深層地熱發電簡報

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1 土 木 領 域 技 術 應 用 於 深 層 地 熱 開 發 Civil engineering technique apply to deep strata geothermal exploitation 臺 灣 棕 櫚 地 熱 能 股 份 有 限 公 司 0

2 1 簡 報 內 容 大 綱 1 地 熱 開 發 方 法 地 熱 系 統 規 劃 及 EGS CEEG 技 術 說 明 2 地 溫 梯 度 及 地 熱 資 源 3 地 熱 發 電 優 勢 及 特 點 4 美 國 的 地 熱 資 源 及 地 熱 發 電 現 況 5 歐 洲 各 國 及 日 本 地 熱 開 發 狀 況 6 臺 灣 能 源 供 應 及 地 熱 蘊 藏 與 開 發 狀 況 7 深 層 地 熱 開 發 的 相 關 技 術 整 合 7.1 深 鑽 井 工 程 技 術 探 討 及 造 價 分 析 7.2 熱 流 載 體 及 輸 送 方 式 ( 取 熱 技 術 ) 7.3 發 電 系 統 選 擇 及 電 力 系 統 整 合 8 美 國 頁 岩 氣 的 開 發 及 對 能 源 產 業 未 來 發 展 之 影 響 9 土 木 領 域 技 術 在 深 層 地 熱 開 發 的 應 用

3 深 層 地 熱 與 淺 層 地 熱 系 統 之 差 異

4 傳 統 的 EGS 深 層 地 熱 開 發 方 式

5 Enhance Geothermal System EGS 系 統 1.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 早 期 亦 稱 為 乾 熱 岩 系 統 (Hot Dry Rock System): 主 要 以 高 壓 將 流 體 泵 入 深 層 地 層 內 乾 燥 或 含 水 量 較 低 之 高 溫 熱 岩 石 中, 藉 以 產 生 裂 隙, 來 增 加 液 體 滲 透 性 並 形 成 貯 水 空 間, 爾 後 再 以 生 產 井 將 熱 液 產 出 汽 化, 利 用 熱 蒸 汽 驅 動 發 電 機 組 2. 加 壓 力 之 回 注 水 在 流 動 取 熱 行 程 中 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 足 夠 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 回 水 中 礦 物 質 離 析 沈 澱 于 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 4

6 5 EGS 施 工 程 序 -1

7 6 EGS 施 工 程 序 -2

8 EGS 施 工 程 序 -3 此 乃 加 強 力 Enhance 之 由 來 7

9 8 EGS 施 工 程 序 -4

10 9 EGS 施 工 程 序 -5

11 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 10

12 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 回 路 熱 乾 岩 能 量 收 集 系 統 為 Prof. Bohdan M. Zakiewicz 於 Sep 領 有 美 國 第 B1 號 專 利 11

13 12

14 自 深 層 的 溶 岩 湖 中 取 熱 系 統 1980 年 代 在 美 國 的 夏 威 夷 洲 kilauea 火 山 附 近 於 地 下 5 公 里 深 處 到 達 溫 度 650~1,300 C 的 溶 岩 湖, 因 此 使 用 套 管 方 式 在 地 下 進 行 熱 交 換 取 熱 冷 水 由 中 央 套 管 流 入 井 中, 經 溶 岩 加 熱 後 之 水 蒸 汽 由 外 套 管 上 升 至 井 口

15 EGS 系 統 與 CEEG 系 統 不 同 之 處 -1 A. 取 熱 用 水 閉 回 路 循 環 不 易 流 失 亦 不 夾 帶 礦 物 質 :CEEG 熱 水 完 全 在 封 閉 系 統 內 循 環 輸 送 熱 量 熱 水 不 與 地 層 內 物 質 交 換 僅 有 能 量 傳 遞 載 熱 之 介 質 - 熱 水 損 耗 減 少, 不 需 要 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 解 於 熱 水 中, 被 載 至 地 表 降 溫 減 壓 後 大 量 沈 積 於 管 線 內, 阻 塞 管 路 損 壞 機 具 的 問 題 B. 節 省 循 環 取 熱 之 能 量 消 耗 : 傳 統 EGS 工 法 必 須 將 循 環 水 加 壓 打 入 地 下 岩 脈 縫 隙, 並 用 強 力 擠 壓 載 熱 用 水 在 縫 隙 中 流 動, 以 獲 取 岩 層 中 熱 量 ( 此 即 Enhance Geothermal 之 原 義 ) CEEG 方 式 是 將 水 封 閉 於 鑽 掘 之 深 井 內 循 環 流 動 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 14

16 EGS 系 統 與 CEEG 系 統 不 同 之 處 -2 C. 沒 有 引 發 淺 層 地 震 的 困 擾 : 由 於 CEEG 沒 有 利 用 地 下 岩 層 裂 縫 導 水 取 熱, 也 沒 有 在 取 熱 過 程 中 帶 走 岩 層 縫 隙 中 任 何 物 質, 循 環 取 熱 用 水 並 未 在 岩 脈 或 斷 層 中 流 竄 未 擾 動 地 下 岩 脈 環 境, 當 不 致 造 成 地 底 岩 層 不 連 續 面 滑 動 而 導 致 小 型 局 部 地 震 D. 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 ) 或 岩 脈 縫 隙 地 帶 15

17 Prof. Bohdan Maciej Zakiewicz CEEG 技 術 取 得 美 國 專 利 證 明 16

18 17 Jet-stinger 最 前 端 BZ-Harvester 裝 置

19 Prof. Bohdan Zakiewicz 運 用 之 主 要 專 利 項 目 及 Know-how 1. 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 2. 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 3. 低 熱 傳 導 率 回 水 管 The water return pipe of the low thermal conductivity materials 確 保 經 地 下 320 o C 以 上 熱 水 在 上 升 至 地 表 過 程 中 不 致 損 失 太 多 熱 能 4. 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 5. 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

20 CEEG 專 利 及 技 術 發 明 人 Dr.Bohdan M. Zakiewicz Bohdan M. Zakiewicz 教 授 波 蘭 裔 美 國 藉 現 (2012) 年 84 歲 在 採 礦 材 料 及 能 源 領 域 有 50 年 以 上 的 教 學 研 究 及 實 務 經 驗 擁 有 348 項 採 礦 相 關 技 術 專 利 及 know-how 是 2009~2010 年 諾 貝 爾 經 濟 獎 的 被 提 名 人 之 一 CEEG 技 術 於 2011 年 9 月 20 日 獲 得 美 國 US B1 號 專 利 許 可 19

21 Bohdan M. Zakiewicz 教 授 技 術 團 隊 主 要 成 員 1.Michal Kleiber 波 蘭 科 學 院 院 長 2.Zygmunt Mierczyk 波 蘭 軍 事 科 學 院 院 長 3.Janusz Badur 波 蘭 科 學 院 流 體 力 學 研 究 所 所 長 5.Piotr Moncarz 美 國 史 丹 福 大 學 教 授 6.Zbigniew Roch 瑞 士 Viston 公 司 董 事 長

22 推 動 深 層 地 熱 發 電 之 必 要 性 1.(IEA)(International Energy Agency 國 際 能 源 總 署 2011 年 ): 因 施 工 方 法 改 進 及 鑽 探 技 術 新 發 展 而 大 幅 降 低 鑽 井 成 本, 則 大 規 模 利 用 地 熱 資 源 將 變 成 經 濟 上 十 分 可 行, 同 時 將 促 進 地 熱 工 業 整 體 的 大 幅 成 長 2. 深 層 地 熱 發 電 目 前 已 獲 世 界 各 先 進 國 家 認 同 並 積 極 開 發 建 設 中, 對 深 層 地 質 研 究 5000 公 尺 以 下 資 源 探 測 鑽 井 設 備 及 監 控 技 術 冶 金 及 材 料 技 術 低 溫 發 電 設 備 等 科 技 發 展 有 極 大 幫 助 是 整 合 型 國 家 科 技 發 展 計 劃 3. 地 熱 資 源 是 清 潔 的 可 再 生 能 源, 且 發 電 過 程 中 不 污 染 環 境 亦 不 排 放 CO 2 台 灣 有 豐 富 地 熱 資 源 亦 有 巨 大 的 能 源 需 求 推 動 深 層 地 熱 發 電 有 益 於 環 境 永 續 發 展 及 國 家 能 源 自 主, 並 促 進 經 21 濟 快 速 成 長

23 22 地 熱 資 源 的 分 類

24 地 熱 發 電 之 熱 源 Earth : thermal engine 地 表 平 均 熱 流 :87 mw/m 2 地 表 每 年 散 失 的 熱 量 = Kilo cal 1.68X10 10 Barrels oil (Verhoogen et al., 1970) 23

25 24 地 表 熱 流 之 分 布 極 不 平 均 台 灣 位 於 板 塊 邊 緣 擁 有 較 大 之 地 表 熱 流

26 25 地 熱 發 電 有 高 的 設 備 裝 置 容 量 係 數

27 地 溫 梯 度 1 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) 2 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 1.3 HFU 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 3 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 : 26 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

28 世 界 主 要 地 熱 國 家 的 發 展 現 況 Installed geothermal electric capacity Country Capacity (MW) 2007 [ Capacity (MW) 2010 percentage of national production USA % Philippines % Indonesia % Mexico % Italy New Zealand % Iceland % Japan % El Salvador % Kenya % Costa Rica % Turkey % Nicaragua %

29 美 國 的 地 熱 資 源 - 1 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006 美 國 在 2005 年 全 國 能 源 消 耗 為 100EJ(EJ=10 18 Joules), 美 國 全 國 3~10km 地 層 內 之 地 熱 能 儲 存 量 為 14 x 10 6 EJ 是 2005 年 美 國 全 年 能 源 用 量 之 14 萬 倍 即 使 只 利 用 2% 亦 達 0.28 x 10 6 EJ 為 2005 年 全 美 國 能 源 消 耗 量 的 2800 倍 28

30 美 國 的 地 熱 資 源 -2 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006 Underground 3.5km Underground 5.5km 29

31 美 國 的 地 熱 資 源 - 3 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006 Underground 6.5 km Underground 10 km 30

32 美 國 的 地 熱 資 源 - 4 Areas in the underground 5.5km depth ground temperature is above 200 when the depth to 10km extremely may reach 300 C 31

33 美 國 的 沈 積 層 厚 度 及 低 傳 熱 岩 層 地 區 美 國 大 部 份 地 區 沈 積 層 厚 度 未 達 4000 公 尺 美 國 大 部 份 地 區 沈 積 層 厚 度 未 達 4000 公 尺 且 西 部 岩 層 有 較 高 的 熱 傳 係 數 32

34 33 美 國 的 淺 層 地 熱 美 國 僅 西 部 落 磯 山 脈 週 邊 有 較 高 溫 之 淺 層 地 熱

35 34 美 國 的 深 層 地 熱 地 下 6km 以 西 部 接 近 落 磯 山 脈 週 邊 地 溫 較 高

36 35 美 國 本 土 的 深 層 地 熱 蘊 藏 量

37 36 美 國 的 地 表 熱 流 及 地 殼 溫 度 在 美 國 僅 西 岸 緊 鄰 落 磯 山 脈 地 區 有 較 大 地 表 熱 流 60mW/m2 美 國 的 地 溫 分 佈 是 由 南 至 北 按 緯 度 升 高 而 遞 減

38 37 美 國 加 州 再 生 能 源 運 用 狀 況

39 38 歐 洲 未 來 二 年 內 地 熱 建 設 狀 況 德 國 法 國 丹 麥 均 有 許 多 地 熱 新 計 劃 將 於 2 年 內 執 行

40 39 歐 洲 EGS(HDR) 地 熱 建 設 狀 況 德 國 法 國 瑞 士 均 有 HDR 地 熱 計 劃 在 執 行 中

41 法 國 Soultz HDR(EGS) 地 熱 井 位 置 地 熱 井 平 面 40

42 法 國 Soultz HDR (EGS) 地 熱 井 開 發 過 程 41

43 法 國 Soultz EGS 地 熱 井 開 發 狀 況 42

44 43 法 國 Soultz 地 熱 井 地 質 及 取 熱 範 圍

45 法 國 Soultz 地 熱 井 深 度 及 地 溫 分 布 44

46 45 法 國 Soultz 地 熱 發 電 廠 井 管 分 布 圖

47 法 國 Soultz 地 熱 發 電 廠 與 全 球 主 要 EGS(HDR) 地 熱 開 發 比 較 46

48 47 德 國 地 溫 分 布 及 地 熱 井 位 置

49 德 國 在 2020 年 以 前 地 熱 開 發 計 劃 48

50 臺 灣 之 地 熱 資 源 -1 迄 1986 年 底 止, 中 油 公 司 在 臺 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 臺 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 49

51 50 臺 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 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

52 51 臺 灣 最 深 的 鑽 井 紀 錄 5863m 資 料 來 源 : 經 濟 部 中 央 地 質 調 查 所 彙 刊 第 六 卷 第 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

53 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 52 花 東 地 熱 區 宜 蘭 地 熱 區 大 屯 火 山 群 地 熱 區

54 涵 蓋 總 原 始 地 熱 發 所 佔 比 各 海 拔 區 間 地 熱 蘊 藏 發 電 容 量 (MWe) 台 灣 四 大 地 熱 面 積 電 容 量 率 天 然 條 件 較 可 開 (km 2 ) (MWe) (%) 天 然 條 件 限 制 開 發 發 ~ 500~ 地 區 >2000 <500 ~ 宜 蘭 地 區 , % 30, ,100 4,135 大 屯 火 山 群 地 88 2, % ,170 區 花 東 地 熱 區 5, , % 15,900 43,334 15,443 12,880 12,874 南 投 廬 山 地 熱 區 四 大 高 溫 地 熱 區 總 計 53 台 灣 地 區 地 熱 蘊 藏 發 電 容 量 深 度 小 於 4000m 地 溫 超 過 , % 10,143 5,194 3, , ,606 56,262 48,541 19,758 15,866 19,179 ( 所 佔 比 率 %) 35.25% 30.41% 12.38% 9.94% 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

55 ( ( ) ) 台 灣 依 賴 進 口 能 源 供 應 全 球 人 口 GDP 持 續 成 長 2050 能 源 需 求 增 加 2 倍 以 上 台 灣 進 口 能 源 比 例 高 達 99.4% 全 球 人 口 數 億 人 年 6 8 億 人 2008 年 4 千 萬 兆 2050 年 90 億 人 成 長 30 % 2050 年 10 千 萬 兆 成 長 150% 資 料 來 源 (1) 聯 合 國, 2009 (2) Pacific Northwest National Laboratory (3) BP2008, URANIUM 2007 (4) Towards a comprehensive climate change in Copenhagen, SEC{2009} ( 台 經 院 整 理 ) 全 球 經 濟 千 萬 兆 美 元 千 公 秉 油 當 量 10 3 KLOE 160, , , ,000 80,000 60,000 40,000 20, % 99.3% 99.3% 99.4% 99.4% 98.7% 98.5% 98.4% 98.0% 2.0% 1.6% 1.5% 1.3% 1.0% 0.7% 0.7% 0.6% 0.6% 自 產 Indigenous 進 口 Imported 年 Year

56 台 灣 能 源 供 應 的 挑 戰 台 灣 GDP 持 續 成 長 則 能 源 需 求 將 同 時 成 長 台 灣 進 口 能 源 佔 全 部 進 口 總 值 20.6% 公 升 油 當 量 / 人 LOE/Person 平 均 每 人 能 源 消 費 量 Per Capita Energy Consumption 千 元 / 人 Thousand NT$/Person 5,500 5,000 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1, ,221 5,223 4,640 4,908 4,921 4, , ,228 3, , 年 Year 資 料 來 源 (1) 聯 合 國, 2009 (2) Pacific Northwest National Laboratory (3) BP2008, URANIUM 2007 (4) Towards a comprehensive climate change in Copenhagen, SEC{2009} ( 台 經 院 整 理 )

57 台 灣 能 源 供 應 的 挑 戰 台 灣 GDP 成 長 則 能 源 消 費 同 時 成 長 台 灣 能 源 消 費 中 電 力 比 重 愈 來 愈 高 能 源 消 費 成 長 率 (%) Total Domestic Consumption Growth Rate GDP 成 長 率 (%) Real GDP Growth Rate 年 Year

58 我 國 與 鄰 近 國 家 電 價 比 較 日 本 電 價 是 台 灣 的 2.3 倍, 菲 律 賓 電 價 是 2.5 倍, 英 國 是 1.8 倍, 德 國 是 2.12 倍, 美 國 是 1.16 倍

59 臺 灣 過 去 的 地 熱 發 電 清 水 地 熱 發 電 試 驗 場 (12.5 years) 平 均 輸 出 (kw) 1,500 清 水 地 熱 發 電 廠 歷 年 發 電 力 1, 發 電 力 :1,500kw 177kw

60 清 水 地 熱 發 電 失 敗 原 因 單 閃 渦 輪 蒸 氣 發 電 機 機 組 選 用 不 當 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

61 清 水 地 熱 發 電 潛 力 評 估 工 研 院 日 本 WJEC 紐 西 蘭 SKM Chen and Sanyal 張 竝 瑜 Temp( ) 160~200 Ave: ~250 Ave: ~250 Ave: ~200 Ave: ~205 Area (km 2 ) 0.26~2.16 Ave ~2.0 Ave ~2.5 Ave ~2.6 Ave: Thickness (km) 1.0~2.0 Ave ~3.0 Ave ~2.5 Ave ~2.5 Ave: ~ 3.0 Recovery factor (%) 10~15 Ave: ~42.5 Ave: ~20 Ave: 15 10% Capacity , mean=5.7 MW 90% mean=9m W , mean=9.6 MW MW 10 MW

62 7 深 層 地 熱 發 電 相 關 技 術 整 合 7.1 深 井 鑽 掘 技 術 及 設 備 : 鑽 井 至 地 下 8000 公 尺 以 下 到 達 350 o C 以 上 的 地 底 高 溫 環 境 7.2 熱 流 載 體 及 輸 送 技 術 ( 取 熱 技 術 ): 將 井 下 8000 公 尺 以 下, 地 底 環 境 達 350 o C 以 上 的 熱 能, 用 熱 水 或 CO 2 輸 送 至 地 面 上 7.3 發 電 系 統 選 擇 及 整 合 技 術 : 利 用 以 熱 水 或 CO 2 輸 送 至 地 面 達 320 o C 以 上 的 熱 能 推 動 熱 機 ( 渦 輪 機 ), 帶 動 發 電 機 產 生 電 力 並 即 時 監 控 輸 出 電 力 之 品 質

63 深 井 鑽 掘 技 術 及 設 備 鑽 井 至 地 下 8000 公 尺 以 下, 到 達 350 o C 以 上 的 地 底 高 溫 環 境 並 按 地 熱 發 電 廠 設 計 規 模, 鑽 掘 足 夠 數 量 的 管 井 (Jet Stinger) 同 時 進 行 井 壁 噴 漿 及 外 套 管 鋪 設

64 全 球 重 要 深 井 鑽 探 記 錄 鑽 井 位 置 緯 度 愈 低 ( 愈 接 近 赤 道 ) 愈 可 能 在 較 淺 地 層 取 得 300 o C 鑽 深 井 靠 機 具 裝 備 及 操 作 技 術 - 工 欲 善 其 事 必 先 利 其 器

65 Measured depth in meters Days of drilling for five wells in 5 locations, USA GEOTHERMIC SOLUTION, LLC, USA Location 1 Location 2 Location 3 Location 4 Location Based on above data: G.S. Program for 100 MWe: 9000 m in (19x1,5)=315 m/day; 153,000:315=485 days

66 SDS 超 級 雛 菊 型 垂 直 井 SDS 超 級 雛 菊 型 垂 直 井 主 要 用 於 接 近 地 表 的 沈 積 層 土 壤 鑽 掘 至 岩 層 基 盤 面 後 SDS 垂 直 鑽 井 工 具 即 停 止 使 用 1. 若 沈 積 層 土 壤 緊 密, 無 立 即 崩 塌 之 虞, 則 使 用 漏 斗 狀 鑽 頭, 加 快 鑽 井 進 度 2. 若 沈 積 層 土 壤 鬆 散, 有 崩 塌 之 虞, 則 須 使 用 直 立 型 大 鑽 頭 在 鑽 井 之 同 時 進 行 鋼 筋 混 凝 土 內 襯 施 工

67 66 Jet-Stinger 針 刺 型 管 井 構 造 圖

68 深 層 地 熱 鑽 井 費 用 依 據 MIT 研 究 1976~2004 資 料 (6km 以 上 深 度 僅 有 1994~2000 資 料 ): 地 熱 井 鑽 掘 深 度 達 4,700 公 尺 後, 鑽 井 成 本 即 小 於 一 般 石 油 及 天 然 氣 之 鑽 井 成 本 本 專 案 計 畫 鑽 井 深 度 為 10KM 計 畫 到 達 地 溫 350 環 境 67

69 EGS 系 統 地 熱 發 電 廠 每 度 電 造 價 分 析 取 得 之 地 下 熱 水 溫 度 愈 高 熱 電 轉 換 效 率 愈 好 則 每 單 位 建 廠 成 本 愈 低 68

70 岩 石 的 熱 學 特 性 抗 壓 強 度 與 溫 度 關 係 熱 傳 導 率 69

71 深 井 鑽 掘 技 術 未 來 發 展 1. 噴 射 鑽 井 法 Projectile drilling: 利 用 高 壓 水 的 力 量 驅 動 高 速 鑽 頭 破 裂 岩 石, 並 將 岩 削 用 鑽 井 液 帶 至 地 表 2. 破 碎 鑽 井 法 Spallation drilling : 在 鑽 頭 前 端 利 用 火 焰 等 高 溫 將 岩 石 裂 解 3. 雷 射 鑽 井 法 Laser drilling : 與 破 碎 鑽 井 法 相 似 但 熱 源 是 使 用 鑽 頭 前 端 的 高 能 雷 射, 用 高 溫 將 岩 石 裂 解 4. 化 學 鑽 井 法 Chemical drilling : 利 用 強 酸 等 化 學 藥 劑 將 岩 石 裂 解, 可 以 與 傳 統 之 鑽 井 工 法 相 結 合 使 用 70 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006 p.6-28

72 熱 流 載 體 及 輸 送 技 術 取 熱 技 術 : 將 井 下 8000 公 尺 以 下, 地 底 環 境 達 350 o C 以 上 的 熱 能, 用 熱 水 或 CO 2 輸 送 至 地 面 上

73 72 水 的 氣 液 態 變 化 溫 度 壓 力 圖 為 確 保 迴 圈 熱 水 在 320 時 仍 為 液 態, 管 路 須 達 150bar 耐 壓

74 CEEG COMPREHENSIVE ENERGY EXTRACTION FROM GEO-PLUTONIC DRY HEAT DEPTH 6,000 M Pipe length 6 km Pipe length 6 km Heat carrier mass flow [kg/s] Heat carrier velocity in [m/s] Heat carrier velocity out [m/s] TC of effluent tube 0,0035 [W/mK] Changable viscosity 0,001-0,00011 [(kg/ms)] Inlet carrier temperature 20 o C T outlet [ o C] Pressu re [atm] Entrop y [kj/(kg K)] Enthal py [MJ/kg] TP [MW] Outer rock max temperature 350 o C at depth of 6 km EP [MW] Heat carrier mass flow [kg/s] Heat carrier velocity in [m/s] Heat carrier velocity out [m/s] TC of effluent tube 0,0035 [W/mK] Changable viscosity 0,001-0,00011 [(kg/ms)] Inlet carrier temperature 20 o C T outlet [ o C] Pressu re [atm] Entrop y [kj/(kg K)] Enthal py [MJ/kg] TP [MW] Outer rock max temperature 210 o C at depth of 6 km EP [MW] 30 1,55 2,51 339,3 33,5 3,08 1,27 38,8 12,9 30 1,55 2,51 204,9 33,5 2,12 0,75 23,2 7,7 40 2,07 3,35 328,6 54,3 3,08 1,26 51,6 17,2 40 2,07 3,35 204,7 54,3 2,12 0,75 30,9 10,3 50 2,59 4,19 327,5 79,7 3,07 1,26 64,3 21,4 50 2,59 4,19 204,3 79,7 2,11 0,75 38,6 12,9 All commercial and intelectual rights restricted Author: Bohdan M. Żakiewicz

75 為 何 使 用 CO 2 做 地 熱 流 體 攜 帶 熱 能 美 國 Los Alamos National Laboratory ( 國 家 實 驗 室 ) 於 1970 年 代 起 即 研 究 利 用 超 臨 介 CO 2 (Supercritical carbon dioxide) SCCO 2 做 地 熱 井 之 熱 流 載 體 其 優 點 有 : 1. 水 的 密 度 ( 比 重 ) 因 溫 度 而 變 化 的 範 圍 很 小, 但 SCCO 2 在 低 溫 時 (0.96g/cc) 在 高 溫 時 (0.39g/cc) 高 溫 SCCO 2 有 很 大 的 上 浮 力, 可 大 幅 減 少 循 環 泵 的 能 源 消 耗 2. 高 溫 的 水 對 地 層 內 的 礦 物 質 有 極 大 的 溶 解 力, 但 SCCO 2 或 CO 2 對 礦 物 質 沒 有 溶 解 力 SCCO 2 不 至 將 地 下 礦 物 質 攜 帶 至 地 表 3. 在 超 過 水 的 臨 介 溫 度 374 o C 以 上 時, SCCO 2 的 熱 力 學 特 性 沒 有 明 顯 變 化, 亦 不 至 於 將 矽 等 物 質 溶 解 4. SCCO 2 在 地 下 洩 漏 就 成 為 CO 2 地 下 封 存 的 一 部 份 沒 有 環 境 污 染 問 題 5. SCCO 2 的 熱 量 攜 帶 能 力 只 有 同 質 量 水 的 2/5

76 何 謂 超 臨 介 CO 2 (Supercritical carbon dioxide) SCCO 2

77 SCCO 2 與 水 的 質 量 輸 送 能 力 比 較 質 量 輸 送 能 力 m = ρ/ μ 即 輸 送 質 量 = 密 度 / 黏 滯 力

78 SCCO 2 與 水 的 熱 量 攜 帶 能 力 比 較

79 SCCO 2 與 水 對 地 層 內 熱 量 淬 取 能 力 比 較 對 不 同 的 儲 ( 取 ) 熱 層 溫 度 對 不 同 的 儲 熱 層 壓 力 及 回 注 水 溫 度

80 用 水 或 CO 2 做 地 熱 流 體 套 管 配 置 不 同 用 CO 2 做 地 熱 流 體 時 須 內 套 管 注 水 外 管 迴 水

81 發 電 系 統 選 擇 及 電 力 整 合 監 控 技 術 利 用 以 熱 水 或 CO 2 輸 送 至 地 面 達 320 o C 以 上 的 熱 能 推 動 熱 機 ( 渦 輪 機 ), 帶 動 發 電 機 產 生 電 力, 並 即 時 監 控 發 電 機 組 及 變 電 設 備 向 電 網 輸 送 電 力

82 地 熱 資 源 使 用 之 發 電 系 統 選 擇 地 熱 發 電 系 統 之 選 由 地 熱 井 工 作 流 體 溫 度 壓 力 及 雜 質 多 寡 決 定 81 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006

83 地 熱 發 電 系 統 選 擇 要 件 1. 地 熱 井 水 溫 在 100 o C~200 o C 時 以 使 用 雙 循 環 發 電 系 統 為 主, 但 熱 能 電 能 轉 換 效 率 在 15% 以 下 2. 地 熱 井 水 溫 在 200 o C~250 o C 時 可 使 用 單 閃 或 雙 閃 小 型 汽 輪 機 發 電 系 統, 熱 能 電 能 轉 換 效 率 在 15%~20% 3. 地 熱 井 水 溫 在 250 o C~400 o C 時 可 使 用 雙 閃 或 三 閃 等 多 欠 擴 容 汽 輪 機 發 電 系 統, 熱 能 電 能 轉 換 效 率 在 20%~35% 4. 本 計 劃 預 計 鑽 井 至 地 下 8000 公 尺 深 取 得 350 o C 以 上 地 熱 井 水 溫, 故 設 計 使 用 三 次 擴 容 汽 輪 機 發 電 系 統 同 時 提 高 熱 能 電 能 轉 換 效 率 至 30% 以 上 82 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006

84 83 深 層 地 熱 發 電 最 適 試 驗 規 模 依 據 MIT 資 料 地 熱 發 電 廠 最 低 單 位 電 價 成 本 為 發 電 量 250MW 電 廠

85 地 熱 發 電 廠 取 熱 溫 度 與 發 電 效 率 地 熱 發 電 廠 自 地 底 取 熱 溫 度 達 350 時, 熱 能 電 能 轉 換 效 率 可 達 22% 84 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006

86 地 熱 井 出 水 溫 度 不 高 (250 o C 以 下 ) 須 使 用 雙 循 環 發 電 系 統 85

87 運 轉 中 雙 循 環 地 熱 發 電 廠 效 率 比 較 世 界 各 國 運 轉 中 之 雙 循 環 地 熱 發 電 廠, 其 熱 能 電 能 轉 換 效 率 大 多 介 於 5%~13.8% 之 間 86

88 地 熱 資 源 使 用 之 發 電 機 系 統 發 電 系 統 的 選 擇 取 決 於 地 熱 井 出 口 的 水 溫 與 水 量 及 水 中 礦 物 質 含 量 主 要 選 項 有 : 1. 直 接 驅 動 或 間 接 驅 動 若 地 熱 井 出 口 水 溫 達 320 o C 以 上 則 選 用 直 接 驅 動 汽 輪 機 若 地 熱 井 出 口 水 溫 在 65 o C~ 300 o C 之 間, 則 選 用 間 接 驅 動 汽 輪 機 2. 汽 輪 機 或 螺 桿 膨 脹 機 若 地 熱 井 出 口 水 溫 在 300 o C 以 下, 出 口 水 溫 變 動 大 熱 水 與 蒸 汽 混 合 或 含 礦 物 等 雜 質, 則 須 選 用 直 接 驅 動 螺 桿 膨 脹 機 若 選 用 汽 輪 機 則 應 避 免 使 用 飽 和 水 蒸 汽, 飽 和 水 蒸 汽 在 降 溫 後 易 凝 結 為 水, 降 低 汽 輪 機 效 率 須 將 水 蒸 汽 在 使 用 前 做 擴 容 等 前 處 理 卡 琳 娜 (Kalina) 循 環 技 術, 是 間 接 驅 動 汽 輪 機 ( 雙 循 環 發 電 系 統 ) 之 一, 使 用 氨 (70%) 水 (30%) 混 合 液 做 工 作 介 質, 是 俄 國 人 發 明 領 有 中 國 專 利, 將 於 2024 年 專 利 到 期 適 用 於 地 熱 井 出 口 水 溫 66 o C~ 170 o C 狀 況

89 運 轉 中 雙 循 環 地 熱 發 電 機 組 效 率 比 較 世 界 各 國 運 轉 中 之 雙 循 環 地 熱 發 電 機 組, 其 熱 能 電 能 轉 換 效 率 大 多 介 於 5%~13.8% 之 間 88 The Future of Geothermal Energy in the 21st Century An assessment by MIT 2006

90 美 國 普 惠 公 司 製 造 之 低 溫 發 電 機 系 統

91 普 惠 280 低 溫 雙 循 環 發 電 機 熱 源 溫 度 及 流 速 表

92 91 雙 循 環 渦 輪 發 電 機 系 統 配 線 圖

93 雙 循 環 發 電 機 配 線 系 統 說 明 1. 本 案 使 用 之 汽 渦 輪 發 電 機 輸 出 60Hz/4160V 電 力 為 減 少 電 力 線 及 監 控 配 線 長 度 以 節 省 廠 內 線 路 費 用, 采 5 台 發 電 機 組 並 聯 至 同 一 配 電 盤 方 式 輸 出 電 力 2. 即 以 5 組 發 電 機 共 一 個 並 聯 配 電 盤, 由 該 配 電 盤 及 時 監 控 (Real Time Monitor & Control) 各 台 發 電 機 輸 出 電 壓 及 輸 出 交 流 電 之 頻 率, 並 對 發 電 機 轉 速 輸 出 電 力 等 及 時 調 控, 隨 時 將 發 電 機 輸 出 電 力 之 品 質 保 持 在 一 定 水 準 3. 若 電 壓 降 或 頻 率 誤 差 達 5% 以 上, 單 機 接 入 口 立 即 跳 脫 ; 于 並 聯 配 電 盤 發 出 警 報 同 時 通 知 監 控 中 心, 各 別 發 電 機 輸 出 電 力 小 於 500KW 時 將 自 動 停 機 跳 脫 ; 並 向 監 控 中 心 發 出 警 告 訊 號 4. 並 聯 配 電 盤 彙 整 5 台 發 電 機 電 流 後, 經 變 壓 器 將 電 壓 由 4.16KV 升 高 為 12.47KV 60Hz 以 三 相 4 線 中 壓 輸 電 系 統, 向 廠 區 電 力 出 口 變 電 站 送 電 以 節 省 大 口 徑 電 纜 線 長 度 5. 廠 區 出 口 變 電 站 根 據 台 電 輸 電 網 絡 電 壓 23.0 KV, 將 輸 出 電 壓 調 整 後 向 輸 電 網 絡 輸 送 電 力 92

94 螺 桿 膨 脹 發 電 機 基 本 原 理 及 特 性 螺 桿 膨 脹 發 電 機 基 本 構 造 是 由 一 對 螺 旋 轉 子 ( 陰 陽 螺 桿 轉 子 ) 和 機 殼 構 成 熱 流 體 ( 蒸 汽 熱 液 或 氣 液 兩 相 混 合 流 體 ) 進 入 螺 桿 齒 槽 A, 熱 流 體 膨 脹 能 量 推 動 螺 桿 轉 動 齒 槽 旋 轉 到 B C D, 齒 槽 總 容 積 增 加, 熱 流 體 降 壓 膨 脹 作 功, 最 後 從 齒 槽 E 排 出, 完 成 由 熱 能 至 機 械 能 的 能 量 轉 換, 螺 桿 膨 脹 發 電 機 功 率 從 陽 螺 桿 主 軸 輸 出, 驅 動 發 電 機 發 電 螺 桿 膨 脹 發 電 機 主 要 技 術 特 點 : 機 械 能 至 電 能 轉 換 效 率 70%~85% 1. 熱 源 形 態 廣 泛 : 飽 和 蒸 汽 過 熱 蒸 汽 汽 水 混 合 蒸 汽 熱 水 熱 液 易 結 垢 熱 源 2. 允 許 熱 源 溫 度 壓 力 流 量 大 範 圍 波 動, 熱 機 運 轉 依 然 高 效 平 穩 3. 快 速 啟 停 : 不 需 暖 機 不 必 盤 車, 安 全 平 穩 震 動 小 4. 機 械 零 件 少 長 期 使 用 不 必 大 修, 小 修 簡 便, 佔 地 小, 易 裝 易 移

95 螺 桿 膨 脹 發 電 機 間 接 驅 動 運 轉 流 程

96 95 三 次 擴 容 汽 輪 機 系 統 熱 力 圖

97 能 源 是 影 響 人 類 未 來 發 展 的 首 要 問 題

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100 加 壓 灌 水 於 地 下 礦 脈 中 進 行 液 裂

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102 101 台 灣 的 深 層 地 熱 開 發 綜 合 結 論 1. 台 灣 地 熱 資 源 豐 富 且 有 強 烈 市 場 需 求 : 台 灣 有 豐 富 地 熱 資 源, 經 濟 發 展 及 能 源 自 主 均 需 要 開 發 地 熱 資 源 2. 地 熱 發 電 有 利 於 環 境 保 護 及 永 續 發 展 : 地 熱 發 電 是 再 生 能 源, 且 不 排 放 任 何 污 染 物 質, 是 綠 色 環 保 能 源 3. 地 熱 發 電 是 穩 定 的 基 載 電 源 : 深 層 地 熱 來 源 穩 定, 發 電 裝 置 容 量 因 素 高, 單 一 電 廠 可 達 100MW, 可 規 劃 做 基 載 電 源 使 用 4. 深 層 地 熱 發 電 在 離 島 可 立 即 減 少 電 力 供 應 財 務 虧 損 : 廠 址 地 理 環 境 限 制 少, 用 地 面 積 小, 在 台 灣 可 大 量 開 發 在 離 島 亦 便 於 設 置 可 替 代 台 電 公 司 離 島 發 電 系 統 高 成 本 且 每 年 巨 額 虧 損 之 燃 油 機 組 5. 深 層 地 熱 發 電 技 術 是 綜 合 科 技 整 合, 可 提 昇 國 家 競 爭 力 及 高 科 技 發 展 : 深 層 地 熱 發 電 涉 及 地 質 探 查 土 壤 力 學 深 井 鑽 掘 材 料 冶 金 機 械 設 計 熱 流 低 溫 發 電 機 電 力 電 子 網 路 監 控 是 綜 合 型 的 高 科 技 整 合, 在 台 灣 有 機 會 成 為 領 先 全 球 能 源 革 命 的 示 範 產 業 6. 台 灣 應 立 即 且 大 力 推 動 深 層 地 熱 開 發 : 台 灣 地 熱 發 電 開 發 應 用, 因 受 清 水 地 熱 電 廠 停 止 運 轉 之 影 響, 而 裹 足 不 前 但 台 灣 地 區 有 豐 富 之 地 熱 資 源, 深 層 地 熱 發 電 應 大 力 推 動

103 報 告 完 畢 請 多 指 教 Report is completed please guidance 102