地熱能 熱能、熱源開發及應用 吳俊德.

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1 地熱能 熱能、熱源開發及應用 吳俊德

2 地熱發電優勢 地球:熱發動機 地表平均熱流 87 mW/m2 地表每年散失的熱量2.4×1017千卡 ≒1.68X1010桶石油
(Verhoogen et al., 1970)

3 深井鑽探成功紀錄-地熱溫度

4 地熱能形成 因為地球內部很深處存在放射性元素，這些元素不斷進行著熱核反應，具有非常高的溫度，估計地球中心的溫度有6,000℃。這樣巨大的熱能，通過大地的熱傳導、火山噴發、地震、深層水迴圈、溫泉等途徑不斷地向地表散發，這樣，便產生了地熱能。因此，地球被形象地形容為“大鍋爐”。 　　形成條件：1、熱源 ( 來自地球深部)；2 、蓋層；3 、熱儲（孔隙型 + 基岩岩溶裂隙型）；4 、水源 (來自於山區)

5 地熱能分佈 據估算，全球地熱可採資源量超過全球一次性能源的年消耗量，地熱資源開發利用的潛力很大。按照地熱資源的分佈，世界著名五大地熱帶有：環太平洋地熱帶、大西洋中脊地熱帶、地中海及喜馬拉雅地熱帶、中亞地熱帶和紅海、亞丁灣與東非裂谷地熱帶。 台灣是第14個成功利用地熱發電的國家，也是一個「地熱寶島」。國家科學委員會過去2年在宜蘭縣大同鄉的清水地熱區研究，推估理想狀況下，宜蘭的地熱儲量約為2.8座核四電廠的總發電量、全台灣的地熱更至少可抵9.7座核四。 在國科會重新評估全台灣島的深部地熱後，宋聖榮估算，假設能量轉換效率理想，宜蘭地區約為74億瓦特、台灣島至少有254億瓦特。而根據工業技術研究院的調查，台灣的地熱潛能最高的地點在宜蘭清水和土場、南投廬山、花蓮瑞穗、台東金峰和金崙等地。

6 世界地熱能源利用的未來展望 網路巨人Google公司也加入地熱能源方面的投資，向Alta Rock和Potter Drilling兩家地熱公司各投資625萬和400萬美元。 美國總統Obama於5/27/2009宣佈投資3億5千萬美元在地熱能源相關技術的開發

7 地熱發電可降低溫室效應 地熱發電除減少CO2排放外同時可將地表向外幅射之熱量降低

8 地熱井對地溫分布的影響 正常的地溫分布 地熱井運轉20年後之地溫分布

9 地熱發電的優點 地熱能源具有廣泛分布、對環境友善、多方面應用效能、以及永續發展等特性，是一種極具開發潛力、潔淨且可基載發電之穩定再生能源。

10 地溫梯度Geothermal gradient

11 地溫梯度 此種地下溫度隨深度增加而升高之比率，稱為地溫梯度 (Geothermal gradient)。
地下溫度可深入地下數百公尺或數千公尺之鑽井內直接測得。在井內隨深度往下測溫時，可看出地下溫度有隨深度之增加而升高之現象。 此種地下溫度隨深度增加而升高之比率，稱為地溫梯度 (Geothermal gradient)。 地下溫度依其地溫梯度、熱流及岩層熱導率(heat conductivity)不同而發生變化外，其他如局部性氣候雙化，地形標高，地下水之迴圈及火山活動等亦為其影響因素。在海域深海底之溫度，因不受季節氣候之影響，因此較陸域地表為穩定其熱流亦較均勻。惟海洋區域之平均熱流值比世界的平均熱流值略低約1.3HFU。但大洋中之海洋脊嶺地區，有時可高至3.0 HFU與陸域之熱點(hot spot)及火山活動區相當。 地表下因有地溫梯度現象，可推知熱在地球內部發生，並將熱量自內部傳遞至較冷之地球表面散失。 地溫梯度、熱流及導熱率之相互關係式如下： 式中,Q =地殼熱流量,T =溫度(℃),X =岩層厚度或地下深度(m) k =岩層熱傳導率(mcal/cm.s.℃).亦可以下式表示： Q = K x GT則GT = Q/k GT =地溫梯度,由上式可知 地溫梯度與地殼熱流量成正比,與岩層熱傳導率成反比；而地殼熱流量則直接與地溫梯度及岩層熱傳導率成正比。

12 台灣之地熱資源(1) 迄1986年底止，中油公司在台灣西部沈積盆地所鑽之油氣井或深井，總數計達580口，其中在油氣田所鑽之井數共計408口，其餘的172口鑽探井遍佈於台灣西部整個地區。 在580口井當中有完整地溫資料的鑽井共有250口井。其中位於油氣田之油氣井為170井，各地深井為80井，而這些深井測得之五千米井底溫度都有200度以上。

13 台灣之地熱資源(2) 資料來源：經濟部中央地質調查所彙刊第六卷第117-144頁民國79年12月
臺灣西部晚新生代沈積盆地地下溫度及地溫梯度之研究 黃立勝

14 臺灣最深的鑽井紀錄5863m 102 資料來源：經濟部中央地質調查所彙刊第六卷第117-144頁民國79年12月
臺灣西部晚新生代沈積盆地地下溫度及地溫梯度之研究 黃立勝 102

15 台灣地區地熱資源分布範圍 深度4Km內，地溫>175℃之範圍 南投廬山地熱區 ℃ 大屯火山 群地熱區 花東地熱區 宜蘭地熱區

16 台灣地區地熱蘊藏發電容量 深度小於4,000m、地溫超過175℃ 地區 涵蓋 總面積(km) 2 原始地熱發 電容量 (MWe) 所佔 比率
(%) 各海拔區間地熱蘊藏發電容量(MWe) 天然條件限制開發 天然條件較可開發 >2000 1500 ~2000 1000~ 500~ 1000 <500 宜蘭地區 532 36,923 23.13% 30,219 13 456 2,100 4,135 大屯火山群地區 88 2,886 1.81% 716 2,170 花東地熱區 5,403 100,431 62.92% 15,900 43,334 15,443 12,880 12,874 南投廬山地熱區 954 19,366 12.13% 10,143 5,194 3,859 170 四大高溫 地熱區總計 (所佔比率％) 6,977 159,606 56,262 35.25% 48,541 30.41% 19,758 12.38% 15,866 9.94% 19,179 12.02% 可開發條件(海拔1000M以下，扣除位於陽明山公園內法令不可開發約1,405MWe) 潛在地熱發電容量(MWe) 33,640

17 臺灣的電力需求模式 民國100年至101年4月

18 臺灣的夏季電力負載模式

19 臺灣的風力發電特性 111

20 台灣的太陽光能發電模式 112

21 台灣的太陽光能發電模式

22 台灣的地溫梯度及地熱資源 本試驗計畫參考中油公司在台灣西部鑽井實測地溫
台灣大部份地區地表熱流在100mW/ ㎡以上－台灣的溫泉與地熱 台大宋聖榮教授著作 本試驗計畫參考中油公司在台灣西部鑽井實測地溫

23 不同的地熱能淬取方式比較 2

24 淺層熱水型地熱生成模式 地溫梯度

25 Geothermal resource classification
地熱資源分類 Geothermal resource classification 火山型地熱 非火山型地熱Non-volcanicgeothermal 火山系统 (Volcanic) 沉 积 绝热层 開放地下水系统 沉積岩系統 (Hot Sedimentary Aquifers) 沉 积 绝热层 地下水系统 濕熱岩系統 (Hot Wet Rocks) 沉 积 绝热层 地下水系统 乾熱岩系統 (Hot Dry Rocks) 沉 积 绝热层 封闭 系统 濕热裂 隙岩体 乾热裂 隙岩体 火山熱源 熱源 熱液型(Hydrothermal) 富含水體full water 熱岩型(HotRocks) 缺乏水體lack water

26 淺層地熱發電技術特點 主要功能：抽取地下蒸氣或熱水用於發電。 技術特點： 1.淺層地熱建設成本低。 2.可開採之地熱資源稀少，受
地質條件限制。 3.地熱流體處理方法須因地制 宜不易複製。 4.須將地下水回注並防治污染。 8

27 EGS加強型地熱系統之關鍵技術 1.精確之地溫剖面量測 2.地熱區的岩體特性現地 應力量測 3.灌水製造人工裂隙的實驗
4.量測與追蹤流體在裂隙中 的行為 5.熱交換技術 6.雙循環地熱發電系統的整合

28 深層地熱與淺層地熱發電之差異 常見的地熱依其儲存方式可約略分為如下兩種類型 •水熱型（又名熱液資源）：系指地下水在多孔性
或裂隙較多的岩層中吸收地熱，其所儲集的熱水 及蒸汽，經適當提引後可為經濟型替代能源，即 現今最常見之地熱開發方式。※淺層地熱(地表 層3,000米以上) • 乾熱岩型（又名熱岩資源）：系指潛藏在地殼表 層的熔岩或尚未冷卻的岩體，可以人工方法造成 裂隙破碎帶，再鑽孔注入冷水使其加熱成蒸汽和 熱水後將熱量引出，其開發方式尚在研究及試驗 中。※深層地熱(地表層3,000米以下)

29 岩石的熱學特性 抗壓強度與溫度關係 熱傳導率

30 Enhance Geothermal System EGS系統
EGS系統又稱Engineering Geothermal System是指用外力(或工程)的方法自地下淬取熱能。 最常用的方式是選取一定深度以下之地下岩脈有縫隙地區，通常為已露頭之溫泉區。在距離數百公尺的兩點，鑽鑿兩口深井，一個用於注入加壓的溫水或二氧化碳氣體，再由另一個深井將經過地下岩層加熱後的熱水或水蒸氣抽取至地面上，取得熱能供發電或其他利用。 由於熱能淬取過程中熱水或CO2氣體離開管路，流經地下岩層的裂縫，且為促使流體在岩縫中移動必須施加壓力，可能造成岩縫的擴大或岩縫中原有之礦物質經溶解後逐漸被帶走。長期運轉有造成小型地震的潛在風險，也會產生循環水中礦物質離析沈澱於管內造成堵塞的問題。且流體通過的地下岩脈狀況不明，取熱用水容易流失，水量補充大。運轉成本高。

31 Enhance Geothermal System(EGS)系統與Complex Energy Extraction from Geothermal resource (CEEG)系統

32 EGS系統與CEEG系統不同之處(1) 閉迴路循環：CEEG熱水完全在封閉系統內循環傳遞熱量。工作中熱水不與地層內物質接觸僅有能量傳遞。循環載熱之媒體－熱水損耗減少，不需要經常或大量補充。也不產生岩層內礦物質在地底高溫高壓環境中大量溶於熱水中，被載至地表降温減壓後大量沈積於管線內，阻塞管路損壞機具的問題。 節省循環取熱之能量消耗：EGS系統必須將循環水加壓打入地下岩脈縫隙，並用強力擠壓循環水流動，以獲取岩層中熱量(此即Enhance Geothermal之原義 )。本案使用之CEEG方式是將水封閉於鑽掘之深井內循環取熱，除了水量不流失外，也節省了加壓水流必須負擔的能量消耗。

33 EGS系統與CEEG系統不同之處(2) 沒有引發淺層地震的困擾：由於CEEG沒有利用地層裂縫導水循環取熱，也沒有在取熱過程中帶走岩層縫隙中任何物質，循環使用之熱水並未在岩脈或斷層中流竄。當不致造成地底岩層不連續面滑動而導致小型局部地震。 地點選擇不受地質條件限制：由於CEEG完全是根據地溫梯度收集地底熱量，用鑽井深度到達地底高溫岩層，利用水循環取熱。除深海或交通不便之高山地區外，在地球任何地點均可使用CEEG取熱。不必選擇有溫泉(熱水) 或地下有岩層斷裂(地熱出口)地帶。

34 Complex Energy Extraction from Geothermal resource ( CEEG)系統
CEEG是指複合式地熱能源淬取系統又稱Closed-loop Hot Dry Rock Energy Harvest System 閉迴路熱乾岩能量收集系統 為Prof. Bohdan Zakiewicz領有美國2008年第 號專利

35 Prof. Bohdan Zakiewicz運用之主要專利項目
1.大尺寸(3m直徑) 的鑽頭製造及操作技術。 2.在地底高溫環境下進行深鑽井的技術。 3.在深入地下之岩脈中將熱能由凝固及硬化的岩石中淬取之技術。 4.灌注對於熱能有高轉輸效應之混凝土。 5.無離散的(混凝土)地下深井管壁構造技術。 6.具有隔熱能力的地下熱能傳輸管製造技術。 7.裝置在每一支深井最前端的熱交換收集探頭BZ-7 (BZ-Harvester)。 8.沒有渦輪業片也不發生氣穴空蝕現象的高壓力幫浦。 9.雙循環渦輪發電機操作系統。 10.熱能傳輸用液體(熱媒) 的處理及回收再利用技術。 11.熱能淬取及監控技術。 12.經由地下管線傳送電能技術。

36 Prof.Bohdan M.Zakiewicz
運用之主要專利項目及Know-how 專利配方水泥 (Patented formula cement) 由專利配方之水泥制做有高傳熱效率的混凝土進行針刺型井管之井牆噴漿。使地熱井與四周岩層完全隔絕，沒有物質流動，只有熱流交換。 BZ-Harvester熱能回收探頭 (thermal energy recovery probe) 當地表迴圈水回流至井底時，經由BZ-Harvester可控制迴圈水必須達到地表上發電廠汽渦輪機可利用之溫度320℃以上，方得流入中心之回水套管內。若地表下岩層熱傳導不良或熱能不夠，則BZ-H熱回收探頭將關閉或減少井底熱水回流量將直接影響地面上發電量。 低熱傳導率回水管 (The water return pipe of the lowthermal conductivity materials) 確保經地下320oC以上熱水在上升至地表過程中不致損失太多熱能。 無葉片也不發生氣穴及空蝕現象的高壓力泵 (High-pressure pump with no leaves nor occurrence of cavitation) 熱水在上升至地表面時有足夠的壓力(每平方公分150kg)。在回水管的最上200M將裝置加壓泵。 利用地下管線傳送電能技術 (Underground pipeline to transmit electricity) 地熱井的系統監測、水泵運轉均需電力傳送。

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38 GEOTHERMIC SOLUTION. LLC Super Daisy Shaft with 3 to 30
Jet-Stingers = BZ-7 Heat Harvesters. km – 5.0 km; Bottom Temp. = 1600C. 5.0 km – 10.0 km; Bott. Temp.= 4050C 10.0 km – 12.5 km; Bott. Temp.= 5460C Length of Heat Harvester = 5.0 km. between -5.0 km > -10,000 km. Height of heating zone = 7.5 km Between – 5.0 > 12.5 km 2 r1 = diameter of the spread of bottoms of the internal girdle of Heat Harvesters = 3.0 km. 2 r2 = diameter of the spread of bottoms of the external girdle of Heat Harvesters = 5.0 km. 2R = diameter of the influential zone of the harvesting heat = 9.0 km Av. Temperature influx Big W. = 3530C 10,000 – 12,500 m Temp °C (I.P.R. restricted) Bohdan M. Zakiewicz 0.00 – 1,000 m Temp. 40°C 1,000 – 5,000 m Temp. 160°C 5000 – 10,000 m Temp. 405°C

39 Prof. Bohdan Maciej Zakiewicz取得美國專利證明

40 史丹佛大學教授Piotr D.Moncarz對博赫丹博士專利的推薦信

41 CEEG系統與發電系統接合為雙循環地熱能發電系統

42 地熱能利用概述 地熱能的利用通常分為三種： – 用於發電的蒸汽或溫度極高的熱流體 ； – 可被直接利用的中低溫的熱流體 ；
– 地源熱泵利用地表淺層的能源，為建築物製冷/供暖。 地熱資源直接應用流體典型溫度圖：

43 地熱能的其他用途 1.工業的產品乾燥 2.冷涷冷藏 3.農業的溫室栽培 4.食品加工 5.商業及家 6.庭用途的溫水泳池 7.觀光 8.理療

44 地熱能技術國外技術發展與應用現況 地熱能源有別於其他再生能源，它具有地球內部自產能源的特色，而且在既定開發時間內其能源產出量是固定，不像太陽能或風力能有著供應不穩定的情形。 人類很早以前就開始利用地熱能，例如利用溫泉沐浴、醫療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產養殖及烘乾穀物等。但真正認識地熱資源，並進行較大規模的開發利用卻是始於20世紀中葉。 地熱的直接利用一般指溫度150℃以下的地熱流體的利用。這些地熱資源廣泛用於工業、農業以及其他各個方面。 地熱資源是一種十分寶貴的綜合性礦產資源，其功能多、用途廣，不僅是一種潔凈的能源資源，可供發電、採暖等，而且還是一種可供提取溴、碘、硼砂、鉀鹽、銨鹽等工業原料的熱滷水資源和天然肥水資源，同時還是寶貴的醫療熱礦水和飲用礦泉水資源以及生活供水水源。

45 　　將地熱能直接用於採暖、供熱和供熱水是僅次於地熱發電的地熱利用方式。因為這種利用方式簡單、經濟性好，備受各國重視，特別是位於高寒地區的西方國家，其中冰島開發利用得最好。該國早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一個地熱供熱系統，現今這一供熱系統已發展得非常完善，每小時可從地下抽取7740t溫度為80℃的熱水，供全市11萬居民使用。由於沒有高聳的煙囪，冰島首都已被譽為“世界上最清潔無煙的城市”。此外利用地熱給工廠供熱，如用作乾燥穀物和食品的熱源， 用作硅藻土生產、木材、造紙、製革、紡織、釀酒、制糖等生產過程的熱源也是大有前途的。目前世界上最大兩家地熱應用工廠就是冰島的硅藻土廠和紐西蘭的紙槳加工廠。 世界地熱資源的直接利用各具特色；日本主要用於洗浴；冰島主要是供暖；匈牙利主要是農業溫室。我國地熱主要應用於取暖（面積近800萬ｍ2）、水產養殖（面積近300萬ｍ2）、浴療（1600多處）、農業溫室等。 全世界第一個地熱發電例始於 1904 年在義大利應用 10 kW 的發電，美國在 1922年建立了世界第二座的地熱發電廠，而全球開發應用的風潮則在二次世界大戰之後正式展開。如今全球前幾名地熱發電應用國家是：美國、菲律賓、墨西哥、印尼、義大利、日本及紐西蘭等國。

46 清水地熱發電失敗原因 機組選用不當 未做尾水回注 結垢問題嚴重 單閃渦輪蒸氣發電機 歷年使用蒸氣:280.7萬公噸
排出熱水:827.2萬公噸 未做尾水回注 結垢問題嚴重 46

47 地熱能技術 國內未來推動建議(以金門為例)
可促進金門島邁向無碳生活環境發展：地熱發電廠成功運轉後，金門全島可限制僅能使用電動機車、電動汽車及電力巴士。並鼓勵居民生活使用電器加熱，則金門島將迅速進入二氧化碳低排放或零排放城市。 有充分且低廉電力供應後，金門縣可發展磊晶、光電、材料及生物科技等產業，對傳統之觀光、旅遊、購物中心等，傳統產業亦提供充足之電力、淡水、熱水溫泉等供應。是金門產業再發展之源頭。 有低廉電力後，配合金廈及台金間光纜建設，金門縣政府可大力吸引全球產業於金門設置資料中心(Data Center) ，進入雲端技術；增加在地就業機會並提高國民所得。 利用地熱發電廠餘熱及廉價電力支持海水淡化技術，供應大量淡水。除補充民生用水需要外，可發展精緻農業及水產養殖業。

48 國內未來推動建議(以金門為例) 配合地熱能技術金門各大專院校發展具特色科系：
電機、電子科系：可重點發展發電機、變電站、電廠及輸配線網路、電廠監控、電力電子、充電系統、電池工業、馬達控制、電池材料、通訊等領域。 資工科系：可發展網路通訊、資料庫管理、多媒體等領域。 機械及材料科系：可重點發展深層專井設備製造及操作技術，耐火材料、耐磨鑽頭等領域。 地質科系：發展深層鑽探技術、地球科學領域。 化學或化工科系：發展海水淡化、薄膜透析等科技。

49 大陸地區地熱能運用:溫室栽培 北京市首次大規模利用地熱資源用于現代化溫室花卉種植。一個投資2.6億元的地源熱泵與地熱利用綜合供暖系統日前在北京國際鮮花港投入使用，將改變以往溫室採用煤、電、氣供暖的狀況，使花卉栽培、種植、研發過程實現零排放、低耗能。 北京國際鮮花港採用地源熱泵供暖，可比電鍋爐加熱節省2/3 以上的電能，比燃煤鍋爐節省1/2 以上的能量，運行費用僅為普通中央空調的６０％ 。

50 大陸地區地熱能運用:地熱空調 地表淺層土壤的溫度一年四季相對穩定，與空氣溫差一般為17℃左右，地下土壤溫度是真正的冬暖夏涼。根據這一特性，在冬季，通過一定的設備和技術把地層中的熱量『取』出來，提高溫度後，供給室內用戶取暖，反之，到了夏季則可達到制冷目的。 需要足夠的土地，使熱交換能夠充分進行。