本期主題:工程碳管理/低碳城市

發行人 :高志明

總編輯 :習良孝

編輯主任委員 :習良孝

編輯副主任委員:丁力行

本期主編   :胡憲倫

編輯工作小組:王志遠、周武雄、

林彥宇、鄭明文、高逸峰、陳婉寧

105年6月

臺灣地熱發電減碳潛能與環境衝擊管理芻議

簡慧貞 / 環保署溫室氣體減量管理辦公室執行秘書
呂慶慧 / 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所資深研究員
敖家綱 / 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所副研究員
曾湘捷 / 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所副研究員
陳俊佑 / 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所副研究員
彭毓之 / 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所副工程師
鄭如琇 / 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所副研究員

摘要

  我國「溫室氣體減量及管理法(溫管法)」中說明,低碳綠色成長為促進產業綠化及節能減碳,透過低碳能源與綠色技術研發,發展綠能及培育綠色產業,兼顧減緩氣候變遷之綠色經濟發展模式。再生能源為普遍可接受之潔淨低碳能源,其中地熱發電被視為可做為基載電力之穩定供電技術。本文將透過國際先進地熱發電技術發展現況,以及全球不同地熱發電技術溫室氣體排放係數比較以了解其減碳效益。此外,不同技術開發皆有環境衝擊,本文亦蒐研再生能源發展先進之國家對地熱發電訂定之法規,以做為地熱發電所面臨之環境衝擊參考。

關鍵字:減碳效益、地熱發電、環境衝擊

一、前言

  我國屬海島型國家,能源進口依賴度達98%以上。能源總供給中化石能源占90.0%、核能為8.3%,其中化石能源多為高二氧化碳排放的石油及煤。於104年7月1日正式通過之「溫室氣體減量及管理法(溫管法)」,法中明定國家溫室氣體長期減量目標及檢討調整機制,且在「穩健減核,逐步非核」的政策方針下,積極尋求可行的替代能源及低碳能源是國家現階段的重要政策方針。

  再生能源為當今普遍公眾接受之潔淨低碳能源。臺灣位處環太平洋構造帶,火山活動與板塊擠壓活躍,地熱能源(Geothermal Energy)蘊藏豐富,且地熱發電供應穩定,可視為基載能源選項,降低其他石化基載能源比例,有益於降低能源使用排放產生的溫室氣體。然而,不同地熱技術應用所產生之溫室氣體排放當量不同,亦有正負面環境衝擊影響。在開發尋求穩定能源之際,應審慎評估以尋求永續發展。

二、先進地熱發電技術減碳潛能

  國際能源總署(International Energy Agency, IEA)指出,2050年大氣維持450ppmCO2eq濃度的目標下,各種降低溫室氣體排放量的技術,以能源使用效率(38%)占比最大,其次為再生能源(30%)(圖一)。再生能源中,由於太陽能及風能技術開發之技術成熟性高以及成本較其他再生能源低,在各國政策支持下蓬勃發展以至趨近飽和。雖然部分地區如巴西、南非等地再生能源價格可能較石化燃料低廉,但整體全球狀況下,再生能源仍需經濟與政策支持,且需考量社會發展與接受等議題。

  因應當前氣候變遷與能源安全問題,地熱能源為一種獨特之發電資源,不僅可降低對傳統燃料(如煤、石油、天然氣)之使用且可供基載發電使用;同時也因具有與風力、太陽能相同之潔淨、再生特性,因此地熱發電正持續受到全世界關注。


圖一 IEA預估2050全球減碳技術貢獻比例

  地熱發電技術被國際視為已趨成熟且可商業化,並可做為穩定的基載電力之一。過去地熱能的應用多以淺層、較易開採之地熱來源為主。隨著技術的進展,可探勘、開採的地熱田與電廠逐年增加,顯示各國對地熱開發的重視。自1950年代起,地熱發電便開始蓬勃發展;統計至2016年1月為止,共有24國設有地熱發電廠,並有630個地熱發電研究計畫分部於80個國家,總裝置容量約為13.3GWe(圖二);美國地熱能源協會(Geothermal Energy Association, GEA)於2016年全球發展趨勢報告中推估,全世界至2021年之地熱發電總裝置容量將達18.4GWe,而彙整全球政府發展目標設定下2030年將達32GWe,但迄今國際市場僅挖掘全球地熱前能的6.5%。


圖二 全球地熱裝置容量與推估

  然至2015年之地熱發電成長仍來自於傳統地熱電廠開發,在此同時,已發展約40年的加強型地熱系統(Enhanced geothermal system,EGS)漸漸在各國有應用案例出現。雖然傳統地熱仍有70 GWe可開採潛能,但在2050年EGS成熟的情況下,約有85%的機率可開採超過原預估之前能,且2050年後EGS將成為地熱開發主流(圖三)。


圖三 全球地熱裝置容量現況與推估

  臺灣地熱發電資源豐富,全島共有百餘處溫泉地熱徵兆,分布廣泛;主要傳統淺層地熱區包括大屯、清水、土場、廬山、知本、金崙及其他地熱區,各潛能區之發電潛能評估,合計總發電潛能約986MW。而在EGS發電潛能上,根據能源局與工研院研究,本島之九大EGS系統潛能區總儲藏發電潛能約31.8GWe。

三、地熱發電減碳效益

(一)地熱發電排放係數國際研究

  在分析各項電力的實際碳排放量時,常以整體生命週期(Life Cycle Assessment, LCA)溫室氣體排放量做為參考,其包含燃料開採、精煉、運輸、電廠興建、運轉、後端處理與除役等階段的能源消耗與CO2排放。於IPCC再生能源與減緩氣候變化特別報告中,亦將各種能源生命週期之不確定性清楚地呈現。美國LCA Harmonization 資料庫整理全球文獻中傳統閃發式地熱發電(Flash Steam, FL)與EGS發電排放係數如表一,若同以2010年文獻進行比較,FL電廠排放係數平均約為40 kg/MWh,而EGS平均則為55 kg/MWh。

表一 地熱發電二氧化碳排放係數表

  於IPCC再生能源與減緩氣候變化特別報告中(Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, SRREN) 參考國際文獻研究,各式地熱發電廠之排放係數約介於4~740gCO2e/kWh間。其中極端值(740gCO2e/kWh)為試驗計畫廠址。IPCC另彙整自1980年以來以LCA法計算之溫室氣體排放量研究結果,如,以FL地熱發電廠CO2排放量均在50gCO2e/kWh以下,而EGS廠則均在80 gCO2e/kWh以下。


圖四 傳統地熱(Flash Steam)及EGS地熱生命週期溫室氣體排放比較

  初步評析;由於目前國際EGS發電廠址規模約10MW左右(全球最大EGS電廠規模為25MW),多為試驗階段之規模,且EGS鑽井所需深度較深,以至排放係數較高。

(二)地熱發電溫室氣體排放與其他能源技術比較

  IPCC再生能源與減緩氣候變化特別報告(SRREN)中亦將各種能源生命週期之溫室氣體排放數值呈現比較;地熱發電之排放係數約為話石燃料天然氣的9.5%,燃煤發電的4.4%。與其他再生能源比較上,地熱發電約介於均值,排放係數約與風力發電相當,高於水力及海洋能,而太陽能則為再生能源平均最高者(圖五)。而在圖六美國Argonne 國家研究室之研究結果與IPCC幾無不同,惟Hydrothermal – Flash (HT-Flash)因技術限制與能資源使用,其排放係數高於太陽能發電之研究結果。在地熱發電排放係數研究上,Argonne 研究室指出因能源技術之特性,多建議使用生命週期評估法中之程序評估法(Process chain analysis, PCA)得較能完整評估各類能源技術年限設定下溫室氣體排放。


圖五 IPCC不同能源技術生命週期溫室氣體排放比較

圖六 美國Argonne 國家研究室不同能源技術生命週期溫室氣體排放比較

  將各種能源技術之排放係數再依各階段進行深入了解,發現地熱發電及其他再生能源之排放主要皆來自於電廠建造階段,而HT-Flash地熱發電技術則能資源使用較高於其他再生能源。在建設階段,由於EGS鑽井深度較深,所需耗用之鋼鐵及水泥物料亦較多(圖七),至此可能影響其與其他地熱發電排放係數比較;此外,由於鑽井深度因素,EGS所需之鑽井原物料使用亦較高。


圖七 美國Argonne 國家研究室不同能源技術各階段溫室氣體排放比較

四、地熱發電環境衝擊影響

(一)發展潔淨能源仍應正視環境衝擊

  利用地熱能源發電是替代能源的選項之一,隨然前景相當看好,但地熱發電對環境的衝擊與影響相當大,這其中要如何平衡,也是一大挑戰。而對於環境之衝擊大致上如圖八可分保障對象、應力累積、氣體外釋方式等幾類:


圖八 地熱發電對環境的直接衝擊示意圖

(1) 土地利用、地貌與自然景觀的衝擊

  地熱發電雖然是開發與利用地表下能源,但一個地熱電廠的開發,舉凡道路建設、地熱井鑽探、管線鋪設、電力設備建設等,均可能造成大面積的土地開發、地貌與自然景觀的改變

(2) 地質危害

  地熱發電抽取大範圍或區域性之深部地質流體至地表進行循環,故可能引發一系列地質相關的災害發生,例如誘發地震。以指標或數量是無法來量化這些環境上的影響。部分地熱試驗場址多建築在地形陡峭的火山地熱區,然而崎嶇的地形與侵蝕作用,容易造成環境地質災害。

  另外,由於地質流體傳輸與孔隙壓力變化亦可能造成地形隆起或沉陷。綜合以上所述,可利用的地熱能源區域通常都是地質較年輕、地熱活動較活躍、地殼較脆弱與地質敏感的區域;在此環境條件下,地質方面的風險與危害不僅只針對於地熱場址的開發,也衝擊著區域植物與生態環境、以及水文環境等。

(3) 廢熱問題

  無論是二進式(Binary)、單閃式(Single flash)或雙閃式(Double flash) 地熱循環發電技術均會產生大量無法利用的廢熱 (waste heat)(圖九),而廢熱所佔的多寡取決於轉換的技術/發電機組的類型。若轉換效率較低,相對地將產生較高比例的廢熱,釋放於大氣環境、冷卻池或天然水體中,進而造成環境衝擊,故應設法運用廢熱將其傳輸至供熱網,以增加廢熱的用途。


圖九 各種發電方式每單位電力所產生的廢熱比較

(4) 氣體擴散對大氣的衝擊

  在地熱發電廠的生命周期中,交通、建造過程中的工程機具排放至大氣環境的廢氣為大宗。大部分運轉中廢氣排放的量較場址的氣體外釋量為小。通常在地熱發電廠看見上昇的雲團實際上為水蒸氣,並非排放煙。

  良好的地熱發電廠不會像石化燃料發電廠燃燒燃料發電,故本身幾乎沒有廢氣釋放。燃煤電廠相較於地熱蒸氣電廠,每1MWh的CO2排放量約為地熱發電的24倍,H2S排放量為10837倍,NOx為3865倍。表二為美國國內地熱與燃煤發電技術排放之主要汙染物平均量比較。

表二 美國國內地熱與燃煤發電技術排放之主要汙染物比較表

(5) 固體廢棄物對水與土壤的影響

  一般而言,固體廢棄物對環境的衝擊較小,例如鑽井用的水泥殘渣或泥漿(膨潤土);而發電循環因高溫造成有毒物質的濃度提高或重金屬析出與累積;鑽井用之降溫液體或發電循環回注的液體,可能會因鑽孔套管或管線破損,在回注的過程中汙染地下水源;另外商轉營運也會產生一般廢棄物可能對環境造成影響。

(6) 水資源的消耗

  地熱發電的運轉需要大量的水,當抽取新鮮的地下水進入地熱系統循環後,其地熱流體便非新鮮乾淨的水體,可能會造成飲用水或農業用水的汙染。地熱儲集層通常上有淺部的地下水層,當在深部地層抽取地熱流體,降低深部壓力且存在裂隙作為連通的管道時(例如斷層),則可能造成淺部地下水下滲。圖十為美國各式地熱發電廠搭配各種冷卻方式組合,所對應的耗水量比較圖。較早期的二進式發電方式需要消耗較多的補充水源進入發電循環。


圖十 各式地熱發電裝置與冷卻技術組合所對應之平均耗水量

(7) 對生物多樣性的潛在衝擊

  對於潛在的生態影響其實不易量化其衝擊程度,例如在地熱環境中可能存在其獨有、脆弱敏感、地域性的生態系統。然而,地熱發電雖占總發電量比例不大,但對生物多樣性的影響卻是相當龐大的,一是地熱發電開發使用相當廣大的面積,影響生物物種與群落分布;另一方面,有毒氣體與廢水排放造成生物棲息地的威脅。

(8) 噪音衝擊與其他

  在地熱開發階段,鑽探噪音的排放為主要來源;電廠運轉過程抽水、注水、流體傳輸所製造的噪音,對生態亦是相當大的影響。另外地熱生產井的大量抽水影響大範圍的地下水文,可能由於地下水補注不及而降低溫泉區的溫泉生產率。

(二)國際地熱發電主要開發國家環境監管制度

  由於環境衝擊與目的事業相關法規係屬各種開發行為皆須適用之領域,是以整體而言,EGS深層地熱發電真正在法規適用上最具特色且須先行釐清之處,即在於其與土地利用法規及如何適用地熱取得相關法規之問題。大致上,地熱發電所涉法規領域計有地熱利用、環境保護、土地利用管制與電業法規等四領域。本文探討德國、日本、美國發展EGS深層地熱發電的經驗,了解其地熱資源取用相關法規在實務上如何執行。

(1)德國

  德國在地熱利用相關管制法規方面包含:聯邦礦業法(BBerG)、取水與水資源主管法之聯邦水資源法(WHG)、主管國土、空間利用之空間秩序法(ROG)建設法典(BauGB),以及與開發行為具關連之環評法(UVPG)與聯邦自然保護法(BNatSchG)。此外,德國係以礦業法系統規範地熱之取用,因此無論淺、深層地熱利用均須取得礦業權,與我國礦業法規定相當類似,分為探勘(權)許可與採取(權)許可。至於地熱開採利用之營運及開採設施設置,依聯邦礦業法(BBerG)規定應先提出營運計畫並通過計畫確定程序,其若係法定應辦理環評者,環評程序併於計畫確定程序中執行。而水資源法上對於再生能源利用方面,在發生利益衝突時設定較有利(優先)於地熱利用。大體上德國迄今EGS發展情形,深層地熱利用並未顯現特殊環境衝擊,其電廠部分類似於一般熱能轉電能之電廠,其環境衝擊接近一般電廠。EGS系統之環境影響特徵反而在於製造岩床裂隙或在營運中發生儲集層地質構造變異,雖迄今尚無重大環境衝擊事件發生,但在運用類似技術開採頁岩氣方面,尤其在衍生之鹵水排放方面,已引發法律爭;EGS系統若採回注方式運作,則因無鹵水排放問題,迄今並無相關法律爭議,而亦迄今未對深層地熱開採為環評。

(2)日本

  日本曾執行EGS實驗計畫,但商轉方面仍集中於淺層地熱,因此其法規之發展原非針對EGS地熱利用。日本之國土利用管制,係以計畫體系為其管制主軸,依據國土利用計畫法所訂之「國土利用計畫」為全國土地利用之最上位計畫,以國土利用計畫為基準訂定「土地利用基本計畫」,規定並各都道府縣土地利用之基本方向將各轄區劃分為「都市地域」、「農業地域」、「森林地域」、「自然公園地域」、「自然保全地域」五種土地利用地域,各土地利用地域分別適用「都市計畫法」、「農業振興地域整備法」、「森林法」、「自然公園法」、「自然環境保全法」。

  然而日本地熱資源分布多數位於自然公園地域,其土地指定為「國立公園區域」(環境大臣指定,主管機關為環境省)和「國定公園區域」(由都道府縣申請,環境大臣指定,主管機關為都道府縣)。日本長年以來一直禁止在國立和國定公園進行地熱開發,直至2012年 3月27日由日本政府宣布,在最低限度影響自然環境等附加條件下,允許在受保護的國立或國定公園開發地熱。地熱發電系統業者為了探測地熱而進行挖掘時,有時需要按照「溫泉法」的規定,從都道府縣各政府獲得許可。

(3)美國

  文獻顯示,美國地熱開發利用普遍觸及以下各法令:更地保護政策法(Farmland Protection and Policy Act, FPPA)、聯邦土地政策管理法(Federal Land Policy and Management Act, FLPMA)、水土資源保護法(Soil and Water Resources Conservation Act, SWRCA)、野生及風景河流法(Wild and Scenic Rivers Act, WSR)、原野法(Wilderness Act)、海岸線管理法(Coastal Zone Management Act, CZMA)、國家環境政策法(National Environmental Policy Act, NEPA)、以及1970年公告之地熱蒸氣法案(The Geothermal Steam Act of 1970)。於我國相關法領域比較,雙方最相似者在於環境保護相關法規與土地規劃相關法制。由以上呈顯法規來看,美國的相關立法相較於德國因為各種環境相關專法多,顯出相關法規的數量更多、也較為非結構性,如SWRCA、WSR、CZMA等,法規適用上可謂較德國複雜,但以目前之法制發展現狀而言,似亦可謂與我國情形較為接近。整體言之,亦可由上述看出,美國與EGS地熱利用相關法規亦符合前所提及之四大領域,在法規之架構上並未顯特殊之處。

  須特別注意者,以上各法規嚴格來說,除了地熱蒸氣法案外,皆屬開發行為普遍會碰觸的法規,並無特殊之處。此外,在美國真正的地熱利用專法可謂僅有地熱蒸氣法案,但該法適用範圍僅限於國家公園及原住民保護區以外地區。

五、結論

  溫室氣體減量及管理法在政府各部會、立法委員與專家、學者、民間團體及產業代表等共同努力下,終於在104年7 月 1 日由總統明令公布施行。法中明文規範我國溫室氣體長期減量目標為 2050 年的溫室氣體排放量要降為 2005 年的 50% 以下,未來將以減緩、調適及綠色成長3大主軸,推動臺灣因應氣候變遷的具體作為。就國內執行面與2015年舉辦之巴黎協議(COP 21)之結合來看,溫管法內容中促進產業結構優化調整及採行節能極大化,輔以推動再生能源最大化,導入前瞻減碳技術,以降低能源供需面之排碳量,將是大成減碳效益的重大方向,EGS地熱技術亦符合溫管法第三條第十款、第八條第一款、第十三款等條文,配合既有能源法規,促進再生能源發展與加速新興低碳能源技術商業化。

  地熱發電的開發已有百年以上的歷史,目前於國際間已被認定為商業化能源技術。由於地熱資源不易受天候影響,輸出穩定,可開發為基載電源,現代多以發電利用為主。相較於當前應用最廣的太陽能及風力發電,地熱可產生電能的時間是連續性的,不像太陽能或風力發電取決於設置地點的天候條件,地熱有更穩定的發展性。

  國際間已有諸多公開文獻說明與案例計算地熱發電之生命週期評估方式。參考IPCC之論述與彙整結果,整體LCA觀點而言,由於營運期間能耗量相對較低,建造階段之鑽井深度、地質條件,以及整體電廠設定之發電容量因數(Capacity Factor)、使用年限等較易影響地熱發電LCA評估結果。國內研究建議,地熱發電容量因數平均約74.5%,國際大型開發計畫(>50MW)約可達90%,已具備基載電力特性。使用年限上地熱發電一般電廠使用壽年,約可使用20至40年,約與我國化石燃料電廠相當(燃煤約40年、燃氣30年)。鑽井深度則與期鑽井耗能具直接性,雖然EGS地熱發電排放係數較傳統FL技術高,主因為其規模仍在研發階段,不及傳統地熱系統已步入商業化;而其發電潛能高之特性,仍值得做為減碳發電技術選項。

  綜觀全球地熱發電溫室氣體排放情形,各數值間之差異除上述特性會影響其單位排放量外,設施機組規模亦有影響性。國際間已商轉之FL電廠排放係數平均約為40 gCO2/kWh,而EGS平均則為55gCO2/kWh,約低於我國目前公告電力係數之10%以下。

  環境保護法規方面,雖然各國立法體例差異較大,但一致之處在於,地熱發電無深淺層均屬各種環境保護法規管制與規範所及,而究竟在環保領域對地熱利用採用何種強度之控管,例如德國對於再生能源之優惠與放寬誠屬政策使然。至於日本對於國家公園境內地熱利用開發之處理方式值得我國予以參考,蓋我國地熱資源雖然豐富,但亦有相當蘊藏量處於國家公園境內,面臨開發利用上之困境。有關此點,我國國家公園法對於核心地區之開發利用明訂得由行政院專案核准,其實可謂已具有類似日本之彈性機制。惟為提高決策之可信性與合理性,似乎亦可參酌德國在區域計畫中標示待開發礦藏及其開發順序期程,一方面相關資訊更為透明,另一方面亦有利於控管。

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