2009/06/05
經濟部能源局
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▓撰文：翁鳳英
傳統能源逐漸枯竭已是大家普遍的認知，近20年來人類努力尋找新替代能源，包括開發風力發電新技術，運用太陽能，栽種生質能作物或利用生質物料來生產生質能等，都是一般比較常為大家所討論的熱門綠色能源。事實上，除此之外還有其他如水力和地熱能，雖然較不為大家所注意，但是因為人類運用創新思維和技術，將物質原本有的能量援引出來加以運用，同樣可達到減碳節能的目標，值得參採。
2008年的夏天，在法國阿爾薩斯省的蘇佛瑞（Soultz-sours-Forêts）開始啟用了一座地熱發電廠，這座發電廠之所以引起大家的注意，有別於其他地熱發電廠單純引用地熱，它所運用的是深層岩塊的熱能加熱地層下水。從地面下探至地層5,000公尺深，將地層下高達攝氏200度的熱水利用管道引至地面，再與熱能交換機連接，降溫後重新進入地下，所釋放的熱能做為驅動發電機組的能量。這種技術稱為熱乾岩發電技術（Hot-Dry-Rock Technology, HDR），特色在於運作範圍大，且可以節省相當的能源。
計畫源起
能夠運用熱乾岩發電技術的地區必須具備特定的地質熱能特點，自從1988年開始，即由歐盟國家德國、法國和英國，結合官方和民間的力量，在蘇佛瑞地區進行熱乾岩技術發電計畫，其中以德法兩國的能源公司加上研究團隊著力最深，經過超過20年的實驗和研究時間，終於在2008年開始生產運作。
熱乾岩發電技術其實由來已久，之前曾在美國、日本和德國試圖運用但無功而返，原因不是因為地層下的水無法串連，不然就是水溫不高。蘇佛瑞熱乾岩發電技術運用成功，是第1次該技術將觀念化為實現，因此特別具有指標性意義。
蘇佛瑞的地層特色
蘇佛瑞位於法國史特拉斯堡北方50公里處，是中歐最具熱異常潛能的地區。通常地層下1,000公尺處溫度只達到攝氏40度，但是蘇佛瑞地區岩層卻可在相同的深度中達到攝氏100度的高溫。向下鑽至1,400公尺處，則為花崗岩性質的岩塊，且岩石本身還有天然形成的裂縫和空隙。
蘇佛瑞地區地層穩定，使得科學家試圖將岩石的裂縫和空隙打通讓水流通的可能性變大，因此鑽道GPK2、GPK3和GPK4均到達地層5,000公尺處，而其中的鑽道GPK3和GPK4距離地表6公尺，但在地層下的距離卻達600公尺，也就是說水在這個距離裡，可以在再次回到地表前，在地層裡得到足夠的加溫。
由地表向下延至地層的管道達4,500公尺，地表上鑽有的6個鑽孔，例如GPK1，EPS1和舊原油鑽道，向下裝有聲波探測設備和加速設備，用以觀測地層中水壓和岩層斷裂情形，這些資料將有助於未來爆破地層以及鑽道的重要參考。
發電計畫設備原理
蘇佛瑞熱乾岩發電系統主要基於3個鑽道，其中有2個鑽道依靠幫浦機將熱水往上抽和往下送。這些來自於岩層下的水都具有高腐蝕性，每公升都含100公克的鹽，另還含有氮氣和二氧化碳等氣體。
熱水被打上來以後，進入地表所設立好的循環系統，在熱水熱能被熱能交換器抽取後，降溫重新進入地層內。這個封閉的循環系統總共由兩個互相非常相近建造的但卻互不相通的管道所構成，其中一個循環管道為熱水所用，另一個循環管道則注入酒精，藉由地下來的熱水能量汽化膨脹，推動渦輪機而轉動發電機發電，並接著以冷卻系統將酒精蒸汽凝結為液體，重新循環使用。這類特殊的利用流體飽和，藉迴旋狀管道迅速有效率地集結熱能的發電技術稱為有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle, ORC）。
迴旋狀管道中注入酒精扮演熱媒的角色，酒精沸點較水低，適合利用來自地下熱水（大約為攝氏90度）將之汽化。
地底情形
整個鑽道計畫是一個大工程，原本想要深入地下5,000公尺就已很難，加上其中有3,500公尺是深入花崗岩中更加困難。鑽道成功後，必須考量如何在地底下將這3個鑽道串連。科學家以液壓的原理，注入酸性化學物質，利用岩塊本身的張力，使得岩塊破裂而將原有的裂縫和空隙撐大形成一個貫通的水道，並使得3個鑽道之間的地底水道擴大至100公尺寬。
液壓原理的運用使得超過1萬立方公尺的水，輕易地受到壓縮而自另一個鑽道送出，例如鑽道GPK3因為通透性很好，壓力只在0.2～0.3l╱s bar之間，就能達到理想的輸出量。而鑽道GPK2和GPK4則也能以更小的壓力0.01～0.02l╱s bar，產出20倍的輸出。
2005年時科學家們試著在鑽道GPK2、GPK3和GPK4之間流通20萬立方公尺的水量，結果證明鑽道GPK2和GPK3之間有相當好的液壓功能產生，在不需要任何輔助幫浦機的協助，有80％的水量由鑽道GPK2湧出。而鑽道GPK3和GPK4之間，由於水道並未足夠暢通，因此只流出20％的水量。接下來科學家並未再著手進行更密集的液壓實驗，原因在於擔心造成地層裡的振動，而改變水的流道。
前述所提及的化學物質，在此希望做更多的說明。所加入的化學物質為不同酸性物質的混合液體，濃度大約在0.1～0.4％之間，它們的作用在於將岩塊中的方解石和日光石溶解。配合液壓和化學作用，可使鑽道的輸出提高50倍，而鑽道GPK2和GPK3的輸出值也達到發電廠所需要的發電熱量目標。
電廠發電情形
電廠主要依靠鑽道GPK2和GPK3在2008年夏天進入試運階段，而鑽道GPK3和GPK4之間的循環曲線必須加以改善，相關的作法可能在鑽道GPK4中設置一個水中幫浦機，該幫浦機必須能耐高溫以及抵抗化學品。
未來若將這3個鑽道成功串連完成，將繼續建造另一個ORC電廠，預計產出的電量為3MW，地底的熱能將能足夠支撐該2座電廠維持運作數十年以上。目前該電廠產出電量為1.5MW，所鑽的鑽道長達20公里，整個計畫費用至今已花去8千萬歐元。
結語
法國蘇佛瑞的熱乾岩技術發電是全世界最深的熱乾岩技術的運用實例，它成功地將HDR技術與有機朗肯循環與地熱發電廠結合。該計畫決定成功的因素在於觀念的形成，大範圍的具裂縫和空隙的巨型岩塊，以及有機朗肯循環的有效殘熱運用。這個計畫也因為長距離的鑽道，多次的曲線循環測試而累積了寶貴的經驗和資料可供參考，針對該計畫研究人員提出40篇博士論文以及超過200篇相關研究文章。蘇佛瑞發電計畫仍持續進行，長時期觀察液壓、溫度、化學物的灌注以及地層變化，其中又以熱能交換器的熱力和液壓情形最為重要。
此類型發電範圍大致為2～3平方公里，而蘇佛瑞為東西30公里寬，南北100公里長的長條型地區，意味著仍有廣大的範圍可供運用。
此外此類型的發電廠不受天氣的影響，能24小時全天候發電，在現今講究減碳的時代裡，它代表著相當的環保節能意義，只是若當地的消費者能更有意願購買此類電能，則未來將能引起更大的注意和迴響。（作者為本刊駐德國特約記者，同時也是台灣公共電視派駐德國杜塞道夫新聞特派員╱有興趣的讀友可逕行上網查詢：www.bine.info）