从冰岛二氧化碳封存计画谈地热能源科技的新进展

最近冰岛最大的地热电厂 Hellisheiði 上了国际新闻,但原因是他们成功证实二氧化碳(CO2)可以在两年内矿化封存在玄武岩中。这项世界首例的成就因而刊登上科学界顶尖的期刊《Science》。 Hellisheiði 地热电厂只是世界第三大的地热电厂,且发电装置容量达 303 Mwe。

地热发电过去受到传统能源开发集团的压抑及排挤,技术研发及投资远远不如传统能源,甚至还比不上同样属于再生能源的太阳能及风电产业。然而近几年美国能源部正协助地热产业及学术单位研发新技术,以提高地热开发的成功率及降低开发地热的成本,期望增加美国厂商的全球竞争力。

「碳收集及储存」(Carbon dioxide Capture Storage,CCS)是一种从石油开採工程所演变出来的减碳技术,将二氧化碳注入到储油层中提高压力及降低黏滞性,以提高石油产量,CO2 则可封存在地层中,经过数千年后完全成为矿物固化。但冰岛则由一群科学家利用地热电厂现有的设施,从 2012 年开始试验另一种矿化 CO2 的地球化学反应,科学家将地热电厂无法用于发电的不凝结气体 CO2 及硫化氢(H2S)集中收集,利用地热电厂的回注井将 CO2 及水一併回灌到风化玄武岩地层,利用玄武岩中的铁镁矿物与 CO2 及水产生的矿化反应,由于 CO2 加水就是碳酸,碳酸解离形成的氢离子与硅酸盐产生反应,硅酸盐中的金属离子与碳酸根离子形成碳酸盐矿物(Rober et al.,2012)。

Hellisheiði 地热电厂共有 61 口生产井及回注井,除了发电供应冰岛首都雷克雅维克的用电外,也将利用 7 公里的管线将热水供应至城市用于供暖,热功率高达 133 MWt,目前冰岛有 68% 的能源消耗是仰赖地热能,但 Hellisheiði 电厂的碳排放量只有同规模燃煤电厂的 5%,每年约 40,000 吨(图1)。美国及冰岛科学家合作进行 CarbFix 计画,选择在地热电厂分离的二氧化碳溶于水中,再回注至 400~800 公尺深的地底,共有近 250 吨的 CO2 及 H2S 气体被回灌(图2),其中 95% 的 CO2 都固化成碳酸盐矿物,形成的矿物类似澎湖特产文石。(图3)

从冰岛二氧化碳封存计画谈地热能源科技的新进展 基载能源生命周期碳排放量比较(Baseload Renewable Energy Summit, 2016)。从冰岛二氧化碳封存计画谈地热能源科技的新进展 计画主持人Juerg Matter 站在 CarbFix 计画初期的回注井旁。从冰岛二氧化碳封存计画谈地热能源科技的新进展 CO2 矿化后经由钻探取出的岩心样本。

台湾科技部的国家能源计画的「净煤」主轴计画也积极顺应世界潮流,投入资源研发在盐水层储存二氧化碳的技术,并且预估到了 2020 年及 2040 年,CCS 成本分别达每吨 60 美元及 30 美元。而冰岛的例子则已经达到每吨 30 美元的水準(Lamont-Doherty Earth Observatory,2016),提供商业化 CCS 可行的方式,或许大屯火山群未来要开发地热资源,设置地热电厂也可以妥善利用安山熔岩流地质条件进行 CCS 的实验。

美国近期的地热发电并未像纽西兰、土耳其、肯亚等国大幅增加,主要原因是 70 年代即大量开发探勘较简易的地热资源蕴藏地区。但在地下 4 公里的地层内,仍有开发成本虽然较高,但数量上相当庞大的潜在永续能源,因此美国能源部协助各专业领域的地热公司投入研发计画,在 2014 年宣布提供 3.38 亿美元奖励资金,用于探索开发新的地热蕴藏区,研究先进的地热技术。这些资金涵盖範围包括 39 个州的 123 个项目,受益者包括民营企业、学术机构、地方政府和美国能源部国家实验室等,由非联邦资金或私人基金提供额外的 3.53 亿美元用于研发计画(周韦慧,2015),因此研发计画规模近 7 亿美元。在 2015 年的研发成果包含先进的钻井技术、抗腐蚀材料、探勘资料处理分析、地热海水淡化技术、地热滷水有价成分提炼等(2015 Annual Report Geothermal Technologies Office,2016)。

反观国内现阶段科技部在「深层地热」主轴计画每年仅投入不足一亿的经费,且以地热徵兆探勘的花费为主,而非与产业合作培养具有国际竞争力的关键技术,对于未来 9 年要开发 600MWe 的再生能源目标而言,值得科技部主管机关在策略规划上深思。