豐宇鑽井工程股份有限公司
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  基於石化能源逐漸耗竭,國際原油價格連年居高不下,除了影響民生之外,也嚴重侵蝕各國在經濟發展上的成果。在此能源價格昂貴的不利環境之下,缺乏自主能源的國家顯然面臨了更加嚴酷的考驗。

  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。

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  根據上述,可將地熱能源的重要性歸納為以下三點:

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  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。

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  地熱發電在世界上已是一項純熟的技術,主要是將地球內部的熱能取至地表使用,如火山、岩漿庫及古老的地下熱水儲集層等,再透過地熱發電機組將熱能轉換成電能加以利用。

  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。

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  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。

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  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。

  世界各地均證實高溫地熱的可開發性,而台灣更是一個絕佳的地熱潛能開發國家。台灣因地處板塊交界帶,故地熱蘊藏量豐富,由全台地溫梯度圖可推估台灣中部、東部以及東北部地區的地下5公里處,岩體溫度可達到400 ℃(盧乙嘉與宋聖榮, 2012)。民國70~82年,我國曾於宜蘭清水地區建立台灣首座3 MWe的地熱發電場且成功發電,鑽井深度約1500~2500 m,井底溫度約200 ℃,成為全世界第14個成功利用地熱發電的國家。雖然後來因結垢問題嚴重而停止運轉,但已證實台灣在地熱發電方面極具潛能。此外,根據估算(盧乙嘉與宋聖榮, 2012),全台的淺層地熱能約有1000 MWe,而地下4公里內的深層地熱資源區,乾熱岩溫度>175 ℃,約有160 GWth的地熱蘊藏量。

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  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。

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   藉由多年於地熱發電產業的豐富經驗,本公司特別成立專業地熱開發團隊,並於地熱發電部門投入大量研發技術,多年來已配合政府完成諸多地熱開發及研究工程。此外,因應日趨受到重視之環保議題,本公司所使用之地熱發電機組亦為零排放及零污染之封閉循環地熱發電機組,未來將配合國內各地熱機組及相關零組件研發團隊,增加機組轉換效能,提升地熱產業競爭力。

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