中央研究院淨零科技

       在邁向淨零排放目標的路徑上，地熱被視為開發潛能高的再生能源選項，尤其是環太平洋火山帶周邊地區，地熱資源蘊藏十分豐富，目前許多位在環太平洋火山帶的國家皆積極開發地熱能源(圖1)，多數國家之地熱裝置容量皆已達GW等級，美國地熱開發甚至已超過20GW，臺灣目前地熱裝置容量僅為0.007GW，尚有很大努力空間。
  根據早期的研究評估，我國地熱開發潛力估計可達30GW以上，分布於四大高地熱潛勢區域(圖2)，其中僅約有1GW地熱潛力是淺層地熱，其餘絕大部分之地熱資源(95%以上)是深度超過3公里的深層地熱，因此我國若要開發超過1GW以上的地熱能，勢必需要開發深層地熱。過去深層地熱開發成本較高，因此國際上並未有大規模開發的案場，技術經驗亦較缺乏，但近年由於全球淨零碳排目標，各國紛紛增加對再生能源的需求，部分擁有地熱能的國家，皆從原先的淺層地熱往深層地熱發展，目前全球至少有17個地熱生產井深度超過3公里，例如美國加州Geysers地熱田是世界最大的地熱電廠群，便針對深層地熱進行開發。
 台灣亟需大量穩定、自產、基載的零碳電力，因此，若能有效開發地熱能，對我國達到淨零排放目標將有顯著貢獻。基於此，本院針對深層地熱，積極進行地質環境調查與探勘作業，盼能協助政府儘速找到適合發展地熱之地區。
 

圖1、環太平洋國家地熱裝置容量

圖2、台灣地熱潛勢區

1.我國能源國家型科技計畫第一期（NEP-I）潛力為33.6GW。

2. Kong et al.(2021). Catalog of Enhanced Geothermal Systems based on Heat Sources
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1755-6724.14876
 

        台灣欲達到淨零排放目標，必須採用多元綠能選像，而地熱能具有以下優勢，故為我國不可或缺的淨零科技選項。

• 地熱能提供大量、穩定的零碳電力
  臺灣深層地熱潛力約達30GW，只要能成功開發深層地熱3GW（總潛力10%），每年即可發210億度綠電(21TWh)。
• 地熱可作為基載
  地熱具有再生能源少有的基載特性，尤其是深層地熱仰賴深部熱岩層及循環水系統，具有穩定且人為可控的特性，除去歲休時數，每年可運轉時數可達60~70%以上，具備基載特性，提高電網可調度性。

        雖然地熱能優勢顯著，但仍必須克服數項挑戰，包括深層地熱鑽探取熱經驗不足，有待積極強化鑽探技術與能力。此外，地熱開發區多位於國家公園或原住民傳統領域，因此，地熱開發必須重視在地居民的環境影響、社會溝通作為。

 

        地熱發電技術包含地質調查與探勘技術以及鑽井取熱發電技術，本院與台灣中油公司合作，希望運用地質調查科學研究資訊，較精準地找到高地熱潛勢地區，降低開發成本與風險，後續開發單位則可針對深層地熱取熱技術進行研發。

地質調查與探勘技術─找到熱源的技術
        地球內部的熱能是取之不盡的能源來源，但受限於人類目前鑽探以及取熱技術，地球深處的熱能目前人類無法直接利用，我們只能在目前鑽井技術可以達到的範圍內，尋找那些在地殼的裂隙、儲集層構造聚集的熱源並加以利用。

        地熱開發的關鍵第一步，是找到熱源。若能較精準地判別熱源在地下的何處、在哪一種地質構造，就能降低開發成本與風險。本院地熱研發計畫，即在應用多種先進技術協助我們更精準的找到熱源。這些技術包括，大地電磁法 (MT)、地下地質成像、地震震波成像、地震剖面、深鑽、無人機地表熱感探測等技術進行地熱資源環境調查。
以大地電磁法（Magnetotellurics, 簡稱 MT）為例，這種地球物理探測方法，測量電磁波進入地表後，在不同地層因電場（電阻率、電導率）與磁場差異所產生衰減和相位變化，推算地下岩層的電阻率分佈，低電阻區位代表有潛在的熱水儲集層，也就有地熱開發的潛能，藉此資訊描繪地下結構(圖3為員山-紅柴林一帶1500公尺深度大地電磁成像)。

圖3：員山-紅柴林一帶大地電磁成像

資料來源：中央研究院 研究團隊

深層地熱的鑽井取熱發電技術

        傳統的常規型地熱（Conventional Geothermal System），乃利用被地底熱源所加熱的地下水為傳熱的媒介，透過地熱井引出受到加熱的地下水，並利用蒸汽推動渦輪機運轉，藉以發電。但深層地熱之深度超過3公里，這個深處的岩層溫度很高，可以超過150°C，稱為深部熱岩石，因此，可採用現在已有少數示範案場的增強型地熱技術（Enhanced Geothermal System， EGS），此技術乃從地面注水到深部熱岩石上方的注水裂隙區，水會被加溫成為熱水，再將這些熱水或蒸汽從地底提取出來，可以直接用於發電或供熱。這些熱水或水蒸汽利用完後，再回注入深部熱岩石，不斷循環利用（圖4）。

圖4：深層地熱增強型地熱技術原理示意圖

資料來源：中央研究院 研究團隊

3從地表到地心深度大約6,000公里，地表到地下平均35公里是地殼，地殼之下至2890公里是地函，超過2890公里深則是地核。地函溫度平均高達2000-3000度、地核更高達6000度以上。

4最深層的油井可以達到地下7公里，人類鑽井的最深紀錄則達到12.2公里。也就是人類能利用地熱能的深度範圍。一般可利用的地熱能溫度在400度以下，通常130度至200度為較容易利用的溫度。 https://www.iloencyclopaedia.org/zh-TW/part-xi-36283/oil-exploration-and-distribution； https://www.bbc.com/ukchina/trad/vert-fut-48625167； https://smctw.tw/3588/#:~:text=%E5%85%B6%E7%99%BC%E9%9B%BB%E7%9A%84%E5%8E%9F%E7%90%86%E6%98%AF,%5B1%5D%E4%B9%8B%E9%96%93%EF%BC%89%E3%80%82

        本院研究團隊盼能提供地球科學研究資訊，以利我國深層地熱發展，計畫包含以下工作項目：

• 針對我國高地熱潛勢區域(宜蘭、大屯山群、花蓮、台東)，進行地熱資源環境調查，累積深層地熱尋址技術、經驗，建立臺灣地熱探測、探勘科學化、標準化技術，促進臺灣地熱開發成功率(圖5)。
• 藉由深層井下相關地質調查量測資訊，了解我國深層地質狀態，藉此分析評估深層地熱之發電潛能。

圖5：本院研究團隊採用多項地質調查方法，判釋高地熱潛能區

• 本院地熱研究團隊已完成宜蘭地區蘭陽溪區域地質調查、資料分析與判釋作業，選定測試井場址(蘭陽溪北岸員山地區)。
• 本院與台灣中油公司合作，中油公司於2024年10月於宜蘭員山地區，開鑽「員山新井」，此為臺灣第一口以4500公尺深度為目標的深層地熱探測井，此次探勘技術與經驗積累，可為後續臺灣深層地熱開發提供重要參考。

圖4：中研院員山深層地熱科研探測井

資料來源：中央研究院 研究團隊