台灣地熱產業現狀及未來前景

蔡國忠教授

機械與機電工程系所

國立宜蘭大學

2017/07/27

Email:gctsai@niu.edu.tw

圖1：國際地熱能發展容量（MW）

當前地熱能力正在建設的潛在能力增加 - 基線宣布完成日期的潛在能力增加GEA 2013/2014預測全球地熱聯盟（GGA)資料

圖2 各國已發展的地熱能(03/2016)

圖3 列出各國的開發計劃(未來10年)

各國的開發計劃(未來10年)

菲律賓，印度尼西亞、或歐洲或美國繼續增加裝機容量。

中南美洲的地熱正在向前發展。(1) 薩爾瓦多計劃納入到2019年底，其能源結構中的地熱能源佔40％。(2)智利開始在Cerro Pabellon的第一座地熱發電廠開展工作，並已製定了3個 年度的鑽探計畫. (3)哥斯達黎加從日本獲得了5億美元的信貸額度,合作機構（JICA）在Pailas 及Borinquen地區開發高達165兆瓦(MW)的地熱發電能力。尼加拉瓜在2015年擴大了對可再生能源的獎勵，以達到2020年90％的可再生能源目標。

東非是地熱活動的另一個區域溫床，強勁的進步推動了幾個國家更接近建設第一座地熱發電廠。 坦桑尼亞地熱發展到2020年時會有220兆瓦(MW)的電力。

與此同時，肯亞將出口部分過剩的電力到相鄰的盧旺達和烏干達的，其中一半的電力是地熱能產生的。

各國的開發計劃(未來10年)

在北美，墨西哥已經增加了對地熱市場的承諾。 在2015年中期，墨西哥發布了新的規則，私人地熱租賃，法律，技術，行政和財務要求，以及獲得註冊，許可或讓步所需的程序。然後在2015年秋天，墨西哥發布其批發電力市場準則，獨立電力生產商可出價11月份合同，預計將於2016年第二季度獲得批准。

最後，建設項目的國家數量繼續增長。 一些新進入者進入地熱市場包括中東國家的組織，如沙烏地阿拉伯，伊朗和巴基斯坦都宣布打算建立地熱項目或宣布發展地熱的短期目標。

。

未來的發展

全球地熱聯盟（GGA），由國際可再生能源機構(IREENA)帶頭並得到聯合國的支持，在“氣候變化框架公約”（UNFCCC）承諾全球地熱發電到2030年會達到五倍現在的電量將達到65GW。

台灣地溫梯度分布 台灣東北部和東部地區的地底溫度較西部高，潛藏龐大的地熱資源

台灣過去的地熱發電清水地熱發電試驗場(1981-1993 )，(12.5 years)

26 geothermal sites 除台東火山區外，其他二十五

個地熱地都是以水為主的地熱資源。

台灣在不久的將來會有100MW的地熱發電廠。

核一廠兩部機組之設計完全相同

反應爐反應爐型

輸出功率

開始商轉日期[1]

反應爐廠商

圍阻體型式

商轉執照期限

備註

一號機沸水式反應爐第4型

636MW1978/1

2/06

奇異公司

馬克一型

2018/1

2/05

二號機沸水式反應爐第4型

636MW1979/0

7/16

奇異公司

馬克一型

2019/0

7/15

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AC%AC%E4%B8%80%E6%A0%B8%E8%83%BD%E7%99%BC%E9%9B%BB%E5%BB%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B2%B8%E6%B0%B4%E5%BC%8F%E5%8F%8D%E6%87%89%E7%88%90https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B2%B8%E6%B0%B4%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86

清水地熱發電評估

宜蘭地區地熱可發電容量估算

地熱產業需要的人才

政府的獎勵措施不足

地熱能源在開發初期所需的成本較高、風險較大，故世界地熱能源發展較好的國家，如美國、菲律賓和印尼等，都藉由稅捐優惠、直接補貼和優惠電價等獎勵措施為誘因，鼓勵私人企業投入開發地熱等資源。

而國內對於地熱在開發方面的獎勵措施則明顯不如上述國家，無法吸引私人企業投入地熱能源的開發利用。

法令不足

按相關地熱發電的法規主要涉及1.電業與再生能源，2.土地使用，3.環境保護與4.地熱取得等四領域(戴秀雄教授之研究)。

地熱發電也牽涉到溫泉使用費收取的問題，依目前溫泉法的規定取用一度溫泉水須收取9元的溫泉使用費，地熱發電需使用大量的熱水，若比照溫泉法收取溫泉使用費，則將扼殺開發地熱發電的可能性(戴秀雄教授之研究)。

取用地熱水用於發電也可能牽涉到地下水管制問題，但地熱水來自於深處，並不屬於所謂的淺層地下水，應該無需用地水來管制法令來限制地熱開發的問題(戴秀雄教授之研究)。

擁有豐富地熱資源的大屯火山群位於國家公園內，依目前相關法令則不允許地熱的探勘與開發，而目前日本在311福島核事件後，已立法通過可在國家公園內進行地熱的探勘和開發，故台灣是否也需考慮此一方面的問題呢？

土地取得不易

因地熱資源大都分布於山區等原住民保留區

，或是森林保育區的土地。而對於這些地區

只允許太陽能發電和風力發電等綠色能源進

入開發使用，但卻不允許使用土地面積更小

的地熱發電進入，有點不合理。

各種發電方式所使用之土地面積

環境影響評估

按淺層地熱利用基本上屬於溫泉利用行為，由於可能引發地層下陷、或是地下水或地面水體汙染，目前所知各國皆應執行環評。

較有討論空間的是深層地熱，迄今在德國仍屬無須環評者，但電廠本身乃占用空間之設施，仍有辦理環評之可能與必要性。若是想將地熱發電排除在環評之外，此非學術問題，而是官方政策問題(戴秀雄教授之究)。

是否可考慮似電業法—水力(20 MW)在一定規模內不用環評，也適用於地熱發電。

電網併聯成本高

併聯成本高的關鍵在於台電，因為併聯技術相關規範都是由台電在訂，長期以來聽聞被台電刁難情形是屢見不鮮，有關此點，可考慮是否由主管機關一肩扛起監督台電的責任，否則民間再生能源系統(尤其是小規模私人裝置)將很難推動，這裡確實有討論改善的空間(戴秀雄教授之研究)。

地熱發電種類

地熱發電種類 方式

乾蒸汽式 天然的乾蒸汽是最簡便而有效益的利用，只要由

管線直接導入改良過的蒸汽渦輪機，就可產生電

力。

閃發蒸汽式 高溫的地熱水可以經過單段或多段閃發成為蒸汽，再由分離器去除熱水，以蒸汽推動渦輪機發電。液體（通過渦輪後蒸汽冷凝）並保留地熱水被注入水庫。

雙循環式 由地熱井產生的熱流體，經過熱交換器加熱流體，

使其氣化推動渦輪機再產生電力，而工作流體

（如：丁烷、氟氯烷等）則繼續循環使用。

全流式 地熱井產生的熱流體，包括蒸汽及熱水的兩相混

合體，同時導入特殊設計的渦輪機，由動能及壓力

能帶動傳動軸能連接發電機而產生電力。

地熱水不能進入大氣層 - 100％被要求回注。在所有系統中，注入的流體不允許與淺層地下水系統混合。

乾蒸汽式dry steam

在乾蒸汽地熱發電機，天然存在的高壓蒸汽從乾燥的蒸汽地下中噴出並用於運行發電機供電的渦輪機。

閃發蒸汽式(Flash Steam)

高溫的地熱水可以經過單段或多段閃發成為蒸汽， 再由分離器去除熱水，以蒸汽推動渦輪機發電。液體（通過渦輪後蒸汽冷凝）並保留地熱水被注入水庫。

水

生產井地熱區 注水井

廢物

蒸氣

水

發電機渦輪

冷卻塔

空氣和水蒸氣

空氣 空氣蒸氣

鹽水

雙循環式(Binary Cycle)

由地熱井產生的熱流體，經過熱交換器加熱流體， 使其氣化推動渦輪機再產生電力，而工作流體 （如：丁烷、氟氯烷等熱量從熱水轉移到具有沸點的有機工作流體低於水的沸點）則繼續循環使用。

空氣

熱鹽水

雙循環電廠

發電機

生產井 地熱區 注射井

冷鹽水

空氣和水蒸氣

聚光器異丁烷(蒸

氣)

空氣

冷卻塔

渦輪機

水水

幫浦

熱交換器

異丁烷

全流式(Total Flow Type)

地熱井產生的熱流體，包括蒸汽及熱水的兩相混 合體，同時導入特殊設計的渦輪機，由動能及壓力能帶動傳動軸能連接發電機而產生電力。

HE Heat Exchanger

熱交換器

水

water pump

Geothermic well

地熱能井

Condenser

冷凝器

Water cooling

Generator

發電機

以溫泉蒸氣發電設

計取代，冷媒以溫

泉水取代。

Underground

BZ-Harvester

地下地能回收探頭

全流式地熱發電系統示意圖

地熱發電現況

1. 地熱發電廠的選擇技術取決於地熱特性資源。

2. 使用雙循環式，具有較低的溫度發電，而閃蒸和乾蒸汽設備用於較高的溫度資源。

3. 閃發技術，包括雙閃和三閃，約佔不到三分之二的全球地熱發電（58％），而乾蒸汽約為四分之一（25％），而雙循環式佔剩下的16％。最後剩下的1％包括背壓和其他非傳統的類型的地熱技術。

4. 此外，地熱能不是傳統或成熟的技術。雙循環式汽輪機產生低溫場的電力只有二十多年。溫度很低可產生電力。這些資源剛開始被識別、 探索和繼續研究發展。

地熱發電技術類型

已宣布地熱渦輪機/設備供應商開發的項目的主要國家

已宣布地熱渦輪機/設備供應商開發的項目的主要國家

地熱能源潛力的國家(1)-22國家或地區

地熱能源潛力的國家(2)-17國家或地區

地熱能源潛力的國家(3) -19國家或地區

地熱能源潛力的國家(4)-12國家或地區共70國家或地區

宜蘭大學及蘭陽地熱資源公司於宜蘭清水地熱園區進行學術研究(1)

1. 台灣身處板塊擠壓的地震帶，擁有豐富的地熱資源。根據2013年「能源國家型科技計畫102年地熱發電主軸計畫成果發表會」內容顯示台灣淺層地熱有1000MW的發電潛能。

2. 若能有效利用台灣地熱資源，一來可以協助台灣能源供應問題，二來也可協助推動台灣綠色產業。

3. 地熱發電對於蘊藏豐富的國家或地區是特別值得受到政府及廠家的重視，因為以現今的技術，利用地熱可進行發電，其發電效率相較太陽能、風力及水力極具經濟效益，和其他再生能源相比，地熱發電可作為全天供應的基載發電來源。

宜蘭地熱資源豐富且交通便捷，為台灣最適合發展地熱產業的地區。

學術研究(2)

1. 民國106年4月26日，於宜蘭大學舉辦地熱溫泉發電論壇。

2. 於民國106年，獲宜蘭縣政府核可取得清水地熱區九號井及周邊土地使用權，執行清水地熱區試驗地熱發電系統學術研究計畫。

3. 執行經濟部科技研究發展專案─「濕蒸氣地熱井全流式高效能地熱發電系統開發計畫」。進行噴嘴及渦輪葉片理論設計。

4.台灣精密製造業在製作地熱發電機組上大有可為，但所有機組都缺乏實際運作的實測資料，因此在宜蘭地區進行全流式高效能地熱發電系統可行性、耐久性、安全性等驗證測試。

學術研究(3)清水地熱區主要發展面積約112公頃

學術研究(4)試驗自民國105年4月1日起自民國107年4月1日止，為期2年，屆期可以申請展延

試驗所需用地由宜蘭縣政府提供，包括:

(1)IC-9地熱井周圍面積約2500m2 。

(2)IC-9地熱井井頭約20 m2 。

本計畫預定建置試驗型地熱發電系統，進行整體發電系統之測試，相關設施包括:

1. 地熱渦輪發電機組。

2. 冷卻系統。

3. 電力負載器，初期由負載區消耗，後期由廠區及地熱園區用電消耗。

4. 遠端監控系統電力穩壓及保護電驛。

「國立宜蘭大學城南校區」開發計畫

Study in Austin Lawrence Livermore Laboratory

SINGLE FLASH -75% ENGINE EFFICIENCY

DOUBLE FLASH -75 % ENGINE EFFICIENCY, BOTH STAGES

TOTAL FLOW -70 % EXPANDER EFFICIENCY

ALL SYSTEMS ASSUMED TO HAVE 10% PARASITIC LOSSES

NON -CONDENSIBLES -0%

CONDENSING TEMP. = 49OC (12O0F)

CALCULATIONS BASED ON PROPERTIES OF PURE WATER

Reference:"Status of the Development of the Total Flow System for Electric Power Production from Geothermal Energy“Arthur L. (Roy) Austin Lawrence Livernore Laboratory Livermore, CA 94550April, 1978

THE AXIAL FLOW IMPULSE TURBINE

水輪機葉片

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葉輪直徑558mm，葉輪厚度75mm，每片葉片大小約75mm*115mm

Model geometry

Model V3 Model V4

inlet

outlet

inlet

outlet

Mesh Details

Nodes Elements Input

direction

Output

direction

Model V3 654,642 3,436,440 Y- Y+

Model V4 653,108 3,428,633 Y- Z+

Section View of Model V4

Mesh/Geometry statistics

Mesh of Model V3

Mesh of Model V4 以下以Model V4為例

CFD-POST

Pressure on Blade Streamline from Inlet

CEEG技術簡介

CEEG是一種全新、有別舊型的深層地熱鑽探及取熱技術。

CEEG 技術在地下熱能收集系統規劃上是採用封密迴路熱乾岩地下熱能收集系統。有以下特點：

閉迴路循環，不與地底物質接觸，減少熱水損耗。

取熱不取水，節省取熱之能量消耗。

不灌水撐開地層裂縫，不會引發淺層地震。

利用鑽井到達地底高熱岩層，在任何地點均可使用此技術取熱。

若地溫梯度高可減少鑽井深度，節省成本。

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學術研究(5) 2016/03/0619號井測試畫面(2000mmX850mmX1000mm)1.5噸

學術研究(6) 2017開始~現在使用9號井測試畫面-可靠度測試

地熱雙循環ORC: 發電機組機組構型之二維外型圖如圖所示，機組長度為3400mm，寬度為2000mm，總重量約為5 噸。

結束

謝謝指教