作者：王凡

全球地熱能發電概況

近年來，人類活動中對化石能源的大量使用，加劇了全球氣候變暖和極端氣候災害進程，再加上各國政府和社會公眾環保意識的抬頭，節能減碳與開發清潔、可再生能源已是各國政府最為關切、亟待優先解決的課題。中國作為世界上負責任的大國，當然也不會置身之外，而是以實際行動認真履行國際減排公約并積極推動相關減排計劃。中國政府在“十三五”規劃中先后密集公布了“大氣污染防治行動計劃”、“可再生能源發展、地熱能開發利用規劃”及“控制溫室氣體排放工作方案”等。可見，開發清潔、可再生能源是中國政府刻不容緩的大政方針，亟待快速推進和實施。

目前可以利用的清潔、可再生能源主要包括：地熱能、太陽能、風能、水能、生物質能等。其中，地熱能發電具有不受環境影響、無需燃料供應、全年365天恒溫穩定運轉、發電容量因子高(Capacity factor)注1等諸多優點，在各種清潔、可再生能源中具有獨特的、不可比擬的優勢。美國Energy Information Agency(EIA)統計了各種可再生能源的平均容量因子(圖1)，其中，地熱能發電的容量因子高達95，是光伏發電的4.5倍。美國GALAXY公司資深副總 Diamon說：“這代表相同規模電廠的地熱發電量是光伏發電量的4.5倍，這還不考慮土地成本，并且地熱發電不中斷、維護成本低，是目前最佳的再生能源及基載電源”。

　　圖1 不同可再生能源技術的容量因子(據EIA)

THINK GEOENERGY對全球地熱發電市場統計表明(圖2)：截至2018年2月，全球已安裝的地熱能電廠規模達14,060MW(兆瓦)，正在建設或已通過開發之電廠規模高達14,000 MW(兆瓦)。在已裝機的地熱能發電容量中，美國3,591MW(兆瓦)最多，其次為菲律賓的1,868MW(兆瓦)及印度尼西亞的1,809MW(兆瓦)，中國地熱能發電的發展則相對遲緩。印度尼西亞因火山及離島多(電網跨海難度高)，故政府大力推動，獲得了大量國際金融資源資助，目前正在建設中的地熱能電廠發電容量高達3,958MW(兆瓦)，為所有地熱能發電的國家中最多。美國因之前受法規限制而停滯，但在深層地熱技術開發成熟及政府法規修正后，也開始加速開發中，已取得開發許可的地熱能發電容量有1,248MW(兆瓦)，另外正計劃新開發的地熱能電廠容量超過5,500MW(兆瓦)，新建或改善電廠計劃超過140個。與上述國家對比，中國在地熱能發電開發進度上則較為緩慢。此外，Mordor Intelligence分析結果表明(圖3)：2017年到2023年，全球地熱能發電容量將逐年上升，2023年將超過22,500MW(兆瓦)。

　　圖2 THINK GEOENERGY對全球地熱能發電市場的統計結果

　　圖3全球2023年地熱發電容量(據Mordor Intelligence)

據 THINK GEOENERGY資料可知，全球高溫地熱資源最豐富地區主要集中在環太平洋火山帶。THINK GEOENERGY全球地熱能發電潛力分析結果(圖4)表明：日本、中國東南沿海(如臺灣、福建、廣東一帶)、菲律賓、印度尼西亞等國約有70,900MW(兆瓦)，中南美洲約有58,200MW(兆瓦)，北美洲約有32,200MW(兆瓦))、地中海——喜馬拉雅山約有5,950MW(兆瓦)，東非約有11,600MW(兆瓦)。

　　圖4  全球地熱能發電潛力(據THINK GEOENERGY)

綜觀圖4所示的全球主要地熱場區，包括美國、墨西哥、菲律賓、印度尼西亞、新西蘭、土耳其、肯尼亞、埃塞俄比亞等，其地熱能發電技術大多來自美國。美國GALAXY資深副總Diamon說：“美國近年來受惠于頁巖氣的水平井壓裂技術及增強型地熱開采(EGS)技術成熟，地熱電廠的開發得以大幅擴大產能規模并有效降低發電成本，過去傳統電廠發電規模僅約數十兆瓦(MW)，現在地熱能電廠動輒100MW甚至200MW”。

需要指出的是，盡管中國也位于環太平洋火山帶高溫地熱資源豐富區，但尚未有效開發利用地熱能發電。而在美國、墨西哥、日本、菲律賓、印度尼西亞及新西蘭等國都建有規模不小的地熱電廠。美國GALAXY資深副總Diamon建議：“中國若要奮起直追，第一可以模仿美國的政策，由政府帶頭主導，除法規的配合修正外，搭配誘人的抵稅措施及大幅經費支持，美國聯邦政府對單一示范電廠開發提供了動輒上億美元的補助，才可以發展技術研發，其中已發展地熱技術研發的國家，地質勘探調查經費也多是由政府出資完成;第二，可以開發中國自主知識產權的技術，中國北方地熱肩負發電及供暖任務，不像世界其他國家純以發電為主，宜由政府支持發展開發利用電能及熱能，有效分配和優化智能地熱系統技術(Smart Energy Optimization);第三，就是積極扶持中國企業引進國際地熱能發電技術，政府可以給予相當政策支持及財政扶持，這樣可以加速國內地熱電廠的開發規模，能提升技術水平”。美國GALAXY資深副總Diamon還特別強調：“若要發展地熱能發電，政府必需大膽投入，不能只依賴學術討論。數千公尺的地底下，幾乎沒有人去過，唯有大量商業電廠的實際營運，才能累積真正的自有技術”。

美國的地熱能電廠商業運轉已有近百年的經驗，除了地熱資源勘探分析和水平井壓裂技術獨步全球外，如何達到高效率及低成本發電亦是其關鍵技術。傳統之直接干蒸汽(Direct dry steam)方式因效率較差，成長有限，取而代之的是采用新技術的增強型地熱系統(EGS)，包括閃式(Flash)-單閃或雙閃、雙井式(Binary)或復合循環(Combined-cycle)等方式。同時,美國還改良了有機朗肯循環發電機(Organic Rankine Cycle，ORC)技術，可以使發電效率由16%提升至35%，大幅增加了電量產出并降低發電成本。

有機朗肯循環發電機技術(Organic Rankine Cycle, ORC)

傳統燃煤或燃油發電機的工作溫度超過1000℃，然而目前用于發電的地熱溫度僅在120℃-200℃，因此地熱發電不能采用傳統之高溫蒸汽發電，而是要采用有機朗肯發電循環系統(ORC System)。

如圖5所示，有機朗肯循環(ORC) 發電技術的工作原理是：利用低溫沸點的有機工作流體冷媒取代高溫發電用水，將熱源、冷源的溫差能轉為電力。其工作溫度為120℃-200℃，冷熱溫差越大，發電效率越高。有機朗肯循環(ORC)發電技術常用的冷媒種類及其溫度如圖6所示。

　　圖5 有機朗肯循環 (ORC) 發電技術的工作原理示意圖

　　圖6 有機朗肯循環(ORC)發電技術常用的冷媒種類及其溫度

近年來，應用有機朗肯循環(ORC)發電技術發電規模不斷增加。Energy Procedia提供的數據表明(圖7)：至2016年底，全球ORC技術發電裝機1754臺，總容量為2701MW。其中，地熱發電應用超過2000MW，占74.8%。其次，生物質能源(Biomass)發電占11%。再其次是工業余熱再利用發電，如水泥廠、玻璃廠等高耗能產業。

　　圖7 應用有機朗肯循環(ORC)發電技術發電規模及電源類別(據Energy Procedia)

此外，不同燃料的熱電轉換效率會嚴重影響發電成本，差異可能高達3倍左右。因此，需要依據地熱資源狀況(包括溫度、熱流量及蒸汽干度等)，設計客制化的、最適合的發電系統(圖8)，依據最優的成本效率選擇單閃有機朗肯循環(FORC)或雙閃有機朗肯循環(DFORC)等方式。

　　圖8 不同燃料的熱電轉換效率及客制化設計方案

傳統干熱蒸汽系統(Dry Steam)

傳統干熱蒸汽(Dry steam)系統自地下抽取熱蒸汽后直接推動渦輪發電機，剩余熱氣或熱水再經過冷卻塔降溫。干熱蒸汽系統采用低壓及大量蒸汽操作，該類 型地熱發電廠使用蒸汽要高于150°C，通常蒸汽進入渦輪干度需要至少99.995%，以避免結垢或渦輪機或管道的組件被腐蝕。直接干熱蒸汽設備從8兆瓦到140兆瓦都有。但傳統干熱蒸汽能源浪費高，一般轉換效率最高約16%(依地熱能量而定)，若是熱源帶水分過多時，其轉換效率將更差。當然，因為結構單純，建置成本也較低。干熱蒸汽系統通常應用于熱源充足及較干蒸汽的環境下。

　　圖9 傳統干熱蒸汽系統(Dry Steam)基本結構

閃式(Flash)系統

這是目前地熱發電廠采用最多的系統。是在干熱蒸汽系統多加了氣水分離器，蒸汽是從分離中獲得的，稱為閃爍。分離出的蒸汽直接輸往渦輪機發電，發電后產生的冷凝物則送去冷凝器(Condenser)重新注入或者到較低壓處再閃爍。假如熱源熱量較不夠充足，系統壓力容易下降就會導致溫度掉下來，渦輪便會無法推動發電，這時就需要采用閃式系統。一般熱源最好要能超過180℃，經過越多次閃爍，發電容量會較大，如單閃(Single Flash, SF)(圖10)約在0.2-80兆瓦，雙閃(Double Flash, DF) (圖11)在2-110兆瓦，三閃(Triple Flash, TF) 在60-150兆瓦。雙閃比單閃輸出電力最高可增加近20%。(圖12)

當然，越多閃爍，建置成本也越高，也不一定效率就會提高，美國GALAXY資深副總Diamon就強調：“必需經過有豐富經驗專家詳細嚴密的分析該處的地熱條件作設計，才能達到預期效能，并不是每個地熱電廠都一致，都用一樣的發電機，也不是發電機越大就越好，完全都取決于地熱田之熱能結構而定，全球的地熱電廠幾乎都是客制化設計”。

　　圖10 單閃系統(Single Flash)基本結構示意圖

　　圖11 雙閃系統(Double Flash)基本結構示意圖

　　圖12 單閃系統(Single Flash)與雙閃系統(Double Flash)發電效率對比

單閃ORC系統(Single Flash ORC, FORC)基本結構如圖13所示，單閃式FORC發電系統減少浪費熱水氣能源，再蒸發利用，其總轉換效率可比單閃(SF)增加近25%，電量輸出如圖14所示。

　　圖13 單閃ORC系統(FORC)基本結構示意圖

　　圖14 單閃ORC系統(FORC)電量輸出情況

雙閃式DFORC發電系統總轉換效率可比SF增加近35%，電量輸出如圖15所示。

　　圖15 雙閃ORC(DFORC)系統電量輸出情況

目前，地熱電廠以閃式有機朗肯循環(Flash ORC)系統為主，但是必需依據不同地熱資源作最適合的設計，并非一成不變。美國GALAXY資深副總Diamon再次強調：“地熱井工程成本浩大，在同一個生產井抽取出同樣熱量的蒸汽下，若發電效率不理想就會直接影響總發電效能，因此，采用何種發電系統非常重要，是要選擇SF、DF、FROC、DFROC還是復合式ROC，一定要有豐富經驗專家作計算設計，才能達到最佳效能，將開發出的熱能浪費降到最低”。

中國雖然燃煤燃氣發電機數量在全球領先，但對于低溫閃式有機朗肯循環(Flash ORC)系統裝機量還是較為落后，亟需開發相關技術。首先，中國得有大量的地熱市場，才能扶持閃式有機朗肯循環(Flash ORC)技術的發展。以土耳其為例，不吝引進美國技術，經過10年努力，電廠規模超過1000MW(兆瓦)，才開發出自有地熱有機朗肯循環(ORC)發電技術，這個做法值得我國學習。

數據提供 : 美國 GALAXY INC.

注釋

　　注1 : 容量因子(Capacity factor)是發電廠的平均發電量除以額定容量，介乎0到1。不同類型發電廠的容量因子會有很大差異。若是24小時以滿載額定容量運行，容量因子接近1。停機維修時，容量因子便是0，火電廠或核電廠在正常運轉下容量因子幾乎可達到1，但逢每年歲修會關機，容量因子就會降至0，歲修后重新啟動則會再逐漸爬升至1。可再生能源的容量因子則會受天氣影響。在夏季，水電廠平均發電量會較高，容量因子便較高，但如果冬季枯水期時容量因子會較低。所以發電廠有較高的容量因子，其發電平均成本會較低。因為發電廠可以減少固定成本，如投資發電機及租地的支出，電力公司可有較大利潤。