得名。聰明的冰島人因地制宜，早在 19 世紀就開 始研究利用地熱資源取暖和發電。如今，雷克雅未克成為世界 上最清潔的城市，其地熱技術被聯合國作為典範推展。在雷克 雅維克裡的奈斯亞威裡爾地熱區是冰島能量最為巨大的海恩姬 兒火山地熱區的一部分。奈斯亞威裡爾地熱電站是雷克雅未克 能源公司在奈斯亞威裡爾附近高溫地熱區建立的一座集發電和 熱水生產功能於一身的地熱電站。該電站目前有三台發電機 組，總裝機容量 9 萬千瓦；熱水生產能力為每秒 1100 升。 32
台灣地熱發展歷史 台灣地處環太平洋地震帶與火山區，地熱蘊藏 條件頗為優異，政府鑑於開發地熱能源對促進 台灣經濟發展之重要性，自民國 54 年起開始台 灣地熱資源之探勘與生產。 在經濟部礦業研究所與中油之合作探勘下，先 後曾在台北大屯山及宜蘭清水、土場等地熱區 實施鑽探，均鑽獲豐富之高溫熱水汽。 1981 年 成立的台灣第一座地熱發電廠，但迫於其經濟 效益差，目前己關閉廢棄不用。 33
大屯山地熱區 大屯山地熱區位於台灣北端之大屯山火山群 內，其地表大部份為由火山噴出之安山岩流所 覆蓋，部份則為沉積岩之中新世五指山層。本 地熱區之地熱活動頗為熾烈，南起新北投，北 止金山間，總長約 18 公里的地帶內，計分布有 大磺嘴、馬槽、死磺子坪及金山等四個主要地 熱徵兆區，區內並有暴露高溫溫泉及噴嘴汽孔 等二十餘處，地熱蘊藏之潛能顯示頗為優越， 因此被選定為台灣第一個地熱探勘之地區。 34
清水、土場地熱區 大屯山地熱區之鑽探工作暫告停頓後，政府為 積極推展其他地熱區之探勘，乃開始全台灣地 熱徵兆區之調查與研究，並由礦研所選擇宜蘭 土場地區，鑽探共 7 口深 161 至 543 公尺之測溫 井，然後在鄰近之清水地區鑽探共 8 口深 450 至 501 公尺之測溫井，結果在兩地均鑽獲溫度為 73 至 173 度之熱水汽，證實此地區可能蘊儲頗 為豐富之高溫熱水汽。 35
36 清水地熱
37 清水地熱
38 清水地熱
其他地區之地熱潛能 台灣之溫泉據文獻記載計有 83 處之多，這 些溫泉之地面溫度可能已受到地下水冷卻 影響，自不能代表地下熱水之原始溫度， 而必須根據溫泉化學分析，才能推算出熱 水之原始溫度，俾以評估其地熱潛能。 39
不利發展之因 根據台灣地熱資源初步評估，屬火山性地 熱泉，其酸性成分太高或蒸汽含量太少， 較不具發電價值。因此，如能克服地熱酸 性成分高與蒸汽含量少兩項科技發展上之 瓶頸，則地熱發電在台灣地區將會有較好 的發展前景。 40