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地熱能
地熱能 (Geothermal Energy)是由地殼抽取的天然熱能,這種能量來自地球內部的熔岩,並以熱力形式存在,是引致火山爆發及地震的能量。地球內部的溫度高達攝氏7000度,而在 80至100公里的深度處,溫度會降至攝氏650度至1200度。透過地下水的流動和熔岩湧至離地面1 至5公里的地殼,熱力得以被轉送至較接近地面的地方。高溫的熔岩將附近的地下水加熱,這些加熱了的水最終會滲出地面。運用地熱能最簡單和最合乎成本效益的方法,就是直接取用這些熱源,抽取其能量。 人類很早前就開始利用地熱能,例如在舊石器時代就有利用溫泉沐浴、醫療,在古羅馬時代利用地下熱水取暖等、近代有建造農作物溫室、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,但是,現代則更多利用地熱來發電。 地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類。地熱能是來自地球深處的可再生能源。地球地殼的地熱能源起源於地球行星的形成(20%)和礦物質放射性衰變(80%)。地熱能儲量比目前人們所利用的總量多很多倍,而且因為歷史原因多集中分佈在構造板塊邊緣一帶、該區域也是火山和地震多發區。如果熱量提取的速度不超過補充的速度,那麼地熱能便是可再生的。地熱能在世界很多地區應用相當廣泛。據估計,每年從地球內部傳到地面的熱能相當於100PW·h。不過,地熱能的分佈相對來說比較分散,開發難度大。 |
地熱能
從地殼岩石中抽取熱量並運至地表,需要熱傳遞介質。自然界是通過地下水實現這一點。地熱庫下邊熱的熔岩將地下水加熱,熱水通過岩石中相互連接的斷層、裂縫和孔洞浮上來。斷層、裂縫和孔洞中的開放空間隻占岩石體積的2%~5%,但當它們充滿了熱水並且相互連接,將形成一個多孔滲透地熱庫。地熱水的溫度在一處與另一處可相差極大。有的地熱源可產生300℃以上的熱水,有的則產生沸點以下(在海平面水的沸點爲100℃)的水。高於150℃的高溫熱源一般可用以發電,低溫熱源可直接加熱使用,如工業加工、區域供熱、溫室加熱、食品幹燥和水產養殖。 地熱能利用地球岩層內的熱能產生能量。地球核心是非常熱的,高達攝氏5,500度,而地球表面上三公尺的氣溫全年介乎攝氏10-16度左右。地熱能一般利用處於熱源的水庫,供應熱水到需要熱能的地方。地熱能的水,可用來供應家居暖氣,甚至融化道路上的積雪。我們可以利用地下抽水機,把暖氣帶到地面和樓宇內。這種方法隨處可用,而且由於地下氣溫長年保持穩定,地熱能系統除了可在冬天提供暖氣,在夏天也可作為空調。 地熱能發電不會製造污染或溫室氣體,而且不會製造噪音和非常可靠。地熱能電站的全年利用率可達九成,相比起化石燃料電站最多只有65-75%。可是,即使有很多國家有非常豐富的地熱源,這種可再生能源卻仍然沒有被大量開發。 |
技術應用層面
支援地熱發電開發的技術是多面向的,其主要涵蓋能源生產技術、能源工程技術與其他相關技術三大領域。 能源生產技術 能源生產技術包括探勘技術、鑽井技術與測井及儲積工程技術。 探勘技術:以經濟、有效的方法,估計地熱田的溫度、深度、體積、構造及其他特性,據以研判井位之選定,並推估其開發價值。 鑽井技術:鑽井成本占開發地熱的最大比例,亦可驗證初步探勘之結果,經確認地熱資源的賦存及生產特性後,由適當的完井技術在安全控制狀況下開採。 測井及儲積工程技術:完井後可作單井或多口井同時噴流之測井,利用取得的井流特性及地下資料,可以推斷儲積層的位置、深度、厚度、構造、儲積範圍、流體產狀和產能,據以規劃地熱井的生產控制及地熱田的開發與維護,作有效的利用。 地熱發電已成功引用的探勘 能源工程技術 能源工程技術包括發電技術、小型地熱發電機研發技術與直接利用技術等。現今地熱發電的發電技術有四種最主要的應用系統,分別是:全流發電系統、地熱蒸汽發電系統、熾熱岩發電系統與雙迴圈發電系統。 ● 地熱蒸汽發電系統:可細分為「乾蒸汽式」發電,及「閃化蒸汽式」發電。前者的天然乾蒸汽是最簡便而有效的工作流體,只要由管線直接導入蒸汽渦輪機就可產生電力;後者如2.2所述,高溫地熱水經單段或多段閃化成為蒸汽,再由汽水分離裝置去除熱水,以蒸汽推動渦輪機發電。該系統之運用技術已趨成熟且安全可靠,是目前地熱發電最主要的形式。 ● 熾熱岩發電系統:須先鑿通兩口深達數千公尺的深斜井,再將冷水注入其中一井,由熾熱岩層所提供的地熱加熱,使其產生水蒸氣從另一井匯集後,推動渦輪機發電;不過由於經濟因素使然,該發電系統較難被大規模推廣,但最近新興的「熱幹岩層法」卻延伸了此一概念。 ● 雙迴圈發電系統:又稱「雙循環式」發電或介質發電系統。係以低沸點的物質(如:丁烷等)作為介質(即工作流體),與地熱井產生的熱流體藉由熱交換器達到加熱,使其氣化以推動渦輪機產生電力,且工作流體可循環使用。值得注意的是,其中可作為介質的氟氯烷(Freon)因「蒙特婁公約」之故,已全面禁用。 ● 全流發電系統:又稱「總流式」發電。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連接發電機以產生電力。 其他相關技術 1.地熱能的直接熱利用技術 2.地熱水回灌技術 3.地熱溫泉水處理技術 分布狀況 據美國地熱資源委員會(GRC)1990年的調查,世界上18個國家(包括中華民國的宜蘭清水地熱發電廠)有地熱發電,總裝機容量5827.55兆瓦,裝機容量在100兆瓦以上的國家有美國、菲律賓、墨西哥、義大利、紐西蘭、日本和印尼。中華人民共和國的地熱資源也很豐富,雖然地熱發電裝機容量較小,但在地熱的直接熱利用能量和溫泉水利用方面已居世界首位。中國的地熱主要分佈在雲南、西藏、河北、天津、福建、廣東、北京、陝西等省區。除以上利用外,從熱水中還可提取鹽類、有益化學組分和硫磺等。 開發考量 地熱發電與火力發電相比,最顯著的差異便是不需裝設鍋爐且節省燃料費。但若欠缺良好的熱交換及其相關技術,不僅無法將珍貴的地熱資源善加利用,反而易肇生設備毀壞或工安問題。 優缺點 優點 -- 地熱能穩定,可以做為基載電力。 缺點 -- 技術要求高,例如抗腐蝕的管線會提高投資成本。 |
地熱發電
地熱發電,實際上是用蒸汽動力發電。通過打井找到正在上噴的天然熱水流。由於水是從1~4公里的地下深處上來的,所以水是處在高壓下。一眼底部直徑25釐米的井每小時可生產20~80萬公斤的地熱水與蒸汽。由於水溫的不同,5~10眼井產出的蒸汽可使一個發電裝置生產出55兆瓦的電。這種發電裝置有兩類:汽輪機發電和二元發電裝置。爲了供給一台汽輪發電機蒸汽,抽出的地熱水(帶壓)在稱爲閃蒸罐容器的表面釋放出來,一部分水(約占35%,取決於它的溫度)閃蒸(沸騰)爲蒸汽,進入汽輪發動機進而帶動一台發電機。渦輪的排氣用傳統冷卻塔冷卻。閃蒸罐内剩餘的水在沸騰階段之後又注入熱庫邊緣的地下,它有助於維持熱庫的壓力並補充對流的水熱系統。 在二元發電裝置中,不是將熱水閃蒸爲蒸汽,而是送至一台熱交換器,用以加熱工作介質,後者通常是有機化合物,如異丁烷或異戊烷。工作介質被氣化,用氣化後的蒸汽驅動渦輪發動機,進而帶動發電機。在離開渦輪後工作介質冷凝爲液體,流回熱交換器再次被氣化。地熱流體通過噴射井又回到地下,這一點與汽輪發電機中的情況很相似。由於在二元地熱發電裝置中所用的工作介質是在比水低的溫度下蒸發的,所以它的發電效率比汽輪發電機高。這兩類發電裝置各有其優點。汽輪發電機制造和運行都不太貴,但爲了在高效率下操作,它要求水溫在180~200℃以上。二元發電裝置制造和運行費用較高,但它可用100℃或更低溫的水發電。目前世界上多數正在運行的地熱發電裝置屬於汽輪機型,但二元發電裝置越來越普及。 |