若能源科技未能有突破性的改變,原油價格上漲的趨勢將難以扭轉,而未來石化能源也將逐漸耗盡。根據聯合國國際能源署(IEA)發佈的資料顯示,世界的石化燃料儲量正快速下降,石油儲存量使用年限只剩 46 年,天然氣剩下 59 年,煤礦剩下約 118 年,鈾礦剩下 106 年,未來利用核能和化石燃料產生的能源勢必日趨昂貴。有鑑於能源短缺將引發的各種效應,歐美等先進國家,多年來均致力於各種替代能源的開發研究,近年陸續開始有許多研究成果展現,地熱能便是其中一項重點發展的替代能源,其研究顯示,地熱能源是所有再生能源中最有效率且低成本的。
全球的地熱資源探勘與發電技術正蓬勃發展中。臺灣地處太平洋火環帶,溫泉與地表具有地熱徵兆之地區約有百餘處,顯示地下熱源蘊藏充沛,具備地熱資源開發的先天優勢。台灣的自產能源極為有限,能源消耗幾乎仰賴進口,若能有效開發地熱資源,便能擴大自主能源之比例,其意義尤為重大。
根據上述,可將地熱能源的重要性歸納為以下三點:
替代能源的重要性日益提升,目前風力發電及太陽能發電最為普及,但此兩種再生能源卻受制於地形及氣候而無法成為基載能源,此外,風力發電及太陽能發電的運轉效力僅有20%~40%,需要提升其運轉效率才能符合商業成本。反觀地熱發電,因不受地形及氣候的影響,且地熱資源能穩定且持續的供給熱能,使發電機組持續運轉,其運轉效率為92%,因此地熱能是目前最有發展潛能的基載行替代能源。
傳統的地熱發電是屬於熱液型(Hydrothermal)地熱系統(下圖),主要是將地下儲集層中的熱水帶至地表使用,通常這種熱液型的地熱系統開發深度小於3公里,開發容易,但開發地點會受到熱水分布、熱水儲存量與裂隙構造所侷限,目前雖然已被廣泛的開發,然而此種地熱系統所獲得的熱能僅佔淺層岩體中的10%或更少。為解決熱液型地熱系統的弱點,地質學家開始研究地層深部乾熱岩體(Hot Dry Rock, HDR)地熱能開採的可行性,這類岩體有緻密、裂隙少、孔隙率與滲透率極低且幾乎不含水的特性。此種HDR地熱資源之優勢在於分佈範圍較無區域的限制,由地溫梯度可知,愈深的地底下便可發現乾熱岩體,換言之,此種熱岩型地熱資源廣泛分佈於世界各地,其熱儲量更遠遠高於熱液型地熱系統。以目前鑽井與發電技術水平,地面下十公里內且溫度高於150 ℃的乾熱岩體資源均可開發且符合經濟效益。
乾熱岩地熱系統的概念於1970年代提出,日後開採HDR技術又被稱為加強型地熱系統(Enhance Geothermal System, EGS)。EGS的概念即是利用導向鑽井技術(directional drilling),使鑽孔進入乾熱岩,再使用水力破裂法(hydraulic fracturing),在地熱儲集層中創造出更多的裂隙。開地熱能採將低溫流體注入到富有裂隙的高溫岩體中,流體於裂隙中受到高溫岩體加熱後,體積增加,密度下降,浮力變大,因而向上流動,並從地熱生產井自湧至地表並進入發電機組發電。其關鍵的水力破裂技術及方法如下圖所示。本公司除進口水力破裂設備,亦於2013年底完成小型水力破裂試驗,成功壓裂地下岩層,使其裂隙數量增加。
根據Emerging Energy Research(2009)統計資料,全球地熱市場於2009~2011年開始由美國及紐西蘭帶動全球市場,在技術改良、研發及法規面著手,使其逐步成長,2011年~2015年東南亞、拉丁美洲、非洲等國家會投入地熱市場的研發,且開始有大型地熱電廠開始商轉,使地熱市場有顯著的成長,預估全球地熱電廠發電量可達18~20GW,於2020年,全球地熱能源市場會快速成長,預估發電量可達30~40GW。
有鑑於地熱發電在國際間被視為最有潛能的基載替代能源,又因台灣具有地熱發電的諸多優勢,近幾年,台灣又開始重新啟動地熱發電計畫,並將其列為國家能源型主軸計畫之一,由科技部及各大專院校參與研究調查外,以經濟部為主的國營事業體(台電、中油)、工業技術研究院及財團法人研究機構等,均投入相當的人力資源、研究經費及儀器設備等,共同努力推動台灣的地熱發電產業。工業技術研究院綠能所於2013年估計,若地熱發電技術能穩定發展,於西元2030年,我國的地熱發電裝置容量約可達200MW,若深層及淺層地熱能全面開發,估算其裝置容量約可達3GW。