地热能
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| 可再生能源 |
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地热能（英语：geothermal[a] energy）是贮存于地壳的热能，其能量源自地球形成时的残余热能（约20%）与放射性元素衰变产生的热（约80%）[2]。这是一种历史悠久的可再生能源，人类利用地热最早可溯至旧石器时代之温泉浴；至古罗马时期，已见系统化之地热供暖技术[3]。
现代地热能的商业开发肇始于20世纪。据国际可再生能源机构（IRENA）统计，2024年底全球地热发电装机容量约16.3 吉瓦（GW）[4][5]。行业数据显示，至2025年底全球装机容量已增至约17.2 GW，分布于35国，其中美国、印尼、菲律宾、土耳其居前[6]。除发电外，地热能的直接利用（如区域供暖、温室栽培、温泉旅游）规模亦钜。2023年全球直接利用的热能装机容量约为1.07亿千瓦热（kWth）[7]。
地热发电具基载优势，可稳定供电，有别于风能、太阳能等间歇性可再生能源[8]。随技术进步，开发成本逐渐下降。IRENA于2024年评估，新建地热电厂的平准化能源成本约为每千瓦时0.05至0.10美元，部分区域已可与传统能源竞争[9]。产业就业方面，全球地热从业人员约152,000人[10]；另据国际能源机构（IEA）2025年初报告，地热行业提供约14.5万个工作岗位[11]。产业活动集中于板块边界高温地热带，尤以环太平洋火山带为最[12]。
近年，增强型地热系统（EGS）技术进展迅速，藉人工压裂等手段，自原本缺乏天然流体或渗透率低的干热岩中撷取热能，大幅拓展地热能可开发范围[12][13]。国际能源机构（IEA）预测，至2050年藉EGS等新技术，全球地热发电容量可达800 GW[14]。此外，地热能尚可用于储热，并从地热卤水中提取锂等关键矿物，对能源转型意义重大[12]。例如，加拿大阿尔伯塔省拟建年产9,000吨碳酸锂之地热提锂项目，预计2026年下半年投产[15]。在中国江苏省，2025年底利用中温地热资源，成功试验单井发电功率逾200千瓦之有机朗肯循环（ORC）发电项目，计划结合供暖、农业等用途梯级利用[16]。
地热[编辑]
地热来源[编辑]
“地热能”，简称“地热”。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。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；台湾便是位于环太平洋地震带上，因此具有发展地热的良好先天条件。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，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，地热常被称为永不枯竭的资源。
地热、地热区种类[编辑]
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[编辑]
地热发电的基本原理乃利用源源不绝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，或回注地下以免造成地下水资源枯竭，是一种再生能源。''
直接利用[编辑]
| 国家 | 2020年利用量(MWt) |
|---|---|
| 中国 | 40,610.000 |
| 美国 | 20,712.590 |
| 瑞典 | 6,680.000 |
| 德国 | 4,806.340 |
| 土耳其 | 3,488.350 |
| 法国 | 2,597.600 |
| 日本 | 2,570.460 |
| 冰岛 | 2,373.000 |
| 芬兰 | 2,300.000 |
| 瑞士 | 2,196.800 |
| 加拿大 | 1,831.280 |
| 荷兰 | 1,719.150 |
| 乌克兰 | 1,606.960 |
| 韩国 | 1,489.760 |
| 意大利 | 1,425.000 |
| 挪威 | 1,150.180 |
| 奥地利 | 1,095.780 |
| 匈牙利 | 1,023.700 |
| 波兰 | 756.000 |
| 丹麦 | 743.600 |
| 英国 | 524.700 |
| 新西兰 | 518.000 |
| 俄罗斯 | 433.000 |
| 巴西 | 363.450 |
| 印度 | 357.644 |
| 捷克 | 324.500 |
| 斯洛文尼亚 | 265.550 |
| 希腊 | 259.450 |
| 罗马尼亚 | 245.130 |
| 斯洛伐克 | 230.300 |
| 阿根廷 | 204.780 |
| 爱尔兰 | 200.870 |
| 墨西哥 | 156.113 |
| 泰国 | 128.510 |
| 澳大利亚 | 94.400 |
| 伊朗 | 82.224 |
| 葡萄牙 | 21.060 |
| 肯尼亚 | 18.500 |
| 萨尔瓦多 | 3.360 |
| 危地马拉 | 2.310 |
| 埃塞俄比亚 | 2.200 |
| 哥斯达黎加 | 1.750 |
| 菲律宾 | 1.670 |
| 巴布亚新几内亚 | 0.100 |
技术应用层面[编辑]
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。
能源生产技术[编辑]
- 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。
- 井测及储集层工程技术：完井后可作单井或多口井同时喷流之井测，利用取得的井下流体特性及地层资料，可以推断储集层的位置、深度、厚度、构造、储集范围、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。
地热发电使用的探勘方式[编辑]
地热发电使用的探勘方式，包括地质调查、地球物理探勘、地球化学分析与钻井探勘等。
- 地质调查：透过采集水样、岩石标本与取钻井岩心予以分析鉴定，以厘清各潜能区之地质构造，并建构区域水文模型。
- 地球物理探勘：利用重力测勘、磁力测勘、大地电磁、震测、井下地震仪以及地温梯度等方法探勘地下构造，并探究地热储集层之温度、深度、范围、岩层孔隙率及渗透率等，以作为选定探勘井井位之依据。
- 地球化学探勘：调查地热征兆区，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[编辑]
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、增强型地热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，是目前有地热发电最主要的形式。
- 增强型地热发电系统：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，由干热岩层所提供的热能加热，并从另一口井取出加热后的热水及蒸汽，推动涡轮机发电。
- 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[编辑]
- 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
各国使用地热资源概况[编辑]
据美国地热资源委员会（Geothermal Resources Council，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。 根据再生能源政策智库REN21所发表的《2017全球可再生能源状况报告》，在2016年，全球约有400 MWe的新地热发电装置容量上线，相当于现行台湾所有种类发电机组总合（42132.5MWe）的百分之一，全球总地热发电装置容量也来到13500 MWe的新高，足以撑起三分之一个台湾的用电。截至2016年底，地热发电装置容量前十名的国家如下：美国（3600 MWe）、菲律宾(1900 MWe)、印尼（1600 MWe）、新西兰（1000 MWe）、墨西哥（900 MWe）、意大利（800 MWe）、土耳其（800 MWe）、冰岛（700 MWe）、肯亚（630 MWe）和日本（500 MWe）。
台湾传统地热共计27区，总发电潜能为989MW。目前主要潜能区有：大屯山、宜兰清水、土场、庐山、金仑、知本与瑞穗等七处。目前全台已商转电厂有宜兰清水、仁泽、土场、台东知本与金仑、台北大屯火山群的四磺子坪，目前还有几处正在兴建与开发中，未来会有更多地热电厂投入营运商转。[18]
开发考量[编辑]
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。
| 发电方法 | 简述 | 每单位电量所产生的二氧化碳 (g CO2/kWhe))（百一分段价） |
|---|---|---|
| 水力发电 | 假设利用水塘，不含水坝建设 | 4 |
| 风力发电 | 位于低成本陆地的情境，不含海上型 | 12 |
| 核能发电 | 以普遍的第二代核反应堆计算 不含更新型科技 |
16 |
| 生质燃料 | 18 | |
| 聚光太阳能热发电 | 22 | |
| 地热发电 | 45 | |
| 太阳能电池 | 多晶硅太阳能电池 生产过程的碳排放 |
46 |
| 燃气发电 | 假设加装燃气涡轮 联合废热回收蒸汽发生器 |
469 |
| 火力发电 | 1001 |
优点与缺点[编辑]
优点[编辑]
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：
- 地热能稳定，可以作为基载电力。
- 过程安全。
- 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[编辑]
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，因此即使在能源多仰赖国外进口的台湾，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。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。可能需要挖深井才能有足够的温度。
- 技术要求高：例如抗腐蚀的管线会提高投资成本。
- 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。
增强型地热系统[编辑]
增强型地热系统（enhanced geothermal system，EGS）是为解决在干热岩开发，所面临之挑战。干热岩因孔隙率及渗透率不佳，缺乏可直接利用的水资源，故透过水力压裂的方式制造人工裂隙，并从地表注入水资源，取回经地下高温加热后的蒸汽及热水，进行发电。[20]
增强型地热系统，因可透过人工方式制造裂隙，可使用深度范围则超过地下 3,000 米之热源。在正式开采前，为精确评估热源位置及资源量，经科研团队将该区探勘资料综整后，将会进行探勘井钻凿，取得进一步的地层资讯，以了解储集层概况，确认开采井位。[21]在工程规划上，至少将钻凿2口井，一口井为注入井，一口为生产井，透过注入井注入冷水，并取回经地下高温加热后的蒸气及热水进行发电。[22]
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。
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[编辑]
地壳浅层温度相对恒定，具有热惯性。地表温度虽随季节变化，但到达一定深度（通常约30英尺或10米）以下，全年温度便维持在一个稳定范围，例如在美国多数地区约为10至15°C[23]。此蕴藏于浅层岩土体、地下水或地表水中的热能，被称为浅层地热能。由于其温度在夏季低于空气温度，在冬季高于空气温度，因此可作为高效的热源或热汇，配合热泵技术，为建筑物提供供暖与制冷，此类系统通称地源热泵系统[23]。
根据热交换方式的不同，浅层地热能空调系统主要可分为两大类：地源热泵（封闭循环系统）与水源热泵（开放循环系统）。
水源热泵系统为开放式，直接抽取地下水，经过热交换后再回注至同一含水层。此类系统可分为多井系统（一个或多个抽水井与回灌井组合）与单井系统（利用特殊井身结构在同一口井内完成抽水和回灌）。水源热泵的效率较高，但因直接干扰地下水体，若地质条件评估不周或系统设计不当，可能引发地下水位下降、地层下陷或地下水污染等环境问题，因此需要审慎的水文地质调查与许可监管[24][25]。
相较之下，地源热泵系统为封闭式。其核心原理是在地下埋设高密度聚乙烯等材质的闭合管道（又称地埋管换热器），内充循环液体（水或防冻液）。液体在管道内流动，通过管壁与周围岩土体进行热交换，仅交换热量而不直接接触地下水或土壤。依据场地条件，地埋管可水平铺设或垂直钻孔安装。在适宜条件下，亦可利用池塘或湖泊水体代替地埋管，形成地表水热泵系统[23]。地源热泵系统不扰动地下水，环境风险较低，适用范围更广[26]。
地源热泵系统的性能通常以性能系数（COP）衡量，表示每消耗一单位电能所能搬移的热量。优良的系统其COP值可达3至6，意味着比传统电阻加热或燃烧供暖节能25%至50%[27]。全球地源热泵的装机容量增长迅速，应用范围从单一住宅扩展至社区、校园等区域供冷暖系统[23]。其优点包括：运行成本低、使用寿命长（地下换热管路设计寿命可达50年以上）、设备无室外机故安静、且无本地碳排放。主要挑战在于初装成本较高，通常比传统暖通空调（HVAC）系统昂贵，投资回收期约为5至10年，并需要足够的室外场地进行钻挖或铺设管道[26][28]。
部分地区政府与机构积极推广此项技术。例如，香港机电工程署便提供相关资讯，推广地热热泵（地换热系统）在本地应用的可行性，以助减少建筑物碳排放[29]。然而，无论是何种系统，在项目开发前均须进行详细的地质与水文地质评估，以确保其长期可持续性，避免潜在的环境风险[30]。
注释[编辑]
参考文献[编辑]
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