臺灣地狹人稠，能源進口多仰賴煤碳及石油等燃料，不僅能源安全性偏 低，溫室氣體排放量也居高不下，無法與經濟發展趨勢脫鉤，因此亟需發展 再生能源。如圖 1.3 所示，本研究就臺東縣知本地區水資源調查之次級資料 進行探討，同時以有機朗肯循環技術以及海水空調兩方面之技術資料彙整做 為再生能源之評估方向，以期臺灣珍貴水資源投入產業發展同時，兼具溫度 分層、回收、循環等多目標利用之策略。臺東深層海水產業發展園區未來能 積極力邀國內產官學界共同綜整提升技術之意見，並聯合運用上、中、下游 之研發資源，推動知本地區在地產業長期性的整合型計畫，快速成為水資源 暨深層海水冷能利用之先驅。
圖 1.3、研究範圍與限制
第貳章 文獻探討 2.1 節 知本地區之海洋深層水資源
2.1.1 海洋蓄藏能量
全球廣大深邃的海洋佔據地表面積約 71％，與氣候調節、水文循環、環 境與生態的變遷，甚至人類文化的永續發展都有著密切關係。然而更重要的 是，海洋同時擁的豐富資源與能量遠超過陸地上的蘊藏量。海洋能(Marine energy)來自於太陽、月亮等星球引力，以及地球自轉、太陽輻射等因素的作 用下，以機械能和熱能的形式被蓄存，包括潮汐、波浪、洋流之動能量，以 及溫差能、鹽差能、滲透能等等。海洋溫差的能源密度甚高，是海流的 3500 倍、波浪的 1700 倍，即便海流與波浪的發電效率比溫差能高出 20 倍，溫差 發電仍佔極大優勢(梁乃匡[05], 1980)。由於表層海水與 1 千公尺之深層海水，
溫差須在 20℃以上的情況下才有機會獲得理論 7%的熱效率，顯然這樣的條件 僅侷限於熱帶海洋區，但夏威夷海洋專家尼豪斯(G. C. Nihous, [25][26] )則認 為相較於太陽能、風能等發電方式，海洋溫差的能量蘊藏量高而且穩定，同 時全球熱帶海域擁有海洋溫差發電潛能的面積超過 1 億平方公里，發電容量 約在 3 至 10 兆瓦特之間。如圖 2.1 所示，拉賈戈帕蘭(K. Rajagopalan & G. C.
Nihous, [27], 2013)利用海洋環流模式，推估全球每年可利用海洋溫差的再生能 源，發電量淨額高達 7 兆瓦特。
圖 2.1、全球適合海洋溫差發電條件之分佈(K. Rajagopalan [27], 2013)
(*水深 20m 至 1000m 之年平均溫差異)
2.1.2 臺灣東部海域的能源開發潛能 美國 Giannotti＆Associates 公司協助研究東部海域條件及先導型 5MW 溫差發 電廠之概念設計，但 1990 年臺灣大學海洋研究所進行之東部海底地形初步調
圖 2.2、臺灣東部海域深度 10 公尺與 1000 公尺之平均溫差分佈
(*資料來源：海洋學門資料庫網站)
圖 2.3、臺灣東部海域之等深線
(*資料來源：海洋學門資料庫網站)
圖 2.4、臺灣地質與近海沉積之分佈
表 2.2、臺灣東部海域數處具備發展溫差發電潛力之環境條件
圖 2.6、知本外海之地形斷面
(*資料來源：經濟部水利署, 2005)
深層海水模廠於 2011 年 10 月的第 2 次佈管工程後順利汲水。由於前述 知本外海近岸的底質主要是泥質砂的堆積，而模場的佈管工程之取水管線以 配重塊之方式替代錨定，可能受到底層海流無規律性的影響下，造成部分段 之取水管線翻滾扭曲，甚至因而斷裂。另外，在泥質砂的海床上，水團中的 懸浮物質甚多，依國外的經驗，取水頭距離海床應有 7 公尺以上，應配合適 當之錐型架，以防止汲取混濁的懸浮物，或其他大量沉積物堵塞取水管線。
圖 2.7 為知本外海的溫度剖面圖，雖然 667 公尺的水溫約 6~7℃，但經汲水過 程中不可避免溫升將近 12℃，已不利於海洋溫差發電應具備的優勢條件。依 跨部會深層海水資源利用及產業發展推動小組第 7 次委員會議紀錄，如表 2.3 所列，目前深層海水模廠暫時不再佈管的研發能量有限，總水量有 12℃的原 水約 2,200CMD，以及空調利用後 19℃的原水約 5,700CMD，可提供臺東縣政 府開發園區利用。
圖 2.7、知本外海之水溫剖面
(*資料來源：經濟部水利署, 2006)
表 2.3、臺東知本深層海水模場之營運數據
數值 備註
冷水管的最大抽水量 12,000CMD
正常抽水量 7,900CMD 第 2 次佈管後 取水口冷水溫度 12℃ 2,200 CMD 經空調熱交換後之冷水溫度 19℃ 5,700 CMD
*資料來源：經濟部水利署, 2011
如圖 2.8 所示，台東深層海水產業發展園區正鄰近知本地熱溫泉區。若能 藉由海洋與地熱兩種天然資源的結合，理論上不同溫度範圍的特性，能增加 溫差級距並創造更有效率的發電模式。目前日本佐賀大學海洋能源中心有結 合地熱與溪水的溫差能量，引水進行發電的類似經驗，而美國也有相仿方式 驅動雙螺桿膨脹機產生能源的系統，複合不同天然資源轉換再生能源的可行 性甚高。臺灣蘊藏豐富的地熱資源，同時擁有東部近岸深海的條件，深層海 水與溫泉水兩種天然資源相鄰近的機率幾乎難得。
圖 2.8、臺東深層海水產業發展園區之地理位置
(*圖片來源：臺東縣政府提供)
台東深層海水 產業發展園區
2.2 節 知本地區之地熱溫泉水資源
2.2.1 地殼釋放能量
臺灣位處於太平洋西北側的熱帶海島，同時也是由歐亞大陸板塊與菲律 賓海板塊擠壓隆起的島嶼，四面環海且地勢之聳峻，蘊藏來自天然環境的可 再生資源可說是源源不絕。前述東岸海域有黑潮流經、陸棚深達 1000 公尺即 有豐富的含鹽量與極低之水溫，海面平均風力可達 6 級、最大陣風 9 級，非 常適合如太陽能、風力、波浪、海流、溫差、鹽差等能源的開發。如圖 2.9 所 示，因臺灣同地屬「環太平洋火山帶」(Ring of Fire) 之西緣，孕育島上地熱 天然氣與百餘處的溫泉資源，在豐沛的降雨補注量做為後援之下，地熱能 (Geothermal)的潛能不容小覷。如圖 2.10 所示，臺灣位處環太平洋島弧與造山 帶其中的一段，斷層帶與地熱溫泉密布全臺，並有大屯火山群、基隆火山群、
澎湖列島火山群，以及東部的海岸山脈、龜山島、綠島與蘭嶼等。
圖 2.9、地殼板塊交界與世界火山之分佈
(*圖片來源：http://academic.evergreen.edu/g/grossmaz/heidtken.html)
圖 2.10、臺灣地區斷層帶與地熱溫泉之分佈
(*資料來源：中央地質調查所網站)
2.2.2 地熱資源規模化的利用率
人類從舊石器時代起就有利用地熱溫泉沐浴取暖的記錄，直到 20 世紀才 進行規模化開發利用。國際地熱協會(International Geothermal Association, IGA) 目前全球先後完成的地熱發電廠，總計發電容量超過 8,000MW。如圖 2.11 所 示，從 1904 年首先發展地熱技術的義大利已成功開發 842.5 MW 的地熱發電 量，美國則後來居上，以現有 3,093MW 的地熱發電量為全球居冠，其次依序 為菲律賓的 1904MW，印尼 1197.3MW、墨西哥 958 MW、紐西蘭 624MW、
冰島 575MW、日本 535MW、薩爾瓦多 204MW、哥斯達黎加 165MW，以及 中國等 32 個國家相競探勘鑿井開發地熱。如果地熱能量提取的速度不超過補 充的速度，那麼地熱便是可再生能源。
臺灣 26 處主要地熱區，例如宜蘭清水、南投廬山及臺東知本等地熱井深 度 500 公尺皆高於 120℃[07]，地溫梯度平均高達 34℃/100m 較全球平均值高 出甚多，其中知本地區每日可取水量更超過 1.5 萬噸[08]，全臺地熱發電潛能 約在 33.64 GW 以上(宋聖榮, 2011)。
圖 2.11、世界各國開發地熱能源並建置 MW 級發電容量電廠之分佈
(*圖片來源：http://academic.evergreen.edu/g/grossmaz/heidtken.html)
2.2.3 知本地熱溫泉區
臺東縣知本地熱溫泉區自知本溪山麓岩隙和溪床冒出，隸屬中央山脈變 質岩溫泉(Thermal Spring)，溫泉區沿知本溪岸觀林吊橋起至知本橋之間，全 長約 3 公里，並以清覺寺為界分為內、外兩溫泉區；溫泉露頭約有 6 處、40 餘口溫泉井，溫泉水質清澈，主要成分為碳酸氫鈉(NaHCO3)，pH 值呈 7~9 中 弱鹼性，地表溫度大致在 30 至 60℃之間，屬於中溫溫泉。依據陳肇夏([09],1982) 所提出中央山脈溫泉形成的簡單模式，知本溫泉區之水源來自於降雨的補注，
並分為淺層地下水以及深循環水脈兩部分。如圖 2.12 所示，天降水經由中央 山脈長距離連續特殊地質的條件下，如斷層破碎帶、裂隙、地形等構造提供 水脈之通路，在深循環吸收地熱後進而湧升與淺層地下水混合形成溫泉。圖 2.13 為俗稱「知本石」的板岩，具明顯之劈理，能使地下水流通。
圖 2.12、中央山脈溫泉形成簡單模式[09] 圖 2.13、具明顯劈理的知本石[10]
如圖 2.14 所示，1979 年工研院能礦所，以地球物理視電阻探測進行地質 分析，認為清覺寺斷層與知本溪的兩處斷層，對知本溫泉最具直接影響。因 構成 Z 字形的交錯裂隙帶上幾乎與地面溫泉露頭位置相應；另鑿 5 口 500m 深 的探測井(TC-1~TC-5)也呈顯此一帶範圍的深岩層，地下約 100~300m 的深處 有熱水儲集層，並存有二氧化碳、甲烷、氮氣等非液相之氣體；外溫泉區地 溫梯度約為 40℃/km，但內溫泉區的地溫梯度則高達 100℃/km、壓力 5.0 kg/cm2， 如當地溫泉業者所自豪的「虹泉」便能自地面噴發數十公尺高。另外，知本 溫泉汲水過程中容易沈積碳酸鈣，當地業者均須 1 至 2 年內整井一次，更換 源水端的鋼管，或用化學藥劑清洗後端的聚丙烯(Polypropylene , PP)管。
圖 2.14、知本地熱區地質構造剖面圖[10]
(*圖片來源：摘自嘉南藥理大學，2007) 140~160℃
依水利署委託嘉南藥理科大之南區溫泉監測系統報告站址規劃設計([10],
1881 年法國物理學家達松發爾（J. D'Arsonval）認為熱帶海洋是地球巨大 的太陽能儲存場，尤其表層海水與深層海水有攝氏數十度的溫差，倡議能利 用這樣一個自然特性開發再生能源。至 1926 年法國科學家克勞德（G. Claude）
嘗試以兩相通的燒瓶分別置入 28℃的溫水與冰塊隨後抽出空氣，溫水即沸騰 大量噴衝渦輪轉葉帶動發電機，成功試驗溫差發電的可行性，但後來在嘗試 建 立 電 廠 歷 經 多 年 不 斷 改 善 「 海 洋 熱 能 轉 換 」（ Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC）系統所需要的蒸發器（Evaporator）、冷凝器（Condenser）
及取水管線（Intake Pipeline）等設施，到最後 1948 年的「阿比讓計畫」（Abidjan）
中，仍因為海洋溫差發電與當時較廉價的石化燃料發電相比，缺乏經濟優勢 而告終。1965 年美國人安德森（J.H. Anderson）重新檢討克勞德的設計，使
「封閉式循環」（Closed Cycle）系統成為發明專利，同時也讓 1970 年代能源 危機期間盛行起海洋溫差發電的研究。
圖 2.15、G. Claude 首次進行溫差發電的實驗[30]
圖 2.16、G. Claude 進行開放式的 OTEC 試驗[30]
夏威夷 NELHA 於 1979 至 1981 年先後進行 Mini-OTEC 與 OTEC-1 海上 型海洋溫差發電廠的試驗計畫，以商船與軍用油輪改裝的封閉式循環 OTEC
夏威夷 NELHA 於 1979 至 1981 年先後進行 Mini-OTEC 與 OTEC-1 海上 型海洋溫差發電廠的試驗計畫，以商船與軍用油輪改裝的封閉式循環 OTEC