深層地熱發電簡報

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

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

深 層 地 熱 與 淺 層 地 熱 系 統 之 差 異

傳 統 的 EGS 深 層 地 熱 開 發 方 式

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

5 EGS 施 工 程 序 -1

6 EGS 施 工 程 序 -2

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

8 EGS 施 工 程 序 -4

9 EGS 施 工 程 序 -5

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

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.20.2011 領 有 美 國 第 8020382 B1 號 專 利 11

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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

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

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

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

17 Jet-stinger 最 前 端 BZ-Harvester 裝 置

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 ---- 18 地 熱 井 的 系 統 監 測 水 泵 運 轉 均 需 電 力 傳 送

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.8020382 B1 號 專 利 許 可 19

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

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

22 地 熱 資 源 的 分 類

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 =2.4 10 17 Kilo cal 1.68X10 10 Barrels oil (Verhoogen et al., 1970) 23

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

25 地 熱 發 電 有 高 的 設 備 裝 置 容 量 係 數

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

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 2687 3086 0.3% Philippines 1969.7 1904 27% Indonesia 992 1197 3.7% Mexico 953 958 3% Italy 810.5 843 New Zealand 471.6 628 10% Iceland 421.2 575 30% Japan 535.2 536 0.1% El Salvador 204.4 204 25% Kenya 128.8 167 11.2% Costa Rica 162.5 166 14% Turkey 38 94 0.3% Nicaragua 87.4 88 10%

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

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

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

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

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

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

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

35 美 國 本 土 的 深 層 地 熱 蘊 藏 量

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

37 美 國 加 州 再 生 能 源 運 用 狀 況

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

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

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

法 國 Soultz HDR (EGS) 地 熱 井 開 發 過 程 41

法 國 Soultz EGS 地 熱 井 開 發 狀 況 42

43 法 國 Soultz 地 熱 井 地 質 及 取 熱 範 圍

法 國 Soultz 地 熱 井 深 度 及 地 溫 分 布 44

45 法 國 Soultz 地 熱 發 電 廠 井 管 分 布 圖

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

47 德 國 地 溫 分 布 及 地 熱 井 位 置

德 國 在 2020 年 以 前 地 熱 開 發 計 劃 48

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

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 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

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 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

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

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 1500 1000~ 500~ 地 區 >2000 <500 ~2000 1500 1000 宜 蘭 地 區 532 36,923 23.13% 30,219 13 456 2,100 4,135 大 屯 火 山 群 地 88 2,886 1.81% 0 0 0 716 2,170 區 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 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 175 954 19,366 12.13% 10,143 5,194 3,859 170 0 6,977 159,606 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

( ( ) ) 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 120 100 80 60 40 20 0 2 0 0 8 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% 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 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 ) 300 250 200 150 100 50 0 全 球 經 濟 千 萬 兆 美 元 千 公 秉 油 當 量 10 3 KLOE 160,000 140,000 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 99.0% 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% 84 1995 86 1997 自 產 Indigenous 88 1999 90 2001 92 2003 進 口 Imported 94 2005 96 2007 98 2009 99 2010 年 Year

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 1,000 500 0 5,221 5,223 4,640 4,908 4,921 4,357 617 3,856 568 3,228 3,492 558 513 464 419 430 389 355 84 1995 86 1997 88 1999 90 2001 92 2003 94 2005 96 2007 98 2009 99 2010 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 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 )

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 10.9 10.0 8.0 6.0 4.0 6.4 5.3 5.5 5.0 6.0 5.4 5.8 3.9 3.7 4.7 6.0 4.8 6.4 2.0 0.0 0.8 0.9 0.9 2.2 1.1 0.5 0.8 1.2 0.6-2.0-4.0 84 1995 86 1997 88 1999-1.7 90 2001-3.5 92 2003 94 2005 96 2007-1.9-2.3 98 2009 年 Year

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

臺 灣 過 去 的 地 熱 發 電 清 水 地 熱 發 電 試 驗 場 1981-1993 (12.5 years) 平 均 輸 出 (kw) 1,500 清 水 地 熱 發 電 廠 歷 年 發 電 力 1,000 500 58 0 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 發 電 力 :1,500kw 177kw

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

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: 180 170~250 Ave: 200 170~250 Ave: 200 180~200 Ave: 190 145~205 Area (km 2 ) 0.26~2.16 Ave. 0.56 0.18~2.0 Ave. 0.56 1~2.5 Ave. 2 1.4~2.6 Ave: 2 1.15 Thickness (km) 1.0~2.0 Ave. 1.5 1.5~3.0 Ave. 2.0 1.5~2.5 Ave. 2.0 1.5~2.5 Ave: 2.0 2.0 ~ 3.0 Recovery factor (%) 10~15 Ave: 12.5 17.5~42.5 Ave: 25 13 10~20 Ave: 15 10% Capacity 2.74-9.19, mean=5.7 MW 90% mean=9m W 3.85-17.48, mean=9.6 MW 20-30 MW 10 MW

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

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

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

Measured depth in meters 2000 2300 1800 2600 2500 2900 2800 3200 3100 3500 3400 3800 3700 4100 4000 4400 4300 4700 4600 5000 4900 5300 5200 5600 5500 5900 5800 6200 6100 6500 6400 6800 6700 7100 7000 Days of drilling for five wells in 5 locations, USA 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 GEOTHERMIC SOLUTION, LLC, USA Location 1 Location 2 Location 3 Location 4 Location 5 64 7400 7300 7700 7600 8000 7900 8200 Based on above data: G.S. Program for 100 MWe: 9000 m in (19x1,5)=315 m/day; 153,000:315=485 days

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

66 Jet-Stinger 針 刺 型 管 井 構 造 圖

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

SCCO 2 與 水 的 熱 量 攜 帶 能 力 比 較

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

美 國 普 惠 公 司 製 造 之 低 溫 發 電 機 系 統

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

91 雙 循 環 渦 輪 發 電 機 系 統 配 線 圖

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

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

螺 桿 膨 脹 發 電 機 間 接 驅 動 運 轉 流 程

95 三 次 擴 容 汽 輪 機 系 統 熱 力 圖

能 源 是 影 響 人 類 未 來 發 展 的 首 要 問 題

加 壓 灌 水 於 地 下 礦 脈 中 進 行 液 裂

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

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