何謂地熱能源？
探索這種清潔的再生能源如何協助减少世界對化石燃料的依賴。
何謂地熱能源？
隨著人們、組織和國家/地區尋找减少碳排放的方法，政府和公司已經做出了重要的碳减排承諾。尋找包括煤、瓦斯和石油在內的化石燃料之替代品對實現這些目標至關重要。為此，太陽能、水力、風能和地熱等再生 較清潔能源 的重要性越來越大。
今天，地熱能源被認為是最高效和永續的能源類型之一，因為它是一種清潔、可靠和再生資源。地熱能源利用儲存在地表內的熱量發電，並為家庭和企業提供地熱供暖和製冷。地熱資源在北美洲已經使用了 1 萬多年，因為美洲古印第安人使用地熱溫泉取暖、烹飪和洗澡。
地理對一個地區利用地熱能之能力起著至關重要的作用。最佳地熱資源通常位於構造板塊邊界附近。由於地殼的運動，火山活動和地震集中在這些邊界附近。例如，環太平洋火山帶是一系列火山和地震活動，主要由板塊構造引起。因此，該地區擁有世界上最活躍的地熱區。
現時，美國在地熱能源生產方面處於世界領先地位，雖然地熱能源僅占美國能源消耗的一小部分。由於地熱能源在構造板塊邊界附近很常見，美國大多數地熱發電廠都在西部各州。加利福尼亞州擁有最多的地熱發電能力，擁有 40 座正在營運的地熱發電廠。
冰島、菲律賓和薩爾瓦多也是地熱世界的領導者，地熱能源占每個國家/地區總能源使用量的 25% 以上。
閱讀此文章，探索地熱能源，評估其優缺點，並探索地熱能源範例。您還將了解地熱能源的未來，以及科技如何協助加速地熱能源創新。
地熱能源類型
地熱能源是從地球內部產生的熱量中取得的。「地熱」字詞來自希臘語單字「geo」，意思是地球，而「thermal」意為熱。在由岩石和水組成的地殼下方，有一層叫做岩漿的熱熔岩石。岩漿的溫度達到 1,300°F 至 2400°F，可以以岩漿的形式冒泡到地表。岩漿還加熱岩石和地下水層，這些水可以透過間歇泉、溫泉和蒸汽噴口釋放—這些全部都是地熱能源範例。
然而，地球上的大部分地熱能源仍以蒸汽和熱水的形式存在於地下，並使用各種方法進行開採：
低溫地熱能源
- 從靠近地表的地熱流體中取得的熱能會自行上升，或者透過井來取得。
- 幾乎可以在世界任何地方獲得。
- 直接使用地熱應用程式，包括為家庭、溫室、水產業和一些工業流程供暖。
共同生產的地熱能源
- 使用加熱的水作為油氣井的副產品。
- 發電供發電廠使用或出售給電網。
地熱供暖和製冷
- 地熱熱泵鑽入地下 10 到 300 英呎。
- 冬天給房屋和建築物供暖，夏天給它們降溫。
地熱發電廠
- 挖掘地球上兩英里深的地熱儲集層。
- 發電。
地熱能源優缺點
雖然地熱能源是一種再生和清潔能源，但它也有缺點，包括前期成本高，有可能導致地震和下陷，即一片土地的逐漸下沉。
地熱能源優點：
- 環境友善： 地熱發電廠的碳足跡最小，相關污染也很低。地熱供暖和製冷可减少溫室氣體排放。
- 再生能源： 與化石燃料不同，地球上的地熱能源再生儲集層是自然補充的，將持續數十億年。
- 可靠穩定： 與風能和太陽能不同，地熱能源總是可用的，不會波動。管理可以準確預測地熱發電廠的電力輸出，這使其成為滿足基本負載能源需求的理想選擇。
地熱能源缺點：
- 環境副作用： 地熱能源導致地表以下的一些溫室氣體逸入大氣中。地熱發電廠會影響土地的穩定性，並引發地震和下陷。
- 需要管理： 地熱發電廠利用地熱儲集層後，必須對其進行適當管理，以確保其不會耗盡。
- 發電廠僅限於特定地點： 地熱發電廠只能建在靠近構造板塊邊界的地區，那裡有地熱儲集層。
地熱發電廠
地熱發電廠使用來自幹蒸汽或熱水井的高溫地熱資源。與開採石油類似，地熱發電廠在地球深處打井。蒸汽或熱水被泵送至地表，用於旋轉發電的渦輪發動機。
地熱發電廠有三種類型：
幹蒸汽發電廠
使用天然的地下蒸汽源。蒸汽在生產井中向上傳播到地表，將其能量轉移至渦輪發電機，凝結，然後被泵回地球或釋放到大氣中。幹蒸汽發電廠是最古老的地熱發電廠，被認為是最簡單、最有效的。
最古老的幹蒸汽發電廠位於義大利拉雷多。它建於 1911 年，至今仍為 100 多萬居民供電。另一個重要的幹蒸汽發電廠是舊金山北部的間歇泉地熱資源區。它自 20 世紀 60 年代以來一直在發電，提供了加州約五分之一的再生能源。
閃蒸發電廠
將地球深處溫度超過 360°F 的高壓水轉化為蒸汽。當熱水到達地表時，它被送往「閃蒸槽」，其壓力要低得多。壓力降低會導致一些水「閃蒸」，這表示它會迅速蒸發成蒸汽來驅動渦輪發電機。剩餘的液體可以在第二個閃蒸槽中再次閃蒸以提取更多能量。
閃蒸發電廠是目前使用的最常見地熱發電廠類型。冰島是火山島，使用閃蒸地熱發電廠提供該國幾乎所有的電力需求。菲律賓位於環太平洋火山帶，擁有世界上最大的閃蒸發電廠。
雙循環發電廠
採取不同的方法來產生熱量。它們在 225°F 至 330°F 的較低溫度下與高壓水一起工作。此方法使用換熱器將熱水中的熱量傳遞給次級流體，二次流體為渦輪發電機提供動力。
由於中等溫度的水更為普遍，雙循環發電廠有望成為未來最常見的地熱發電廠。
地熱能源的使用方式爲何？
地熱能源最常見的三種用途是直接使用、發電和地源供暖和製冷。
地熱直接使用系統
利用地表以下的自然加熱地下水 (幾英呎至一英哩内)。鑽井是為了擷取地下水，地下水的溫度可能高達 200°F 或更高。在某些情况下，熱水或蒸汽可能會自行上升，而不需要主動泵送，並且可以透過換熱器直接使用或循環。
直接使用地熱水支援許多應用，包括為水產養殖供暖、融化人行道和道路上的冰雪、為大型水池供暖、為建築物供暖以及提供熱水。雖然直接使用的地熱系統比深層地熱系統的資本成本更低，但該技術僅限於地表附近或地表有天然熱水體的地區，如火山活動或地質構造活動的地區。
發電
上述三種類型的地熱發電廠利用地球深處的地熱資源發電。大多數都有閉環供水系統，使用後將擷取的水直接泵回地熱儲集層。由於大部分水已經蒸發成蒸汽，植物需要重新注入大量的水，以保持儲集層中穩定的水量。雖然地熱能是可再生資源，目前約有 20 個國家/地區使用，但隨著時間的推移，大多數地熱井都會冷卻，尤其是當取熱的速度快於補充水的速度時。
地熱供暖和製冷
也稱為地源供暖和製冷，這是當今最常見的地熱能使用方式。為了回答「何爲地熱供暖」的問題，了解地熱熱泵 (也稱為地源熱泵系統) 的運作方式很重要。熱泵并非產生熱量，而是使用地球作為熱源，在地球和房屋或建築物之間傳遞熱量。
熱泵鑽入地下 10 至 300 英呎，連接至長管道迴路上，使液體在地下和整個建築中流通。在冬天，液體吸收地球的熱量並將其帶入建築，在那裡地熱透過管道系統釋放熱量。在夏天，液體吸收建築物中的熱量，並將其帶到地下冷卻。
地熱能源的更多使用方式
- 農業利用地熱能源在冬季透過向土壤中施加蒸汽來保持植物溫暖。
- 一些健康 spa 使用地熱噴發口為按摩浴缸和浴缸供暖。
- 溫泉以其改善人們健康的治療能力而聞名。
- 天然間歇泉可以成為吸引人的旅遊景點。黃石國家公園的「老忠實間歇泉」是地熱奇觀，每 60 到 90 分鐘噴發一次，每年約有 400 萬人到訪。
地熱能源的未來
地熱能源水力壓裂
在石油和瓦斯行業，水力壓裂是一種常見的增產方式。壓裂將高壓流體注入岩層，使其破裂並具有滲透性。地熱能源水力壓裂採用類似的方法，也稱為「增強型地熱系統」(ESG)。雖然這與瓦斯行業使用的水力壓裂方法相似，但也有一些重要區別。地熱壓裂法產生更小、更可控的裂縫，並使用污染更小的流體。
ESG 透過從足够熱但過幹的岩石中提取能量來產生蒸汽，這些岩石本身無法產生蒸汽。開發商垂直鑽「注入井」，深度約為 0.6 至 2.8 英里，以到達炎熱乾燥的岩石儲集層。然後，他們使用高壓水或炸藥來破碎岩石，並形成流體地熱儲集層。一口生產井將熱水泵回地表，這與雙循環發電廠類似，使次級流體變暖，然後閃蒸為蒸汽。地熱發電廠利用蒸汽驅動渦輪發電機發電。
地熱能源增長的障礙
- 缺乏天然地熱資源。 正如本文開頭所討論的，地熱資源的可用性僅限於構造板塊邊界附近的位置。大多數能够取得地熱能源的國家/地區已經在某種程度上善用這種資源。
- 地熱發電廠勘探成本和風險。 進行三到五口地熱井的初步勘探和鑽探計畫的成本在 USD$2000 萬到 USD$3000 萬之間。這一點，再加上勘探失敗的風險，是全球擴大地熱能源使用的障礙。
- 增強型地熱系統發電廠的成本和風險。 雖然 ESG 有潜力擴大地熱資源的可用性，但與石油或瓦斯鑽探相比，鑽探地熱井的成本非常高。另一障礙是，與傳統的「水力壓裂」方法一樣，ESG 井也會引發地震。值得注意的是，如果水力壓裂發生在預先存在的斷層附近，那麼就有發生更大地震的風險，其強度可能足以損壞附近的建築物。
- 地熱供暖和製冷系統的初始成本很高。 地熱熱泵的基本單位成本在 USD$3500 至 USD$7500 之間，而具有熱水供暖等選項的更昂貴型號之成本甚至更高。此外，挖掘和安裝成本可能會使價格高達 USD$12,000 至 USD$15,000。然而，一些國家/地區可能會提供回贈或扣抵稅額來抵消其中的一些成本。這些系統最終會帶來投資報酬率，因為它們非常節能。投資地熱供暖和製冷系統的人預計可以節省 30% 至 70% 的年度能源帳單。
地熱能源如何影響環境?
作為一種清潔再生資源，地熱能源越來越廣地被視為化石燃料的替代品。然而，地熱能源確實以幾種不同的方式影響環境。整體而言，地熱能的積極影響大於消極影響。
消極影響
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用水量
地熱發電廠使用大量的水來冷卻和補充地熱儲集層。在所有再生和不可再生發電廠中，地熱的用水量位居第二。 -
空氣排放
開環地熱能源發電廠向大氣中釋放硫化氫、二氧化碳、氨、甲烷和硼。然而，大多數地熱能發電廠都是閉環系統，將從背面排出的氣體注入地球，空氣排放量最小。 -
下陷
當地熱發電廠從地球深處提取熱水時，它們會留下空的區塊，如果不補充，這些區塊會隨著時間的推移而下陷。在地表層面，這可能會影響環境和建築。 -
ESG 水力壓裂
ESG 水力壓裂會引發地震，這是位於都市地區、企業和家庭附近的發電廠採用之障礙。此外，許多人認為 ESG 水力壓裂有可能產生類似於瓦斯水力壓裂的負面影響，如洩漏、溢出以及土壤和地下水污染。
積極影響
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低碳排放量
與大多數能源相比，地熱能源對環境友好。平均地熱發電廠釋放的碳排放量是平均燃煤發電廠釋放碳排放量的八分之一。 -
减少對替代能源的依賴
地熱能源有可能提供穩定可靠的電力來源，協助美國和其他國家/地區擺脫對化石燃料和丙烷、瓦斯和石油等其他熱能的依賴。此外， 地熱發電廠運行不需要化石燃料 。 -
减少碳足跡
地熱供暖和製冷具有很高的能源效率。這是人們减少房屋和建築碳足跡的有效方法。例如，地熱供暖和製冷可以將房屋的 溫室氣體排放量减少 75%。 -
技術有助於推動能源轉型
世界面臨著非同尋常的挑戰：建立 淨零碳經濟來穩定氣候。 這些創新技術有助於支援全球向清潔能源轉型：
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常見問題集
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地熱能源被認為是最永續和最高效的能源類型之一，是一種清潔、可靠和再生資源。它利用儲存在地表內的熱量發電，並為家庭和企業提供地熱供暖和製冷。
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地熱能提供三個主要優點：
- 其環境友善。
- 其可再生。
- 它可靠且穩定。
這種清潔的再生能源可以協助减少世界對化石燃料的依賴。
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與其他能源相比，地熱能源有三個缺點：
- 它會導致 地表以下的溫室氣體逸至大氣中，並可能影響土地的穩定性。
- 必須對地熱儲集層進行管理，以確保它們不會耗盡。
- 地熱發電廠只能建在靠近構造板塊邊界的地區，那裡有地熱儲集層。
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地熱能源用於家庭供暖和製冷、溫室供暖、支援工業流程和發電。
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地熱能源有四種類型：
- 低溫地熱能源。
- 共同生產的地熱能源。
- 地熱供暖和製冷。
- 地熱發電廠。
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