托斯卡尼經(jīng)常被評價為意大利最美麗的地方，以其豔陽下美麗的風景和豐富的藝術(shù)遺產(chǎn)而著稱。但少有人注意到托斯卡尼在 102 年前就發(fā)展再生能源，是世界地熱發(fā)電的起點，擁有唯一一座人瑞級地熱發(fā)電廠。原來托斯卡尼一帶過去有活躍的火山活動，造就其在地熱發(fā)展史的重要地位。臺灣北部在北北基一帶也有許多陸上及海底火山及巖漿活動，也具有極大的潛能。

拉爾岱雷羅 （Larderello） 位于托斯卡尼省，過去被稱為惡魔谷 （Valle del Diavolo），當?shù)氐牡責崂每勺匪葑粤_馬時期的硫磺泉洗浴泡湯，類似臺北市北投溫泉區(qū)，18~19 世紀則是從法國人 Fran?ois de Larderel 開始由火山泥提煉硼酸成為當?shù)禺a(chǎn)業(yè)。1904 年由出身佛羅倫斯的貴族、意大利著名化學家及發(fā)明家 Piero Ginori Conti 設(shè)計 10 kW 的地熱發(fā)電試驗，以高溫蒸氣推動發(fā)電機，點亮了 5 個燈泡。目前托斯卡尼 26% 的能源來自地熱發(fā)電，約滿足 200 萬戶家庭用電需求。

從第一座到加速擴充
1913 年世界第一座 250kW 的地熱電廠僅耗時 2 年即在拉爾岱雷羅誕生，也是世界第一座再生能源電廠，當時為意大利國家鐵路電力系統(tǒng)供電，是目前世界上唯一運轉(zhuǎn)超過百年的地熱電廠，長期以來由意大利國家電力公司 （Enel Green Power） 集團負責開發(fā)及運營托斯卡尼 34 座地熱電廠，裝置容量達到 774 Mwe，此處現(xiàn)有一座地熱博物館 （Larderello Geothermal Museum） 展示多項地熱利用設(shè)備、地熱井等古董，并且實際以地熱發(fā)電供電。

2011 年起，托斯卡尼行政區(qū)內(nèi) 16 家專業(yè)技術(shù)已臻成熟之地熱發(fā)電技術(shù)廠商，經(jīng)過競標程序后取代 Enel Green Power 集團，如今多數(shù)已獲得地熱發(fā)電之開發(fā)權(quán)，于是 Enel Green Power 更積極在佛羅倫斯以南計劃建立一座 40MWe 的地熱電廠，預計 10 年內(nèi)要其裝置容量可擴充至 100MWe，顯示意大利的地熱發(fā)電團隊專業(yè)程度越來越高。

地熱資源的探勘秘密
拉爾岱雷羅的地質(zhì)條件有何特殊之處？為何能提供大量的地熱蒸氣進行發(fā)電？

地震學家以目前成熟的地震陣列網(wǎng)接收遠處地震，在生產(chǎn)地熱的中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)“低速帶”，“低速帶”存在表示地下的巖體有許多富含流體的裂隙，使震波能量被消耗，因此延遲了 P 波（首達波）到達觀測點的時間（走時），還可從地震波的走時異常，反推算出地下巖漿侵入體的空間位置。由于火山型地熱田常具有地震群聚 （Earthquake swarm） 的現(xiàn)象，因此精確的地震定位可推測這塊地熱儲集層 （geothermal reservoir） 的頂部在地下 6 公里，延伸到地下 20 公里深之上部地函 （upper mantle），并且具有低重力及高熱流的特性，這一大塊地熱儲集層促使地下 2 公里的流體被加熱至攝氏 350 度，因此在缺乏地球物理探勘工具及現(xiàn)代地質(zhì)學理論的年代就能開發(fā)出大量的地熱能源。

托斯卡尼阿米亞塔火山的三維地質(zhì)圖，由鉆井探勘之地質(zhì)資料及數(shù)碼地形匯整成三維地質(zhì)模型。藍色區(qū)域以下即為地熱儲集層，可由此推估儲集層結(jié)構(gòu)及開發(fā)策略。（Source：www.mdpi.com）

從錯誤中學習如何永續(xù)經(jīng)營
雖然地熱屬于永續(xù)利用的再生能源，但部份拉爾岱雷羅生產(chǎn)井仍出現(xiàn)產(chǎn)能衰退，尤其在 1979 年發(fā)展回注技術(shù)以前，總熱液流量是 1954 年尖峰流量的三分之一，進行回注 15 年后恢復到尖峰流量的二分之一 才持續(xù)使用至今，同樣的情況也出現(xiàn)在美國加州蓋瑟 （Geysers） 地熱田。

1921 年美國加州蓋瑟才出現(xiàn)世界第二座地熱電廠，由當?shù)囟燃俅遄孕信d建的 250kW 發(fā)電站，遲至 1960 年才出現(xiàn)第一座 11Mwe 的商業(yè)地熱電廠。蓋瑟目前是全世界最大的地熱田，裝置容量達 1517MWe，但從 1987 年開始出現(xiàn)過度開發(fā)的警訊。1997 年蓋瑟地熱廠開始從 80 公里外的廢水廠拉管回注處理后的生活廢水，才使發(fā)電量提升到目前的 955MWe。

因此熱水回注井是目前所有地熱電廠的必要設(shè)備，地熱地質(zhì)專家根據(jù)水文地質(zhì)條件設(shè)計回注井位置及深度，使回注流體能有效補注地熱儲集層。缺乏地熱流體回注是清水地熱電廠失敗的主因之一，此技術(shù)在臺灣僅有科技部于 2015 年在宜蘭三星利用探勘井進行小規(guī)模的試驗，引發(fā)一些無感地震，但現(xiàn)有“水利法規(guī)”及“放流水標準”未針對地熱電廠的回注行為說明管理原則，將使主管機關(guān)陷入兩難。

從創(chuàng)新中啟發(fā)永續(xù)經(jīng)營
近期 Enel Green Power 投入 1,500 萬歐元的資金，在托斯卡尼完成全球首座整合地熱蒸汽與生物質(zhì)能 （biomass） 產(chǎn)出的混和 （Hybrid） 發(fā)電廠，借由收集廠區(qū)半徑 70 公里內(nèi)所生產(chǎn)的生物質(zhì)能，如農(nóng)業(yè)廢棄物、廢木材等，由原本 150~160℃ 的地熱流體迅速加熱至 370~380℃，大幅提高蒸汽量周期的功效，發(fā)電量因此增加 5MWe 至 18 MWe，預計每年可減少 13,000 噸以上二氧化碳排放量。

另一個地熱科技創(chuàng)新的例子也在歐洲。德國并沒有板塊邊界，也沒有活動中的造山帶或活火山，但北部及南部均可發(fā)現(xiàn)溫泉蹤跡，例如游人如織的巴登巴登（Baden-Baden）。德國直到 2003 年才在新城葛雷渥 （Neustadt-Glewe） 建立第一座 200kW 地熱發(fā)電及熱能共生廠 （Combined Heat and Power plant, CHP），短短 12 年間 2015 年德國的地熱發(fā)電裝置容量已經(jīng)有 27.1MW，成長了 135.5 倍。

德國溫泉地熱的存在與沉積盆地緩慢的拉張活動有關(guān)，沉積盆地的拉張會形成高角度的正斷層裂隙，形成溫泉上涌的通道，類似于新北市金山萬里溫泉區(qū)。由于沉積盆地的地層孔隙里富含地熱水，溫度可從 40 度至 190 度，這樣以熱水為主的地熱田無法利用蒸氣渦輪推動發(fā)電機，因此要到近期有機朗肯循環(huán) （Organic Rankine Cycle, ORC）(PDF 檔)，或卡林納循環(huán) （Kalina Cycle）等復循環(huán)發(fā)電機技術(shù)成本降低后，這種裂隙控制型的地熱田（fracture-controlled geothermal field） 的開發(fā)潛力才受到重視。

停滯脫節(jié)的再生能源政策
比較意大利與德國地熱能源的發(fā)展進程，一個是快速發(fā)展后重新調(diào)整找出自然規(guī)律，再推動創(chuàng)新；一個是缺乏資源但用創(chuàng)新的態(tài)度及技術(shù)補足，再快速發(fā)展，與臺灣過去發(fā)展科技產(chǎn)業(yè)的態(tài)度近似。但這兩國能成功，歸根于政策及融資上的誘因，才能造就的奇蹟。但在臺灣，對于沒有資源挹注的重要產(chǎn)業(yè)，就只能任其自生自滅，因而造成臺灣再生能源產(chǎn)業(yè)的推動仍舊與國際社會脫節(jié)。

臺灣大部份的地熱資源也屬于以熱水為主的裂隙控制型地熱田，自從 1993 年清水地熱電廠結(jié)束，直到 2003 年由經(jīng)濟部通過“地熱資源探勘補助要點草案”才重起爐灶。該草案規(guī)劃的短程目標至 2008 年要推廣 5MWe 裝置容量的地熱發(fā)電廠；中程目標至 2010 年要達到 50MWe；長程目標到 2020 年要達到 150MWe，但 12 年過去后，目前臺灣仍舊沒有一座地熱發(fā)電機組并聯(lián)供電，與國際發(fā)展趨勢背道而馳。我將在第 3 篇專欄文章討論如何改變及創(chuàng)新，使臺灣成為第 25 個地熱發(fā)電國家。

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自《科技新報》──〈【地熱專題】100 多年前點亮的五個燈泡，開啟了地熱再生能源奇蹟〉