地热能

地热

地热来源

地热来自于地球内部，地核散发的热量透过地幔的高温岩浆传达至地壳，而这种热能就称为“地热能”（或“地热能源”），简称“地热”。可供开发利用之地热一般发生在地壳破裂处，亦即板块构造边缘；如：环太平洋地震带、大西洋中洋脊、地中海-喜马拉雅交界等。由于地壳板块推挤或扩张，造成火山活动，以致区域性地温升高，大量热能传到浅部地层，目前的技术只能在部分地质适宜的区域，针对集中在地壳浅部的热能予以开发利用，将来若能更进一步开发较深层的地热时，则热能源源不绝，故地热常被称为永不枯竭的资源。

地热、地热区种类

常见的地热依其储存方式，可约略分为如下两种类型：

水热型（又名热液资源）：系指地下水在多孔性或裂隙较多的岩层中吸收地热，其所储集的热水及蒸汽，经适当提引后可为经济型替代能源，即现今最常见之开发方式。

干热岩型（又名热岩资源）：系指浅藏在地壳表层的熔岩或尚未冷却的岩体，可以人工方法造成裂隙破碎带，再钻孔注入冷水使其加热成蒸汽和热水后将热量引出，其开发方式尚在研究中。

此外，另有在油田区受巨大地压而形成高温盬水之“地压资源”，但因仅出现在尚未固结或正进行成岩作用的深部沉积岩内，故不常见。

“地热区”（或称“地热田”）泛指具明显地热征兆的区域；举凡温泉、喷泉或喷汽孔地区或高温岩石分布区皆可称之。由于地热与火山活动有直接或间接的关系，因此“地热区”依其成因可分类为火山性地热区和非火山性地热区两种。

地热发电

地热发电的基本原理乃利用无止尽的地热来加热地下水，使其成为过热蒸汽后，当作工作流体以推动涡轮机旋转发电。

换言之，即将地热转换为机械能，再将机械能转换为电能；这种以蒸汽来旋转涡轮的方式，和火力发电的原理是相同的。不过，火力发电推动涡轮机的工作流体必须靠燃烧重油或煤炭来维持，不但费时且过程中易造成污染；相反的，地热发电等于把锅炉和燃料都放在地下，只需将蒸汽取出便能够达到发电的目的。

对于做为工作流体的高温地热水，通常采“闪化蒸汽处理”，也就是让它因压力骤降而迅速汽化，紧接导入低压蒸汽涡轮机产生动力以发电。

工作流体若为干而高温的过热蒸汽，可直接通入涡轮机，若同时含有水蒸气和热水，则须先藉汽水分离装置将二者分离，待水蒸气推转涡轮机后凝结为热水，如果热水温度仍高，则可经闪化处理再利用或另作他途。发电系统末端之冷凝水经适当控温后排入河川，或回注地下以免地层下陷。

技术应用层面

支援地热发电开发的技术是多面向的，其主要涵盖能源生产技术、能源工程技术与其他相关技术三大领域。

能源生产技术

能源生产技术包括探勘技术、钻井技术与测井及储积工程技术。

探勘技术：以经济、有效的方法，估计地热田的温度、深度、体积、构造及其他特性，据以研判井位之选定，并推估其开发价值。

钻井技术：钻井成本占开发地热的最大比例，亦可验证初步探勘之结果，经确认地热资源的赋存及生产特性后，由适当的完井技术在安全控制状况下开采。

测井及储积工程技术：完井后可作单井或多口井同时喷流之测井，利用取得的井流特性及地下资料，可以推断储积层的位置、深度、厚度、构造、储积范围、流体产状和产能，据以规划地热井的生产控制及地热田的开发与维护，作有效的利用。

地热发电已成功引用的探勘

地热发电已成功引用的探勘包括地质调查、地球物理探勘、地球化学探勘与钻井探勘等。

地质调查：调查各温泉区地质，热水活动范围、地形、交通等，并采集热水及岩石标本予以分析鉴定。对已钻探之温泉区进行地下与地面之地质比对，以了解深部热水之赋存情形。

地球物理探勘：利用重力、磁力、电阻、震波、微地震、地电流、热流测定等方法探勘地质构造，并探究地热储集层之温度位置、深度、范围及岩层孔隙率、渗透率等，以提供选定探勘井井位之资料。

地球化学探勘：调查征兆区，采取水、汽及沉积物并进行化学分析，以研判地热水在深部可能状况，并依地化温度计推算深部温度。进行地热井水、汽之测试分析以确定地热流体品质，作生产控制及开发利用依据参照地表及井流地化特性，辅以同位素研究，研判地热潜能及地热系统型态。

钻井探勘：利用钻井方法获得地热田之地质构造、地温梯度及地热流体赋存情形等资料，以供选定生产井井位之依据。

能源工程技术

能源工程技术包括发电技术、小型地热发电机研发技术与直接利用技术等。现今地热发电的发电技术有四种最主要的应用系统，分别是：全流发电系统、地热蒸汽发电系统、炽热岩发电系统与双循环发电系统。

地热蒸汽发电系统：可细分为“干蒸汽式”发电，及“闪化蒸汽式”发电。前者的天然干蒸汽是最简便而有效的工作流体，只要由管线直接导入蒸汽涡轮机就可产生电力；后者如2.2所述，高温地热水经单段或多段闪化成为蒸汽，再由汽水分离装置去除热水，以蒸汽推动涡轮机发电。该系统之运用技术已趋成熟且安全可靠，是目前地热发电最主要的形式。

炽热岩发电系统：须先凿通两口深达数千米的深斜井，再将冷水注入其中一井，由炽热岩层所提供的地热加热，使其产生水蒸气从另一井汇集后，推动涡轮机发电；不过由于经济因素使然，该发电系统较难被大规模推广，但最近新兴的“热干岩层法”却延伸了此一概念。

双循环发电系统：又称“双循环式”发电或介质发电系统。系以低沸点的物质（如：丁烷等）作为介质（即工作流体），与地热井产生的热流体借由热交换器达到加热，使其气化以推动涡轮机产生电力，且工作流体可循环使用。值得注意的是，其中可作为介质的氟氯昂（Freon）因“蒙特利尔公约”之故，已全面禁用。

全流发电系统：又称“总流式”发电。地热井产生的热流体，包括蒸汽及热水的两相混合体，同时导入特殊设计的涡轮机，由动能及压力能带动传动轴连接发电机以产生电力。

其他相关技术

地热能的直接热利用技术

地热水回灌技术

地热温泉水处理技术

热干岩层法

尽管世界上已有许多地区对地热作广泛的应用，但它的储量仍远比目前被人们所运用的总量多出很多，其高温高压的地下水和水蒸气最具实用性，它们主要存在于“热干岩层”中，可透过钻井的方式将之引出。

“热干岩层法”乃针对地下4至6公里深的结晶岩岩层，那里大量分布着水温约200℃的高压水。此法首先须在地面上打好钻孔，再用水泵把水注入岩层使其受压受热，并通过另外的钻孔把高温高压的地下水提取上来；地下水将直接被送进地面的热交换器当中，以“双循环发电系统”的原理带动蒸汽涡轮旋转，进而达成发电的效用。

由此观之，以“热干岩层法”开采地热，在地球上的适用范围，比只能利用或输送火山活跃带底下热源的方法更辽阔，故开发前景实为宽广。

分布状况

据美国地热资源委员会（GRC）1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。中国的地热资源也很丰富，虽然地热发电装机容量较小，但在地热的直接热利用能量和温泉水利用方面已居世界首位。中国的地热主要分布在云南、、河北、天津、福建、广东、北京、陕西等省区。除以上利用外，从热水中还可提取盐类、有益化学组分和硫磺等。

开发考量

地热发电与火力发电相比，最显著的差异便是不需装设锅炉且节省燃料费。但若欠缺良好的热交换及其相关技术，不仅无法将珍贵的地热资源善加利用，反而易肇生设备毁坏或工安问题。

优缺点

优点

地热能稳定，可以做为基载电力。

过程安全。

地热发电跟火力、水力的发电原理相同，都是推动涡轮机使机械能转变为电能进而发电，其优点如下：

运转成本低：地热发电不需锅炉、燃料，故其运转成本可相对降低。

附加价值多元化：地热能源除了可以发电外，尚可供温室农业栽培、建物空调、温泉沐浴等使用，亦同时兼具观光、物理治疗等经济价值。

地热能源系属自产型之替代能源，其经济规模不但具备发展远景，且拥有能源供应稳定、产量适合开发等优点，还能与其他能源相互结合应用，节省相当大比率的其他燃料消耗，达到高温高效率的利用价值。

缺点

技术要求高，例如抗腐蚀的管线会提高投资成本。

可能需要挖深井才能有足够的温度。

由于地热资源的开发，受环境先决条件之限制颇多，且开发过程中易造成环境污染，相对的其研究困难度也较大，地热发电还是较少被考虑，其最主要的缺点如下：

初设成本高：开发初期的探勘、钻井之费用极高，且所需相关技术之门槛皆极为严苛。

环境负荷大：挖凿地热井将破坏地表自然景观并影响生态，对土地使用造成影响。

工安管理风险高：发电时之蒸汽中可能带有毒性气体，热水中也可能溶有重金属等有害物质，对环境将造成污染；若曝露量高，工作人员甚至有遭受危害之虞。

供应源位置掌握不易，且持续供应量之稳定度难以精确计算。

人造地热能

人造地热能 （ 英语 ： Enhanced geothermal system ） （Enhanced geothermal system，EGS）是为了解决全球暖化对于干净能源的大量需求而逐渐成为21世纪显学的一种新方法，最初概念70年代已经提出但是一直没有受到重视。构想为地热分布地区极为受限，于是有人提出采用深度钻孔技术于任何地方钻至靠近地底熔岩附近300度以上的区域，至少钻2井，一井注入冷水、一井收回地热，加热后的蒸气发电，如果成本允许钻更多回收井则可以减少散失蒸气；增加发电效能。

虽然原理简单但是由于所需井深极深达5公里以上，又要通过许多坚硬花岗岩地壳，传统冲钻法需磨损数百具高价钻头成本太大，而地底状况难以掌握有可能钻出水汽不能流通的废井，加上地热在大众媒体关注不如太阳能和风力高，诸多因素使人不愿投资而停于实验阶段。

但是新兴科技例如水热钻机、等离子钻机的概念已经提出，钻井成本有望大幅下降，届时地热能不受位置和气候影响能提供24小时稳定基载电量的特性，建设时间、成本和大众疑虑又远低于核能；很有望成为最具竞争力绿色能源和全球暖化的解救方案。

更多资料：超临界流体

超临界二氧化碳流体可以替代水作为工作流体将热量转送至地热发电厂，然后抽取其能量或推动涡轮机发电。

地热空调

地下有恒温的特性，除地表随季节略有变化、几百米深度以下开始有温度梯度，中间基本是一个恒温区，一般平均十五度左右，随地区及水文地质条件不同略有差别，这种蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能形式的地热能叫做浅层地热能或浅层地温能。其温度范围与人类所需要的暖通空调温度最为接近，夏季比冷却塔循环水温度低，冬季比室外温度高，故可以采用此特性在适合的地区，主要是利用热泵技术设计低耗能的冷暖空调系统，使房间保持在让人舒适的温度范围内。 采用浅层地热能的冷暖空调形式主要有两种：一种叫地源热泵，另外一种叫做水源热泵。 水源热泵有两种：多井系统和单井系统。多井系统就是一（多）个井抽、其他一（多）个井回灌，且需要定期回扬，主要是利用地下水中的能量；单井系统是通过控制井内结构，使抽灌都在同一个井内实现，主要是利用该井周边范围内岩土体及地下水中的能量；就构造上说，要比多井系统复杂，若某个系统中有多个单井，使用中可以当作多井系统使用。水源热泵系统，因为是一个开放的系统，人为的改变了地下水的原始状态，若缺乏科学的设计，会产生严重的后果。 地源热泵则没有这种担忧。地源热泵形式是利用埋在地下的密闭管道内的循环水（或其他液体），将地下土壤或岩层中的热量与管道内的水进行热交换，为热泵机组提供热源或热汇。有些条件下也可以没有热泵而直接将在地下循环的水作为热汇，给建筑室内提供空调。如果在地下循环的水的温度达到可以直接为建筑室内提供热源的程度，这种地下的温度情况应该叫做地热了。

参看

电源成本

斯特林发动机

热泵

清水地热发电厂

2010年世界地热大会 （英文）

深海热泉

参考资料

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