德国工业4.0包括地热发展,慕尼黑市区已完成探勘

作者: | 发布日期: 2017 年 03 月 09 日 11:05 | 分类: 专题报道

由于能源专家也极少知道德国在地热发电及利用上的进展,工业4.0 的推动者也不大知道地热能源上的应用,但像德国这样缺乏火山、地震的国家,2007 年才开始发展地热,2010~2016 年的发电规模已经成长近6 倍,对于拥有丰富地热的台湾而言,不啻是一个重要指引。

借用旅居柏林林育立先生的新书书名《欧洲的心脏:德国如何改变自己》,内容提到许多德国能源转型过程的重要转折,正确的能源政策成就了公众投入能源转型的新产业,高效率的政策不是一蹴可及,而是逐步凝聚大众对能源议题的共识,发挥在各种可应用的再生能源上;“工业4.0”也是德国产业界挑战的目标,透过深厚的自动化技术加上智慧感应系统,由客户端视角找出隐藏需求、加以填补,利用资料分析去解决或避免看不见的问题,软硬件同时升级以创造真正的服务价值。

德国发展地热的过程及策略

众所皆知西欧各国极少发生地震,地质上属于非常稳定的大陆地壳,德国南部虽然有知名的温泉观光胜地Baden-Baden,但少有人认为德国具有地热发电的条件。德国最早在2007 年才开始将地热能以有机朗肯循环(Organic Rankine cycle,ORC)的发电机组发电,在2010 年已有7Mwe,至2016 年则已有42.5MWe,6 年间增加近6 倍。

成果资料公开透明

如何能让投资者有信心?政府将地热探勘资料的蒐集及公开展示是一种有效的策略,德国的GEOTIS 地热数据库是任何人可免费授权使用的数据库,由德国联邦环境部(BMU)委讬莱布尼兹应用地球物理研究所(the Leibniz Institute for Applied Geophysics,LIAG)设立,所有人都可透过网络接口查询探勘成果资料、钻井资料、地热电厂技术及规格,也探勘井资料甚至涵盖石油公司的探勘井及油气井,因此民间投资者可深入了解目标区域的地热条件。

除了德国以外,根据环保组织国际再生能源机构(IRENA)出版的《从全球再生能源地图看地热策略》(Geothermal Strategy for the Global Renewable Energy Atlas),全球至少已有24 个国家以网络数据库形式公开地热探勘成果(表1),其中包含对岸中国,对于已建有“地质资料整合查讯系统”的中央地质调查所而言,整合台湾的地热资料应该需要加速进行。1231233

▲ 表1. 全球各国公开的地热数据库清单。
(Source:Geothermal Strategy for the Global Renewable Energy Atlas)

以工业4.0 克服地热开发的技术问题

由于地热发电的稳定性及安全性,德国政府透过研究单位──德国国家地球科学研究中心(Geo Forschungs Zentrum,GFZ),进行地热发电的工程技术及探勘技术的研发,GFZ 是1992 年由德国联邦政府所成立的大型科学研究机构,可直接向政府进行政策建议,在德国学术界扮演重要角色并富盛名。该中心人员近1,200 人,其中有近500 名科学家及逾百名博士研究生。2016 年7 月底时曾由执行长胡托(Prof. Dr. Reinhard Hüttl)率相关专家访台强化台德双方在地震和土石流等天然灾害防范、地热能源研究研究合作等交流机会。

GFZ 在地热研究上最知名的研发投资是委讬海瑞克集团(Herrenknecht AG)开发自动化深钻机(Innova Rig),成为地质科学研究的先进设备,也支援许多民间地热案的钻井工程,由于高度自动化的设计可大幅减少钻井工班人数,后来也成为海瑞克集团知名的外销机具。地热生产井深度普遍在1,000~3,000 米内,主要为了避免钻井成本及风险过高,但从GEOTIS 的资料显示,德国的地热生产井深度集中在3,500~4,500 米,从此可以看出德国科学家在评估地热发电时,已经考虑优先投入减少钻井成本及风险的技术,善用产业的优势布局自动化深钻机设备,现已成为地热发电的关键工程技术。

 

钻井有风险,所以有保险

地热钻井与石油钻井都是以钻井取得矿产资源,但是地热流体可以透过生产井与回注井的搭配形成循环使用的地热系统(geothermal system),大幅度延长地热电厂的运营时间,世界银行在2013 年出版的《地热井的成功案例:全球研究》(Success of Geothermal Wells: A Global Study),国际上三千多口地热井资料的分析,生产井的总成功率约78%,但在初期的成功率仅50%(图1),但这种结论还不适用于缺乏地热井施工经验及设备规格的台湾;石油井的探勘成功率较地热井低一些,在导入三维探勘调查技术前仅25%,导入后可达到50%(Jose Camara Alfaro, et al. 2007),油井附近也可能在压力枯竭时钻回注井,以迅速灌注大量水或二氧化碳增加储集层的孔隙压,称为激励采油技术(Enhanced Oil Recovery,EOR),这种回注井也是美国目前热门议题人工诱发地震(artificial earthquakes)威胁的主因。1234

▲ 图1. 在各开发阶段,全球地热生产井开发成功率变化。
(Source:Success of Geothermal Wells: A Global Study)

由于油井开发具有风险,因此在我国可利用《石油基金》分担石油探勘业近半的开发风险(只有中油公司与台塑公司具有申请资格),由于石油天然气产业都是富可敌国的大企业,分摊探勘风险的制度是相当普遍;但在地热领域上,德国的银行及保险公司也嗅到这一块商机,领先全球布局地热风险分摊制度,以东非肯尼亚近%

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