來自地心的禮物——地熱發電

為何板塊邊緣地帶的地熱特別豐沛？這要從地球的構造說起。

原來，地球最內部的「地核」溫度可高達4,500~6,000℃；中間的「地涵」約在500~4,500℃之間；最外層的「地殼」則從地表向內每公里約升溫30℃。地球蘊藏的巨大熱能就是廣義的地熱。

地球內部熊熊熱能雖被阻隔在岩層下，不容易傳到地表，但在地殼破裂處，也就是板塊構造邊緣，形成許多縫隙，讓熱能較容易傳到淺處供人類開發利用。例如溫泉是在多孔性岩層中儲存的地下水經地熱加溫，透過「板塊推擠」形成的斷層和褶皺孔隙而流出地表。而台北大屯山終年不斷冒出的蒸汽，則是「板塊隱沒」，造成火山活動，以致地溫升高，使大量熱能與流體傳到地表。

近三十年來全球地熱發電技術大幅進步，冰島地熱發電已占全國發電量的一半。圖為冰島著名的藍湖溫泉，以地熱電廠發電後的「尾水」混和海水而成。

地熱蘊藏甚久，人類約在一百多年前發現地熱的秘密，開始利用在工業加熱或農業的溫室培育。義大利人還進一步發現地熱可用來發電；從1904年首次成功發電後，世界各國就陸續開發。

1973年全球發生石油危機之後，世界各國更積極從事地熱探勘，希望儘速開發自己國內的自產能源以取代石油。目前美國每年的地熱發電量排名世界第一，其次為菲律賓、墨西哥、義大利，近年澳洲亦積極開發中。

近三、四十年來各國發展的技術都屬於地殼「淺層地熱」的開發，也就是在多孔性或裂隙較多的岩層中，以水和蒸汽為媒介把熱能帶出地表，就是「地熱田」。

地熱發電是以地底取出的蒸汽來推動渦輪機旋轉發電，原理和火力發電相同，但火力發電推動的流體必須燃燒重油、天然氣或煤炭，燃料運送費時且會造成汙染，但地熱等於把鍋爐和燃料放在地下，只要把蒸汽取出就能發電。

接受國科會委託做地熱研究的台大地質系教授宋聖榮表示，過去三十多年來世界各國地熱資源如材料和技術都有長足的進步，產量已從1,300MW(MW為百萬瓦，核四廠兩部機組裝置容量共為 2,700MW )增加到9,450MW，預計2020年可達30,000~40,000MW，是目前的3~4倍。

宜蘭大同鄉的清水及土場經過實地探勘地熱潛力十足，值得積極開發。圖為蘭陽平原。

地熱發電量最大的美國自2000年便開始推動西岸地熱開發的大計畫，設立在加州、內華達州和猶他州共29座地熱發電廠已開始運作，總裝置容量達1,250MW，足以供給120萬家庭用戶的使用。其中加州的Geysers地熱電場設置有世界上最大的地熱發電廠機組，然而它已開發利用的能量還不到全球所蘊含地熱能的百萬分之一。 預計2020年美國地熱能可達20,000MW，比現在至少多十幾倍。

宋聖榮指出，和台灣同處環太平洋火山帶西緣的菲律賓，在美國技術和資金援助下，已裝置1,931MW電廠，占該國總發電量的13%，成為世界第二大地熱發電國。其他如冰島在2006 年地熱發電已占全國一半的電力。

相對於二十幾個進行地熱發電的國家，台灣的腳步是走走停停。

政府自1965年即開始做地熱資源的探勘與生產。先後曾在台北大屯山及宜蘭大同鄉清水、土場等地熱區實施鑽探，鑽獲豐富的高溫熱水汽。其中以大屯山蘊藏最多，但因位於國家公園內及酸性腐蝕等問題，轉而以清水地熱為重點開發基地。國科會並在清水利用地熱試驗發電成功。1981年建立了地熱發電廠，曾是全球第14個地熱發電的國家。

工研院綠能及環境所研究員歐陽湘表示，清水電廠的裝置容量為3MW，初期營運時發電量曾達2MW以上，效率頗佳。但後來熱汽產生量逐漸減少，又因井管、井壁被熱泉中的結晶物阻塞，使發電效率逐年下降到0.5MW，1993年電廠終告關閉。加上當年石油價格下降，政府相關研究和開發也暫告中斷。

歐陽湘分析當年功敗垂成的原因指出，第一是發電機組的問題，當時主流的機組是以蒸汽推動渦輪帶動發電，但清水地熱田淺層產出以熱水多，蒸汽只占20%，熱水並未用來發電，實屬可惜；其次為了要追求產能，井口閥門全開，導致壓力降低得太快，使「結垢現象」（熱水中的礦物質原本溶於水中，因壓力、溫度驟降而結晶沉澱，堵塞通道）嚴重。第三是抽出的熱水量太大，而相對地自然雨水補注不足，地下水過度流失，才造成產能逐漸衰竭。

「這些問題以新一代的觀念和新技術都能克服了，」歐陽湘表示，工研院近年專注研發抑制結垢、結垢後的洗井，以及把抽出發電後的水（尾水）以另一井再回注到地底等技術，除了可保持地下儲水層的水量，還能解決熱水排放到河川造成的環境衝擊。

工研院也進一步對缺乏孔隙的岩層，開發了製造人工裂隙的技術；以及用數值模擬方式分析地熱田的特性，並算出回注井位置、適當回注量，及最佳水位、溫度等。

這些淺層地熱相關技術目前在國外已十分成熟，但由於台灣地質與地形的複雜度高，仍須研究單位做本土化應用的修正。1994年工研院的資料顯示，台灣淺層地熱資源將近1,000MW，但能開發出多少，需要進一步探勘。

傳統淺層地熱的利用，受限於地熱流體的多少以及是否有天然裂隙構造；蘊藏在地底深處3,000~10,000公尺間的熱能更是龐大、也較不受地域限制，正是近年各國積極投入研究的領域。

宋聖榮解釋「深層地熱」和「淺層地熱」最大的不同在：淺層是藉由地下的熱水或蒸汽以自然湧出方式把熱能帶至地表，深層則是以外力把地表水打到地層內，靠地溫加熱後再把熱能帶出來利用。

歐陽湘表示，開發深層地熱的新技術泛稱為「強化地熱系統」（EGS）。美國、歐盟和澳洲都已投入相當多研究，例如美國歐巴馬總統2008年上任後就通過3.5億美元的地熱預算，多半用於EGS的開發。歐盟及澳洲的名稱雖不同，但概念類似，都是從地表注入水後，在岩層中製造人工裂隙，讓流體在其中流通；而裂隙該怎麼走才有效，和壓力、岩層結構、溫度等都有關，正是技術的所在。EGS除了注入水體，也可以打入二氧化碳把熱能帶上來；或直接在各井中做熱交換，再送到系統去發電。

「據美國麻省理工學院Tester教授團隊的估計，全球深層地熱發電潛能是地球化石燃料發電潛能的300倍，」宋聖榮表示，地熱巨大的潛能可說是取代快速耗竭化石能源的希望之所繫。

台灣發展EGS的優勢在於5成以上土地的「地溫梯度」（從地表往下每公里上升的溫度）為40℃，有些地區甚至更高，比別國的地溫梯度（30℃）高出至少10℃，也就是說，人家要拿到200℃的熱能須鑽井到5,000公尺深，台灣只要鑽到淺於4,000公尺即可，先天條件優人一等。

那麼台灣深層地熱發電的潛力又如何？據國科會在2008年推動的「能源國家型科技計畫報告書」中估計，可達七千多MW，相當於2.7座核四廠的發電量（發電量2,700MW），若將次級的地區納入，更有高達25,000MW的潛力，相當於9.7座核四廠的發電量。

能源局表示，目前深層地熱在國外仍屬先驅性研究，至今仍無商轉電廠出現，目前能源局對探勘深層地熱已有初步規劃，將先對蘊藏量、可開發量及經濟效益做進一步評估。

國科會地熱計畫協同主持人、台大地質系教授劉聰桂表示，所有的地下資源例如石油、天然氣、金屬或非金屬礦的探勘，初步概查估計後，還需要經過詳查，才知道哪裡最值得開發、如何開發。而探勘也是漸進式的：初步以地表地質、地球物理（震波、地電阻、大地電磁等）、地球化學（水質、氣體）等方式大面積探測，再配合鑽探淺井，最後鑽探深井、取樣分析等，十分曠日廢時。所以學界立場是愈早開始愈好

宋聖榮強調，地熱不僅對環境友善、不排放CO2、運轉率高、能夠成為基載電力外，還有一大優勢——對天災忍受度最高。這次日本9 級大地震引發海嘯，福島核電廠受創嚴重，導致輻射外洩大災，但鄰近幾座地熱發電廠卻毫髮無傷，發電量也沒受影響。地熱電廠的建地因為可選擇性高，不需要建在海岸、河邊，非常適合地震與颱風頻仍的台灣積極發展。

造物主給了台灣一個來自地心的大禮物，如何善用這個資源，還有待相關研究的整合，並積極採取行動。