2006/07/05
經濟部能源局
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█撰文：翁鳳英 █圖檔來源：BINE Information Service
在寒流來襲時，到溫泉區泡個熱呼呼的湯澡，是冬季裡大家非常喜歡的活動。在享受溫泉的同時，讀友是否想過地熱也是一項綠色能源，若能善加利用，也能增加能源來源及緩和能源危機。
台灣地處太平洋大陸版塊的邊緣，與日本同樣是地熱能源豐富的國家。地下溫泉除了具有多種礦物質，對促進人體健康甚有幫助，也因其高溫而饒富能源價值。試想若能將地熱直接引至家庭使用，我們所需的熱水就不再另外需要能源加熱，尤其在冬季熱水需求量提高時，就是一項充分利用天然資源的作法，符合現代節能的概念。
雖然德國並非地處於大陸版塊與海洋的交界區，但它依地表起伏不一，可以在許多地區地表下1,000～5,000公尺處發現到溫泉，最低溫度為40℃，最高可達190℃。德國向來以發展綠色能源與先進的能源技術著稱，對於埋藏在地下的能源也已發展相關設備取得運用。本文希望藉由提供德國發展運用地熱的進程，以及其設備與概念，供作同為饒富地熱資源的台灣些許借鏡。
發展地熱為國家的能源政策之一
為配合德國聯邦政府的「投資未來計畫（Zukunftsinvestitionsprogramm）」，聯邦環境、自然保護與核能安全部（Federal Ministry of Environment, Preservation of Nature and Nuclear Safety, BMU）成立了金額高達6,700萬歐元的研究發展計畫基金，計劃贊助包括：地熱能源發展、研究平台的建構、離岸風力的環境研究、太陽能電廠的設立，可回收資源煉取燃料以及燃料電池的環境影響評估等方案。該基金中有2,100萬歐元則用為發展地熱能源。該計畫所支持的實驗地熱能源設備依地理狀況而有所不同，它們分別位於德國東北的新城葛雷渥（Neustadt-Glewe）、德國南部的恩特哈欽（Unterhaching）、和靠近法國邊界的歐芬巴赫（Offenbach）。
地熱的雙重運用
在德國北部和南部均可發現溫泉蹤跡，北部和萊茵河流域的溫泉含有鹽分，而南德所發現的溫泉則為良質的飲用水。德國目前共有24座利用地熱之熱電共生廠（combined heat and power plant, CHP），輸出功率在100kW至20MW之間。在這些電廠中，地熱均採階梯式利用，例如溫泉的熱能被用來供應暖氣，而除去熱能後的水則用作飲用水。由於夏季的熱能需求量減低，無法完全利用溫泉所產生的熱能，因此在夏季地熱則被運用來轉換成電能。
運用地熱供應熱能和電能，在德國的發展可追溯至20年前。1980到1990年之間，有位於前東德的瓦倫（Waren）、新布蘭登堡（Neubrandenburg）和普林芝勞（Prenzlau）等城市的地熱發電廠正式加入運作，而其他地區的地熱發電廠則是在進行評估中。東西德合併後，位於瓦倫和新布蘭登堡的發電廠在設備上進行更新，而在靠近史威爾倫（Schwerin）的新城葛雷渥的地熱發電廠則在1995年正式投入運作。之後該設備擴大加入發電機，在2003年11月正式成為全德第1座地熱發電廠。
地熱能源的取得
在德國北部盆地地表下1,500～2,500公尺處，蘊藏有大量的含溫泉的有孔沙岩。依不同的深度和地層，溫泉的含鹽量界於80～350g╱l之間（取海水為比較值，海水含鹽量為35g╱l），處理含鹽量高的溫泉需要特別的設備防止腐蝕。
以新城葛雷渥為例，為取得這地區溫泉中的能源，往地下約1,500～2,000公尺處鑽了2個洞直至含水層。埋設在地下的抽水機將熱水抽上來，至地面上的熱水處理設備。熱能交換機從高含鹽量的熱水汲取熱能，然後將之餵送至區域熱能輸送網。該系統也包括1座整合有ORC（Organic Rankine Cycle）的渦輪機，可在區域熱能輸送網夏季熱能需求量降低時，將多餘熱能轉換為電能。新城葛雷渥地熱發電廠所汲取出的熱能都能直接利用，而剩餘的冷卻水則被送回地下。在正常的運作條件下，該地熱發電系統本身運作時不損耗熱能，可至少運作30年。
地熱發電廠的運作情形
新城葛雷渥的地熱發電廠自1995年起開始運作，每小時自地下汲取40～120立方公尺的熱水，即為每秒11～33公升。選擇該地設廠的原因在於該地地下蓄水層溫度高達100℃，相較於瓦倫與新布蘭登堡兩地的條件來得優越。
雖然熱水含鹽量為220g╱l，但使用強化玻璃纖維環氧樹脂管，即可降低腐蝕的現象。被汲取完熱能的水，溫度只有50℃，經由管道再送回地下。一直到現在，該系統所汲取出的熱能，經由現代化的熱能輸送網提供給使用者，高峰輸出量為11MW。為因應嚴竣的冬日裡高需求量的熱水，另也配有一個大蒸汽鍋。目前該系統每年供應90～95％的熱能給當地居民。由於熱水溫度高，因此該地熱發電廠採直接傳送的方法，並不經由居中的熱能幫浦機傳送。
夏天熱能的需求量明顯降低，所產出的熱能即使輸送給工業用也還用不完，由於該地熱發電系統40％的成本在於鑽挖熱水，會連帶影響到商業可行性。再說，一旦出水孔速率降至每小時80立方公尺，則真空吸塵器的壓力即會降為負壓，如此一來，導致氣體進入密閉式的地熱水循環環境，而使熱水中含有氣體，這些氣體大致上為可揮發的二氧化碳、氮氣和甲烷。
地熱發電
相較於熱能需求，電能的需求較為廣泛也較為穩定，由地熱發電系統所產生的電能可以隨時輸送至輸配電網中。用熱水來發電，在德國並不常見。傳統發電廠技術並不適用於水溫介於80～190℃之間的熱水發電，因而需要特殊的熱能轉換電能系統，即為ORC。
在ORC系統中，蒸汽通過渦輪送入高壓和高溫的環境中，蒸汽充斥在管道中，而為了冷卻蒸汽，亦同時設有注有有機戊烷或異丁烷的管道，這兩類管道彎彎曲曲地糾結在一起，但彼此並不相通，在此一環境下進行熱能交換與冷卻程序，而渦輪機則驅動發電機來產生電力，而冷卻水則透過另一通道注入地下。
通常以ORC系統100℃水可產生6.5％的發電效率，而200℃則可達13～14％。比起電廠所使用的煤、石油和瓦斯，地熱發電並無能源成本，也不涉及廢氣排放，是非常具環保概念的能源。若熱能可以在發電後繼續使用，則它整體的能源效率會更高。一般認為，德國未來將會把地熱發電條件設定於水溫必須在100℃以上，最低流量速率為每小時50立方公尺，ORC目前的輸出電量介於100～250kW之間。
新城葛雷渥的ORC
該ORC整合於地熱水循環系統中，位於抽水孔的後方。該系統每年可輸出1,200萬度的電力。大約可提供300戶家計單位用電，未來該系統將努力朝節省本身運作的用電量發展。
在發電後，水溫仍維持在70～84℃之間，即被送至區域熱能電網中。值得注意的是，此類地熱發電廠，以熱能供應為首要任務，發電則在於熱能需求的低峰期。例如，冬天熱能需求量高時，發電系統則短期關閉，全力提供熱能。
經驗分享
新城葛雷渥地熱發電廠為德國重要的指標性綠色能源發電廠，主要在於吸取以地熱水提供熱能和電能的經驗。由已知高溫、流量速率、夏日多餘的熱能，以及它做為一座地熱發電廠的運作情形，均證明該系統是可行的。在新城葛雷渥所吸取的經驗將有利於在其他地區進行的類似電廠。
地熱能源不受季節和陽光的影響，因而特別適合供應基載電力需求（Base Load Demand）。德國在發展地熱的潛能上可說很大，以現今的技術，若能完全利用地熱，所取得的能源大約為目前每年德國能源需求量的600倍。即使只開發地下蓄水層熱水的1％，也足以提供德國每年熱水需求量長達5年。這樣的潛能到目前為止並未完全開發，原因在於熱能需求量有冬日和夏日不同需求量之分。若全德國熱能輸送網均能貫穿以輸送地熱，則地熱發電也可借此網路輸送，則地熱電量可占全德用電量的2％。為要能增加地熱電能的使用比率，必須加強發展地熱網路的鋪設和其他地熱需求來源。
目前地熱電能仍相對昂貴，原因在於鑽探深度、水溫高以及裝置本身的用電量，和抽取的水量必須要多。目前所估算的地熱電價在於每度為18～22分（歐元）。但若以歐巴漢葛拉邦（Oberheingrabens）的180℃、抽取量為每小時200立方公尺的規格來看，則每度只要8分。就技術層面而言，改進鑽探技術以及發電設備安裝等，都可以降低成本。（作者為本刊駐德國特約記者╱有興趣的讀友可查看www.erdwaerme-kraft.de網站）