1. 前 言
臺灣能源進口依賴度達97%以上，積極尋 求可行的替代能源是國家現階段的重要政策方 針。地熱為潔淨之再生能源，地熱發電容量因 子(Capacity Factor)平均約74.5%，場址較佳的 地熱電廠搭配最新的發電技術，容量因子甚 至可達90%以上(Edenhofer et al., 2011)，具備 基載電力特性。根據理論計算，蘊藏在地殼
10 km內的能量約1.3×1027 J (Lund, 2007)，若以 2012年全球能源消耗率約6.0×1020 J/年為基準 (BP p.l.c., 2013)，則可供應全球能源使用約217 萬年。若以可開採技術能力為保守計算，地熱 可開採潛能有70%的機率達1,200 GWe (Bertani, 2012)。地熱系統依據開採之型態可分為傳統地 熱系統(Hydrothermal System)及增強型地熱系統 (Enhanced Geothermal System, EGS)兩種，傳統 地熱發電開發約有百年歷史，發電技術較為成
Volume 1, No. 3, June 2014, pp. 325-348
增強型地熱系統發展分析與探討
李伯亨
1柳志錫
2*劉力維
3謝瑞青
4郭泰融
5王俊堯
6摘 要
本文藉由全球18個重要增強型地熱發電系統(Enhanced Geothermal System, EGS)場址分析，吸 取早期先導性EGS場址的重要經驗，分析近期的歐盟、澳洲、美國等國家的EGS場址成果，獲得可 歸納出場址特性為開發成功的關鍵，其中張裂型(Trans-tensional)的地塹環境較容易製造成功的人工 儲集層。分析歐盟的EGS研發項目，其中高溫井測器具研發及地熱儲集層工程誘發地震之規範，是 可為臺灣借鏡之項目。美國以開發難易度區分EGS，傳統地熱區內的In Field EGS開發較容易，近 傳統地熱區的Near Field EGS開發為中性，典型的Greenfield EGS潛能雖大但開發最難。美國從2007 至2013年共投入2.2億美元的EGS研發經費，研發技術項目包含分析工具、新穎探勘、人工儲集層製 造、儲集層維護等四項主要EGS技術，其發展目標為2020年達成5個EGS電廠建置，2030年EGS成本 降至0.06美元/kWh，2050年達成全美100 GWe地熱發電裝置容量及EGS技術輸出等。臺灣目前地熱 井的產能不佳，地熱發電之成本較高，提高生產井的產能為關鍵課題，目前國外以提高回注井數量 來進行In Field EGS以提升產能。依臺灣地熱特性，建議建立臺灣地熱探勘資料庫，發展或引進人 工裂隙製造與增強技術，增加地熱井產能，降低投資成本；搭配研發地熱儲集層維護技術，降低年 維護成本；最後以傳統地熱產業推廣帶動EGS開發，逐步擴大地熱發電。
關鍵詞：增強型地熱系統、傳統地熱系統、新穎探勘技術、人工儲集層製造技術
收到日期: 2013年12月19日 修正日期: 2014年01月21日 接受日期: 2014年02月07日
1工業技術研究院綠能與環境研究所研究員
2工業技術研究院綠能與環境研究所正工程師
3工業技術研究院綠能與環境研究所副研究員
4工業技術研究院綠能與環境研究所資深工程師
5工業技術研究院綠能與環境研究所資深研究員
6經濟部能源局技正
*通訊作者, 電話: 03-5916324, E-mail: [email protected]
熟；相較於傳統地熱能之開發，在炙熱岩層製 造人工裂隙並注入流體取熱利用之EGS潛能更 為豐沛。EGS開發主要步驟為資源探勘評估、
生產/回注井鑽鑿、人工儲集層製造、注水/生 產循環取熱、電廠運轉與儲集層維護等，除人 工儲集層製造外，與傳統地熱開發幾近相同，
惟EGS開發成本仍高，目前各國正投入研發技 術以降低成本。臺灣位處環太平洋構造帶，火 山活動與板塊擠壓活躍，估計傳統地熱發電潛 能約有989 MWe，增強型地熱潛能約31.8 GWe (柳志錫等，2012)，如能善加利用，不僅可減 少對傳統化石能源的依賴，更有益於能源開發 應用之多元化與自主性。
地熱發電自1950年代起蓬勃發展，統計 至2010年為止，共有24國設有地熱發電廠，總 裝置容量約為11 GWe (Bertani, 2012)。Bertani (2012)推估全世界至2015年之地熱發電國家 約46個，總裝置容量約為19 GWe；2010年至 2015年之地熱發電成長來自於傳統地熱電廠開 發，主要來自菲律賓、印尼、冰島、紐西蘭
與美國。其中菲律賓、印尼、冰島與紐西蘭 為大型高溫地熱田之開發，還是偏重於蒸氣 型地熱發電；菲律賓由2010年的1,904 MWe至 2015年增加為2,519 MWe (Ogena et al., 2010)；
印尼由2010年的1,197 MWe至2015年增加為 3,451 MWe (Darma et al., 2010)，成長力道最 為強勁；冰島搭配超臨界地熱系統的研發，裝 置容量將由2010年的575 MWe至2015年增加為 1,285 MWe (Ragnarsson, 2010)；紐西蘭則增加 雙循環發電系統以增強發電效率，由2010年的 762 MWe至2015年增加為1,237 MWe (Harvey et al., 2010)。美國則是因為探勘評估技術及中低 溫地熱取熱技術精進，估計至2015年美國在傳 統地熱電廠之裝置容量從2010年的3,098 MWe 成長至約5,000 MWe (Lund et al., 2010; Phillips et al., 2013; Ziagos et al., 2013; Kate et al., 2013;
Hollett, 2013; Dobson, 2013)。在此同時，已發 展約40年的EGS技術漸漸在各國有應用案例出 現，如圖1所示，歐盟雖不是第一個EGS應用場 址，但法國的Soultz與德國的Landau卻是前兩
圖1 全球地熱裝置容量現況與推估
(資料來源： 彙整自Bertani, 2012; Goldstein et al., 2009; Beardsmore and Hill, 2010;
BESTEC GmbH, 2013; Lee et al., 2011; Chabora and Zemach, 2013) 0
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2050 Hydrothermal
EGS
Year
Installed Capacity (MW)
EGS：
(a) Habanero 40 MWe (b) Insheim 4 MWe (c) Pohang 1.5 MWe (d) Desert Peak 1.7 MWe
(a) Landau 2.9 MWeEGS：
(b) Soultz 1.5 MWe (a) EGS有85%的機率可
達到70 GWe (b)以現今技術可開採之
Hydrothermal為70 GWe
名之商轉級EGS電廠(BESTEC GmbH, 2013)。
另外，澳洲的EGS發展亦展現企圖心，至2015 年，全球最大的EGS電廠將在澳洲的Habanero 運轉，第一階段將達40 MWe (Beardsmore and Hill, 2010)，其中1 MWe的EGS示範電廠已於 2013年5月初運轉(Geodynamics Ltd., 2013)；韓 國的Pohang EGS示範電廠、德國新增的Insheim EGS電廠與美國Desert Peak EGS電廠亦將在 2015年前運轉(Lee et al., 2011; BESTEC GmbH, 2013; Chabora and Zemach, 2013)。Goldstein et al. (2009)估計，以現今的傳統地熱技術持續 開發至2050年，傳統地熱仍有70 GWe可開採 量；在2050年EGS技術成熟的情況下，約有 85%的機率可開採70 GWe以上，2050年後地熱 之裝置容量將以EGS為主。美國對於EGS的開 發頗具信心，將藉由5個EGS場址搭配新穎探 勘、儲集層製造、儲集層維護等技術(Hollett, 2013)，驗證傳統地熱區內EGS (In Field EGS)、
近傳統地熱區EGS (Near Field EGS)及典型EGS (Greenfield EGS)之技術可行性，希冀達到2030 年的EGS發電成本0.06美元/kWh，可望在2050
年地熱開發量達100 GWe。
2. 全球EGS場址回顧
2.1 EGS場址介紹
自1 9 7 4 年 起 ， 位 於 美 國 新 墨 西 哥 州 之 Fenton hill場址進行全世界第一個EGS試驗 (Duchane et al., 2002)，歷經近40年的技術測 試與改良，已驗證EGS在地下深處開採熱能構 想的可行性。這個構想是利用水力破裂方法 (Hydraulic Fracturing)在地下深處製造裂隙形成 人工的地熱儲集層(Geothermal Reservoir)，藉由 注入流體取熱至地熱儲集層內，再將熱能回流 到地表做為發電使用。全球重要EGS場址分布 如圖2所示，既有、發展中及已運轉的場址約18 個，包含美國、澳洲、歐盟國家及南韓等國均 針對EGS的開發訂下具體的發展目標，並且在 近期逐漸完成示範電廠的建構與試運轉。其場 址特性如表1說明，透過各EGS場址分析有助於 臺灣EGS發展策略擬定。
圖2 全球EGS場址分布
(資料來源： 彙整自MIT, 2006; Law, 2011; Wallroth et al., 1999; Wyss and Rybach, 2010; Schellschmidt et al., 2010; Huenges, 2007; Geodynamics Ltd., 2013; 工研院，2012; Dobson, 2013; Lee et al., 2011; Petty, 2013a,b; Walters, 2013; Moore and McLennan, 2013; Chabora and Zemach, 2013; Snyder and Zemach, 2013)
Newberry Volcano⟜⛨
(伶⚳)
Brady's Hot Spring⟜⛨(伶⚳) Raft River⟜⛨
(伶⚳)
Desert Peak⟜⛨(伶⚳) 1.7MWe The Geysers⟜⛨(伶⚳)
5MWe
Insheim⟜⛨(⽟⚳) 4MWe Landau⟜⛨(⽟⚳)
2.9MWe/3MWt
Soultz⟜⛨(㱽⚳) 1.5MWe
Habanero⟜⛨(㽛㳚) 1MWe KiGam Pohang⟜⛨(⋿杻)
1.5MWe
Fenton Hill⟜⛨(伶⚳) 1974-1995
Rosemanowes⟜⛨(劙⚳) 1977~1991
Hijiori⟜⛨(㖍㛔) 1981-1986 Fjallbacka⟜⛨(䐆℠)
1984~1989
Ogachi⟜⛨(㖍㛔) 1989-2001 Basel⟜⛨(䐆⢓)
2005-2006
Groß Schönebeck⟜⛨
(⽟⚳)
Paralana⟜⛨(㽛㳚)
表1 全球EGS現況與人工儲集層岩性
(發展時程)場址名稱 國家 儲集層岩性 開發屬性 重要特性
Fenton Hill
(1974-1995) 美國 花崗岩 Greenfield 全球第一個EGS場址，並有60 kW雙循 環發電示範系統。
Rosemanowes
(1977-1991) 英國 花崗岩 Greenfield 奠定英國後續Eden及Redruth之EGS開 發基礎。
Hijiori
(1981-1986) 日本 花崗閃長岩 Greenfield 日本第一個EGS場址，並有130 kWe雙 循環發電示範系統。
Fjällbacka
(1984-1989) 瑞典 花崗岩 Greenfield 500 m之淺層EGS場址，用於熱泵暖 房。
Ogachi
(1989-2001) 日本 花崗閃長岩 Greenfield 結合CO2 封存及CO2-EGS試驗。
Basel
(2005-2006) 瑞士 花崗岩 Greenfield 因地震議題停止試驗，引導出EGS開 發之相關規範。
Insheim
(2008-現在) 德國 花崗岩 Greenfield 4 MWe商轉級電廠。
Landau
(2004-現在) 德國 花崗岩 Greenfield 2.9 MWe/3 MWt商轉級電廠結合暖房。
Groß Schönebeck
(2007-現在) 德國 砂岩/礫岩 Greenfield 水力破裂進行中，已在場址內裝設3組 總裝置容量為1 MWe之雙循環發電機 組。
Soultz
(1987-現在) 法國 花崗岩 Greenfield 第一個商業級EGS電廠，裝置容量為 1.5 MWe。
KiGam at Pohang
(2010-現在) 南韓 花崗閃長岩 Greenfield 目標1.5 MWe示範電廠，場址試驗中。
Habanero
(2003-現在) 澳洲 花崗岩 Greenfield 1 MWe示範電廠運作中，第一階段目 標達40 MWe，整體目標為450 MWe。
Paralana
(2005-現在) 澳洲 沉積岩/變質岩 Greenfield 目標為3.75 MWe電廠，流體循環試驗 中。
Newberry
(2009-現在) 美國 泥灰岩、石英
斑岩、花崗岩 Greenfield 1. 2013年完成水力破裂與流體循環。
2. 使用熱分解性隔絕材料(TZIM)縮短 水力破裂時程。
The Geysers
(2009-現在) 美國 變質砂岩 Near Field 1. 5 MW示範電廠進行中。
2. 使用都市回注至儲集層增加產能。
3. 以冷裂法於井週遭製造裂隙。
Raft River
(2009-現在) 美國 花崗岩 Near Field 1. 目標為2020年前展示5 MWe的EGS電 廠，每口井流量至少20 kg/s。
2. 以冷裂法於井週遭製造裂隙。
Bradys Hot Spring
(2008-現在) 美國 流紋岩、變質
基底 In Field 利用既有地熱井增加產能，目標為建 立2-3 MWe商轉級EGS電廠。
Desert Peak
(2002-現在) 美國 變質凝灰岩 In Field
1. 預定2013年底完成1.7 MWe商轉級電 廠。
2. 混合冷裂、剪力、化學等水力破裂 技術。
(資料來源：彙整自MIT, 2006; Law, 2011; Wallroth et al., 1999; Wyss and Rybach, 2010; Schellschmidt et al., 2010; Huenges, 2007; Geodynamics Ltd., 2013; 工研院，2012; Dobson, 2013; Lee et al., 2011;
Petty, 2013a,b; Walters, 2013; Moore and McLennan, 2013; Chabora and Zemach, 2013; Snyder and Zemach, 2013)
Dobson (2013)指出EGS開發風險極高，
尤其在人工儲集層製造方面，乃從40年的油 氣開採經驗演進至可在堅硬岩層製造裂隙的 技術，需因地制宜地以示範場址驗證技術可 行性。美國依EGS開發技術程度分類，分為In Field EGS、Near Field EGS及Greenfield EGS等 三類。早期的EGS開發均屬於困難的Greenfield EGS，如Fenton Hill、Rosemanowes、Hijori、
Fjällbacka、Ogachi及Basel等，但在水力破裂技 術逐漸成熟情況下，EGS的開採成功率逐漸提 升，如Soulz、Habanero、Paralana、Insheim、
Landau、Newberry、Desert Peak與The Geysers 等場址。除了開採技術的演進，早期的EGS開 發經驗指出EGS場址選擇亦非常重要，如張 裂型(Trans-tensional)的環境(如地塹)較擠壓型 (Compressive Stress)的環境較容易製造成功的人 工儲集層(Ziagos et al., 2013)。
2.2 先導性的EGS場址
2.2.1 Fenton Hill (1974-1995)
全世界第一個EGS場址是美國的Fenton H i l l ， 其 位 於 新 墨 西 哥 州 中 北 方 的 Va l l e s Caldera，為美國Los Alamos國家實驗室所執行 之計畫，任務為在4.4 km深、溫度300oC之花 崗岩製造人工儲集層，並且測試當時最新的60 kWe中低溫雙循環發電系統，但最終由於無法 獲得預期產能而宣告終止(MIT, 2006)。Fenton Hill場址雖無法獲得商業級的EGS電廠，但仍有 下列重要結果：
(1) 驗證導向鑽鑿至5 km之堅硬岩層為可達成之 技術。
(2) 證實水力破裂技術可在低滲透率的結晶岩層 中施作，並且可以製造體積大於1 km3之人 工裂隙，並可作為發電使用。
(3) 若儲集層岩層屬於擠壓型環境，需要持續以 高壓回注來保持裂縫之開裂，此高壓泵浦所 需用電為EGS主要電力耗損。
(4) 因地層應力隨深度而變化，須發展高溫井下
探測設備以評估地層應力、裂縫方向、井下 溫度、流量及壓力等資料。
2.2.2 Rosemanowes (1977-1991)
由英國Camborne School of Mines主導的 EGS試驗，於潛能約3 GWe的Cornwall區內 之Rosemanowes進行，該場址目標為維持50- 100 kg/s的產能並維運5年，且無溫降效應。
不過，此地區的儲集層裂隙主要受天然裂隙 控制，以水力破裂控制預定的人工裂隙方向 幾乎不可行，最後此場址之循環流體損失超 過70%，加上高水力阻抗及短流效應(Short Circuiting)，目標無法達成而於1991年停止。近 來，運用Rosemanowes EGS成果，英國在同屬 於Cornwall區內的Eden進行EGS開發，將建置 50 MWe的商業EGS電廠；同樣在Cornwall區的 Redruth小鎮也規劃商業規模的發電計畫，將產 生10 MWe的電力及550 MWt的熱能，預計2015 年正式運轉(Law, 2011)。
2.2.3 Hijiori (1981-1986)
Hijiori EGS與Fenton Hill的地質條件相 近，同屬於火山型地熱區。Hijiori EGS為日本 新能源及工業科技發展機構(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)所主導，此場址為日本第一個EGS試驗 場，曾使用130 kWe雙循環發電機組進行發電。
此地區雖在深度1,800 m之裂縫區最高溫度為 250oC，但就算在注入井與生產井距離約50 m 的條件下，還是有超過70%之循環流體損失。
Hijiori EGS因循環流體損失及儲集層結垢嚴重 等因素，無法達成預定目標而終止試驗(MIT, 2006)。Hijiori EGS提供的重要資訊如下：
(1) 若兩井之自然裂隙已形成，人工水力破裂雖 會增加連通性但可能會有加熱短路的情形發 生，應利用井下封塞，封阻不必要的裂隙。
(2) 在當時，預測裂縫方向或應力場仍為非常困 難之事；仍須利用井下微震陣列監測判識人 工裂隙發展情形。
(3) Fenton Hill及Hijiori均位於火山口附近，此 種類型之EGS只要鑽掘較淺的井，即可獲得 高溫流體，發電成本較低。
2.2.4 Fjällbacka (1984-1989)
Fjällbacka EGS位於瑞典西側，目標為發展 熱泵型EGS做為暖房使用。該計畫於1984年至 1989年間，利用兩口約500 m深的井進行水力破 裂試驗；兩口井水力破裂之水平距離約100 m，
於回注井以注入壓力5 MPa及流量1.8 kg/s的條 件，注入溫度約7oC的水至井下，再由生產井流 出溫度約16oC的水(壓力約0.9 kg/s)。即使兩口 井距離相近，循環水損失約50%，不具經濟效 益(Wallroth et al., 1999)。
2.2.5 Ogachi (1989-2001)
日本第2個EGS於Ogachi進行，該場址靠 近Yamabushi，該地熱區於1,000m深度時即有 超過230oC之高溫。Ogachi EGS場址由Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI)主導，主要進行Greenfield EGS試驗 與CO2封存試驗。但該場址在試驗期間的循環 流體損失高達75%-90%，無法達到商業運轉程 度。Ogachi EGS之重要結果與前述EGS場址相 同，井下之地質條件複雜，在鑽井前難以預測 裂縫開裂方向，仍須藉由井下的地球物理探測 了解井內應力分佈與裂隙發展。
2.2.6 Basel (2005-2006)
Basel EGS場址為Geopower Basel所主導的
「深熱鑽井計畫」項目之一，目標為發展商業 級的EGS電廠及熱泵。該場址位於人口超過70 萬的Basel，其為瑞士第三大城市，是歐洲製藥 及化學工業重鎮。2006年，Basel EGS於井深 約5,000 m、溫度約200oC的花崗岩層進行水力 破裂試驗(Wyss and Rybach, 2010)。此試驗引 起數千起的微地震，但由於地震活動劇增，隨 即停止水力破裂試驗。但在停注水力破裂後幾 個小時發生芮氏規模3.4的地震，引起當地結構
物的損害，使該計畫終止，並賠償當地居民損 失。執行EGS可能產生之震動一直備受質疑，
也因為Basel EGS之案例，歐盟委員會(Europe Commission)通過「地熱儲集層工程誘發地震之 緩解計畫」(Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoirs, GEISER)，針對EGS開發進行規範(Bruhn et al., 2011)。
2.3 近期的歐盟EGS場址
綜合前述6個EGS場址之成果，了解現地 應力與裂隙發展監測為EGS必要之技術，獲得 開發場址之現地應力特性之後，藉由注入壓力 在井孔附近產生剪力裂隙，可有效增加人工裂 隙體積。並選擇較適當的張裂型地質環境，製 造成功的人工儲集層機率較高。歐盟根據前期 EGS開發經驗，在法國Soultz及德國的Insheim 與Landau，建立EGS電廠並持續運作中，其 鑽井技術均來自於BESTEC GmbH公司，該 EGS電廠相關特性如表2所示(BESTEC GmbH, 2013)。
2.3.1 Soultz (1987-現在)
Soultz EGS場址為全世界第一座具商業等 級之EGS電廠，生產量已達到25 kg/s並持續提 供熱液進行發電。該場址由歐盟委員會主導，
達到商業級產能後，於1997~1998年間，將 Soultz EGS交由民間公司如Shell及幾家法國與 德國公司管理，其重要成果為：
(1) Soultz EGS成功製造可達商業發電規模之人 工裂隙儲集層，場址特性如天然裂隙及其連 通性為此EGS場址成功與否之主要因素。
(2) 此場址之儲集層維護主要受到結垢影響，為 減少膚井效應，該場址進行酸洗以維持儲集 層裂隙。
(3) 此計畫加入沉水泵浦以增加生產流量，減少 回注壓力。
(4) 井下探測器受到高溫限制，亟需研發耐高溫 材料與系統設計。
2.3.2 Landau (2004-現在)及 Insheim (2008-現在)
由於德國境內的地熱儲集層多屬低溫型，
在地熱發電應用上大部分以EGS為重點，淺層 低溫利用則以熱泵為主。Insheim及Landau為 德國先導的EGS地熱電廠，其位於德國境內之 Upper Rhine Graben內，與法國Soultz之岩性幾 乎相同，人工儲集層之岩性為花崗岩。雖然該 場址仍有因水力破裂所產生之微小震動，但仍 屬可接受範圍。德國已成功展示Greenfield的商 業可行性，加上相關優惠條例刺激下，約有150 個地熱專案將在2020年達成共280 MWe的裝置 容量(Schellschmidt et al., 2010)。
2.3.3 Groä Schänebeck (2006-現在)
Groß Schönebeck之試驗場址位於德國 柏 林 北 方5 0 k m 處 ， 該 區 地 熱 資 源 潛 能 評 估 約1 0 M We ， 由 德 國 地 球 科 學 研 究 中 心 (GeoForschungsZentrum Potsdam, GFZ)主導此 EGS之開發。該EGS場址之井為1990年所鑽鑿 的舊有天然氣探勘井與2006年鑽鑿之150oC地 熱井，此兩口井生產層之水平最大距離約500 m。GFZ於2001年進行現地場址規劃及安裝；
2003年進行舊井之水力破裂試驗及注入井加深 至4,309 m之作業，並增強舊井之裂隙流道；
於2004年進行長期回注試驗並評估儲集層之 水力條件；於2006年進行為期8個月之地熱井 導向鑽鑿作業，深度達4,440 m；於2007年進 行第二次水力破裂試驗(Huenges, 2007)。Gross Schoenebeck EGS將依可生產之熱液條件，則一 選擇安裝500 kWe、350 kWe或150 kWe之雙循 環發電機組。
2.4 澳洲EGS發展
澳洲約有1%之地區具有於5 km深度時溫 度超過150oC的條件，其發電潛能約1億9000萬 PJ，可供澳洲使用約26,000年(Goldstein et al., 2009)。雖傳統地熱條件不足，但較深層的地熱 潛能頗佳，尤其是沉積岩型的EGS，有別於儲 集層為堅硬花崗岩體之EGS。
一般而言，傳統地熱系統在鑽鑿第一口 井後，確認具發電條件之產能後，其開發風險 會大大降低。但EGS開發因增加人工裂隙製造 之風險，就算鑽鑿探勘井後，仍屬於高風險，
故各國之EGS大部分由政府單位資助研究。澳 洲EGS開發則在政府進行初期探勘調查及公告 可開發土地後，由民間公司申請開發許可，
再透過公開募股自行籌備開發基金後進行EGS 開發，亦即EGS開發資金大部分由民間公司籌 措。目前大約有48家地熱公司擁有EGS之開採 權，總共在澳洲開採面積約36萬km2，其投資 表2 歐盟EGS商轉電廠介紹(BESTEC GmbH, 2013)
參數 場址名稱 Soultz Landau Insheim
目標 建造2座1.5 MWe電廠 2.9 MWe電廠/
3 MWt供暖系統 >4 MWe電廠
井數量(口) 3 2 2
井深度(m) 5,000 3,000 3,500
儲集層溫度(oC) >180 160 >160
產能(kg/s) 2 × 35 kg/s 80 >80
電廠類型 ORC雙循環機組 ORC雙循環機組 ORC雙循環機組
前期研究時間 1987-2005年 -- --
電廠建造時間 2005-2008年 2004-2007年 2008-2012年 目前狀態 1.5 MWe電廠商轉中 將增加至3.8 MWe容量 建造中
金額超過15億澳幣。其中以Habanero及Paralana 較為著名，重要場址如表3所示。
2.4.1 Habanero (Cooper Basin)
Cooper Basin位於南澳省的Adelaide北方，
接近Queensland省邊界。此計畫目標為在均質 的花崗岩體上建立成功的EGS，並建立百MWe 級的雙循環發電系統。南澳省地區之花崗岩體 具豐富之放射性元素(如鈾礦)，致使淺層即存 在高溫。Geodynamics在2003年加深原為石油 探勘井的回注井Habanero1 (深度4,421 m)。此 處花崗岩體處於過壓力狀態(35 MPa)，鑽井工 程及工安問題頻繁，導致開發時程延誤。目前 該EGS場址已於2013年5月初運轉1 MWe EGS電 廠，緊接著將於2015年完成40 MWe電廠，最後 目標為450 MWe (Geodynamics Ltd., 2013)。
2.4.2 Paralana
Paralana EGS由Petratherm公司主導，應 用絕熱層內熱交換模式(Heat Exchanger within Insulator, HEWI)於花崗岩以上之沉積岩層界面 進行水力破裂及熱源交換。此絕熱層內深度 淺，且大部份為沉積岩，力學強度較差，易成 功製造人工裂隙，因此可降低其成本和風險。
此項技術已成功應用於石油儲集層工程中，
其工程成本低於以花崗岩作為熱交換岩層之成 本。目前該EGS場址之生產流量約21.6 ton/hr，
流體溫度約171oC。Petratherm公司預定於2014 年進行第3口井的鑽鑿、水力破裂及流體循環，
2015年進行3.5 MWe雙循環電廠建置。Paralana EGS場址之沉積岩儲集層水力破裂經驗可供 臺灣沉積變質岩EGS開發工程參考(工研院，
2012)。
2.4.3 澳洲其它EGS場址
Green Rock Energy公司目前在南澳省有 4個EGS場址、在西澳省有1個場址，其中最 大的場址為南澳省Olympic Dam EGS場址，
預計在2020年建立400 MWe的EGS電廠(Green Rock Energy, 2013)。Raya Group公司共計有3 個EGS場址，2個場址位於Otway Basin、1個 場址位於Cooper Basin (Raya Group Limited, 2013)。Geothermal Resources公司共有2個EGS 場址(Geothermal Resources Pty Limited, 2013)。
Torrens Energy公司有2個EGS場址，目前處於驗 證井鑽鑿階段(Torrens Energy Limited, 2013)。
KUTh Energy 公司擁有2個EGS場址，目前處於 探勘井鑽鑿階段(KUTh Energy Limited, 2013)。
Greenearth Energy公司擁有2個同時具有EGS 與石油開採功能之場址，目前示範電廠處於 表3 澳洲重要EGS場址介紹
公司名稱 重要EGS場址 目前狀態(2013年)
Geodynamics Habanero, Cooper Basin 1 MWe示範電廠運轉中
Petratherm Paralana 第3口地熱井鑽鑿中
Green Rock Energy Olympic Dam 地熱井鑽鑿中 Raya Group Limestone Coast, Otway Basin 地熱井鑽鑿中
Geothermal Resources Frome 探勘井鑽鑿中
Torrens Energy Parachilna 探勘井鑽鑿中
KUTh Energy Tasmanian 探勘井鑽鑿中
Greenearth Energy Anglesea, Gippsland 電廠規劃前期作業 Hot Rock Penola, Otway Basin 驗證井鑽鑿中
(資料來源：彙整自Geodynamics Ltd., 2013; Green Rock Energy, 2013; Raya Group Limited, 2013;
Torrens Energy Limited, 2013; KUTh Energy Limited, 2013; Greenearth Energy Limited, 2013; Hot Rock Limited, 2013)
規劃階段(Greenearth Energy Limited, 2013)。
Hot Rock公司在Otway Basin擁有5個EGS場址，
目前處於驗證井鑽鑿階段(Hot Rock Limited, 2013)。
2.5 亞洲EGS發展
目前亞洲地區較明確的EGS開發為韓國的 Pohang EGS場址，該場址於2010年開始進行 EGS研究，預計於2015年興建1.5 MWe之EGS 電廠。該儲集層岩性為花崗閃長岩，鑽掘深度 為5 km、溫度為180oC。Pohang EGS之開發可 望成為亞洲第一個MWe級EGS電廠(Lee et al., 2011)。臺灣在地熱技術研發方面主要有經濟部 能源局及國科會等單位，其中能源局近期重點 為傳統地熱區之地熱電廠開發，國科會則預計 在2015年設置1 MWe的EGS示範電廠(朱敬一，
2013；陳宏宇，2012)。
2.6 美國近期EGS發展
EGS技術開發首要為場址的應用與驗證。
美國在發展EGS技術的策略上結合研究機構、
學術單位與民間研發能量，預計2030年的EGS 開發成本可降低為0.06美元/kWh，並在2020年 前將相關的技術應用在5個EGS場址，且維持5 年以上的電廠運轉時間。此5個場址以開發的 難易度區分為In Field EGS、Nearfield EGS及 Greenfield EGS等3類，預計將此3類研發技術成 果輸出至全球各地(Hollett, 2013)。如表4所示，
美國目前進行的EGS場址分別為Newberry、The
Geysers、Raft River、Bradys Hot Spring、Desert Peak。整體而言，Greenfield的開發技術難度較 高，故所需之經費高，Near Field之開發難易度 及經費為次之，In Field則為最低。
2.6.1 Newberry EGS場址
Newberry EGS場址屬於火山型的地熱 區，儲集層岩性為花崗岩，屬於開發難度較 高的Greenfield。該場址於3,067 m深之溫度 達331oC，預定於2013-2014年間完成2口生產 井。此場址由AltaRock Energy公司主導，合作 團隊分工為：Oregon State University (OSU)與 National Energy Technology Laboratory (NETL) 負責新穎儲集層4D監測技術；The University of Oklahoma (OkU)以地質及現地應力為基礎，結 合統計觀點，建立EGS微震(Micro Earthquake, MEQ)模擬技術；The University of Utah (UU)的 Energy and Geoscience Institute (EGI)負責新穎 示蹤與裂隙演進技術；Davenport控股公司負責 Newberry EGS之新穎探勘技術；WLA-Fugro公 司負責3維速度成像技術；Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)負責 鑽井場址選 定。該場址開發所需總經費4,380萬美元，其 中美國能源部補助2,140萬美元。該場址之主 要技術重點為以熱分解性隔絕材料(Thermo- degradable Zonal Isolation Materials, TZIM)進 行水力破裂，不需傳統封塞以減少鑽機時間。
配合AltaStim™之剪力水破(Hydroshear)模式，
預測可能的震動及其風險。加上可在2,000 psi
表4 美國EGS場址介紹
EGS場址 開發屬性 所需經費
(萬美元) 補助經費
(萬美元) 補助比例
(%) 主要負責
單位/公司 Newberry Greenfield 4,380 2,140 48.9 AltaRock Energy Inc The Geysers Near Field 1,330 620 46.6 Calpine Corporation Raft River Near Field 1,060 740 69.8 The University of Utah Desert Peak In Field 760 500 65.8 Ormat Technologies Inc.
Bradys Hot Spring In Field 660 340 51.5 Ormat Technologies Inc.
(資料來源：彙整自Petty, 2013a,b; Walters, 2013; Moore and McLennan, 2013; Chabora and Zemach, 2013; Snyder and Zemach, 2013)
高壓狀態下注入1,000 gpm的14段離心式電動 高壓泵浦之建構，及15個微震監測站、8個孔 內geophones、7個地表geophones、1個強動監 測站。目前該場址成功製造儲集層範圍1.5 km
× 0.7 km、體積約1.5 km3，注入指數約2 kg/s/
MPa，人工裂隙效果頗佳(Petty, 2013a,b)。
2.6.2 The Geysers EGS場址
The Geysers為全世界最大地熱裝置容量 之傳統地熱區，共有22座地熱發電廠，目前 Calpine公司擁有19座電廠。Calpine公司主導位 於The Geysers西北邊的EGS場址開發，利用既 有產能不佳的地熱井進行Near Field類型的EGS 開發，其目標為建立5 MWe之EGS電廠(第20座 電廠)。此場址於3,396 m深有280oC高溫的變質 砂岩儲集層，目前已完成P-32注入井之人工裂 隙製造，PS-31生產井之生產循環，並產生高 蒸汽品質之熱液。Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)亦為The Geysers EGS場址之 開發團隊，負責裂隙評估技術；結合InSAR地 表變形研究及地質力學模擬，進行注水誘發地 震研究；設置至少14 MEQ測站並建立遊客中 心以作為EGS教育展覽及民眾溝通場所。該場 址之重要特性為將處理後之都市廢水抽蓄至山 頂，利用重力水頭注水，以冷裂法將冷水注入 400oC低滲透率岩層，此冷裂的熱效應於井孔 周遭產生裂隙，不須使用大壓力泵浦即可產生 人工裂隙，進而減少震動及泵浦能源使用，目 前最大震動規模低於M 2.87；該場址利用氫氧 同位素判別生產/注入水是否與岩層發生地球化 學反應，作為回注水流路徑之判斷。該場址利 用既有之井位進行EGS開發，因此開發經費較 少，總經費約1,333萬美元，其中美國能源部補 助620萬美元(Walters, 2013)。
2.6.3 Raft River EGS場址
Raft River EGS場址由UU負責。該場址附 近有4口生產井、3口回注井，為總生產流量315 kg/s約12 MWe的傳統地熱電廠。此EGS場址從
2008年開始規劃，已鑽掘4口震測觀測井，並於 2013年完成1,800 m深之RRG-9 ST-1井的水力破 裂，其開發難易度分類上屬於Near Field EGS。
Raft River EGS場址之儲集層岩性為花崗岩，其 溫度約150oC，在水力破裂施作時先以60oC水 進行注入測試，接著以冷裂法注入約13oC水使 井周遭產生裂隙，最後使用50,400-347,000 lb之 20/40與100 mesh石英砂進行儲集層裂隙製造。
結合美國研究單位之技術，如Idaho National Lab (INL)的「冷裂水力破裂數值模擬」，以模 擬預測水力破裂之震動事件；LBNL的MEQ、
井下溫度剖面量測(DTS)、惰性氣體監測及電 阻率量測；Sandia National Lab (SNL)的井下 Televiewer量測；EGI的示蹤試驗。Raft River EGS場址之目標為2020年前展示5 MWe的EGS 電廠，且每口井流量至少20 kg/s並持續生產，
該場址所需之經費為1,060萬美元，其中美國 能源部補助740萬美元(Moore and McLennan, 2013)。
2.6.4 Desert Peak EGS場址
位於美國內華達州的Ormat公司，擁有數 座傳統地熱電廠。目前Ormat公司為提升地熱 發電量，正進行Desert Peak與Bradys Hot Spring 等兩個In Field EGS場址的驗證。Desert Peak EGS場址是一個成功的In Field EGS場址，目 前已在井深約1,768 m的27-15舊地熱井增產 1.7 MWe的發電量；其注水指數約2.15 gpm/
psi，所產生的最大震度約M 1.6。Ormat公司 結合Schlumberger 子公司GeothermEx公司、
Temple University、UU、U.S. Geological Survey (USGS)、LBNL、SNL、Los Alamos National Laboratory (LANL)、Mil-Tech 公司(英國)、
鑽井公司Bestec(德國)、Rain for Rent公司、
ThermaSource公司及Schlumberger等公司之技 術能量，共同完成Desert Peak EGS的變質凝灰 岩之水力破裂與示蹤等相關技術之驗證，如自 我支撐(self-propping)之剪力水力破裂技術、混 合冷裂、剪力型及化學型等水力破裂技術，及
2,6-NDS及1,3,6-NDS示蹤劑注入與監測技術。
該場址所需之經費約760萬美元，其中美國能源 部補助500萬美元(Chabora and Zemach, 2013)。
2.6.5 Bradys Hot Spring EGS場址
離Desert Peak 地熱區7km遠的Bradys Hot Spring區為Ormat公司的第2個In Field EGS場 址。利用既有的15-12 ST-1地熱井，該場址於 2013年在溫度為204oC的流紋岩儲集層進行水 力破裂，目標為增加此口井2-3 MWe之發電能 力，並且實現自我支撐之剪力水力破裂技術，
進而以此場址為練兵基地，發展可應用及技術 移轉於其它EGS場址之“EGS Toolbox”。此場址 以Ormat公司為總規劃單位，GeothermEx為技 術管理、水力破裂施作及其模擬；University of Nevada, Reno (UNR)負責三維地熱地質模型及 地表應力指標項目；USGS 與Temple University 負責應力場分析及構造模擬；EGI負責示蹤 試驗及地質模擬；Schlumberger的Terra Tek 負責岩石、地層及岩心分析；GeoMechanics International公司進行失效分析及水力破裂 規劃；LBNL負責震動監測及其分析；Hi-Q Geophysics公司進行地表震動資料蒐集及判 釋；LANL與NETL負責EGS裂隙網路成像及其 模擬；SNL則進行井下Televiewer量測。該場址 經費約660萬美元，美國能源部補助340萬美元 (Snyder and Zemach, 2013)。
3. 歐盟與美國的EGS技術發展
3.1 歐盟EGS技術發展 3.1.1 歐盟EGS研發團隊
歐 盟E G S 之 主 要 研 究 團 隊 為 E n h a n c e d Geothermal Innovative Network for Europe (ENGINE)，為歐盟內推動非傳統地熱資源 (Unconventional Geothermal Resources)及EGS發 展的跨國性研發團隊，由來自16個歐盟及3個
非歐盟的35個研發團隊共同組成，其中包含8 個私人公司。ENGINE以2020年為期，目標為 降低EGS之開發成本，包含提高儲集層三維成 像解析度與地熱資源探勘技術，降低20%的探 勘成本；增進地熱鑽井技術，以降低20~30%
的鑽井成本；加強儲集層工程技術，增加產能 及儲集層開採壽命；最後為提高熱電轉換效率 20%，以降低成本10%~20% (ENGINE website, 2010)。
3.1.2 超臨界EGS研發
Fridleifsson et al. (2010)指出儲集層溫度 超過374oC、壓力大於220 bar之超臨界地熱 系統具高地熱發電潛能，若以單口井體積流 量2,412 m3/hr為計算基礎，超臨界地熱系統 之 生 產 井 發 電 量 為 傳 統 地 熱 乾 蒸 汽 井 之1 0 倍。因此從2000年開始，由冰島ÍSOR主導的 超臨界EGS研發團隊，以冰島深井鑽探專案 (Iceland Deep Drilling Project, IDDP)中Krafla及 Reykjanes等區的地熱儲集層為研發平台，目標 為擷取炙熱岩漿庫附近之熱能進行發電利用，
並針對高溫地熱井探測器具(High Temperature Instruments for Supercritical Geothermal Reservoir Characterization and Exploitation, HITI)進行超高 溫相關技術研發(Ásmundsson, 2006)。HITI包含 9個研究機構、涵蓋6個國家，預計突破傳統地 熱之單口乾蒸汽井發電量約5 MWe限制，將井 下溫度約430-550oC之單口超臨界生產井發電量 推至50 MWe級，目前已在Krafla鑽鑿發電潛能 約35 MWe之第一口地熱井，發電規模前景可 期(Fridleifsson, 2013)。工欲善其事，必先利其 器，HITI井下探測器之目標為耐溫至500oC，
包含溫度、壓力、流體及岩石電阻係數、伽 瑪射線、孔內聲波影像(Televiewer Acoustic Images)、pH、井下套管連接定位(Casing Collar Locator)、套管監測、井下流體採樣、流體流 動、化學溫度感測及有機示蹤劑等，以應用於 高溫超臨界EGS。
3.2 美國EGS技術發展
3.2.1 美國地熱發電裝置容量
美 國 近 期 地 熱 開 發 藍 圖 仍 以 中 低 溫 型 傳統地熱系統為主，目標為發展數百kWe至 MWe級的中低溫地熱系統，供偏遠城鎮之電 力使用；並利用既有的油氣井所產生的副產 品(Coproduced)熱能進行發電，每個場址之 發展尺度預計為數十MWe至數百MWe級。中 長期目標為逐步加重EGS之開發，鼓勵民營 公司持續開發尚未發現的傳統型地熱(Blind Hydrothermal)，預計可增加數十GWe級的潛 能。另外，美國亦鼓勵民營公司在傳統地熱場 址發展低風險的In Field EGS及其運轉維護技 術，並發展可複製的EGS商業電廠技術，擴大 地熱裝置容量達數十GWe至數百GWe，達成 2050年地熱裝置容量為100 GWe之目標(MIT, 2006)。依Rocky Mountain Institute (2013)預 測，至2050年之美國發電總裝置容量將達1,470 GWe，地熱發電約佔6.8%，仍無法全面取代基 載電力。
美國能源部估計的地熱開發裝置容量如 圖3所示(Hollett, 2013)，以目前開採技術，在 2030年前開發已驗證的傳統地熱發電裝置容 量約10 GWe，其中包含已設置(Existing)的電 廠、建造中(Construction)的電廠及已發現且可 開發(Discovery)的潛能區。此外，預計在2030 年完成EGS新穎技術研發，且開採難度較高 的EGS與中低溫地熱區(Blind and Coproduced Hydrothermal)達裝置容量約24 GWe。2030年之 EGS與傳統地熱發電裝置容量比例大致相同。
3.2.2 美國地熱研發經費
為降低EGS開發成本與提升經濟誘因，並 於2050年地熱發電容量達100 GWe之目標，美 國能源部以深度3 km達175oC的20 MWe雙循環 (Binary) EGS電廠為例，假設貼現率(Discount rate)為7%的情況下，考量EGS的資源探勘與
評估、鑽井、人工裂隙製造、電廠建造、運 轉維護與風險溢酬(Financing Risk of Premium) 等因子，計算目前及未來EGS之發電均化成 本(Levelised Cost of Energy, LCOE)，如表5所 示，在資源探勘評估、鑽井技術、儲集層工 程、電廠效率、維護技術等技術提升及金融 風險降低之情況下，預估至2030年之EGS發電 成本約0.06美元/kWh，約為2011年成本0.231 美元/kWh的0.26倍。為達成本下降目標，美 國能源部自2007年開始，進行EGS示範、經濟 模式分析(System Analysis)、地源熱泵(Ground Source Heat Pump)、新穎探勘技術(Innovative Exploration Technology)、中低溫利用(Low Temperature and Coproduced)等5大項目，涵蓋 約154個研發專案。如圖4所示，從2007年至 2013年止，共計2億2,430萬美元，2014年所需 預算為6,000萬美元，其中地源熱泵因技術發展 成熟，且市場蓬勃發展，已從2009年停止其研 發經費。中低溫型地熱技術及新穎探勘技術則 維持一定比例之研發經費，研發重點為新穎地 球物理/化學探勘技術、進階鑽井技術及探勘資 料庫建立。EGS發展經費則逐漸增加，至2014 年達4,200萬美元，佔2014年研發經費之70%，
主要項目為隔絕技術(Zonal Ssolation)研發、新 穎水力破裂技術研發、聯合地球物理技術(Joint Geophysical Techniques)建立、流體示蹤技術建 立及於高溫地熱環境測試水平鑽探技術等，這 些都是用於探勘技術、鑽井技術與儲集層工程 技術等方面，以提升效率並降低成本。
表5 美國EGS成本分析(Hollett, 2012) 成本名稱 2011年LCOE
(USD/kWh) 2030年LCOE (USD/kWh) 資源探勘與評估 0.037 0.004 鑽井與人工裂隙
製造
0.074 0.016
電廠建造 0.053 0.025 運轉與維護 0.043 0.015
風險溢酬 0.024 0
總計 0.231 0.06
3.2.3 美國EGS技術分析
綜合前述，美國能源部認為EGS關鍵項目 為分析工具、資源探勘評估、人工儲集層製 造、儲集層維護等四項，細部項目包含地熱資 料庫建立、技術與經濟模式、政策法規、流體 成像、CO2利用、新穎探勘技術、示蹤技術、
耐高溫探測器、鑽井系統、數值模擬、材料、
隔絕技術等，並以5個EGS場址作為技術研發 與驗證平台，建立EGS開發信心(Ziagos et al., 2013)。
(1) 地熱資料庫建立
由 美 國 能 源 部 資 助 ， 在 美 國N a t i o n a l Renewable Energy Laboratory (NREL)與Arizona 圖3 美國地熱類型所佔之裝置容量與發展趨勢(修改自Hollett, 2013)
0 5 10 15 20 25 30 35
2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
Installed Capacity (GWe)
Year EGS
Blind Hydrothermal Coproduced Discovery Phase Construction Phase Existing Capacity
Existing Capacity U.S DOE focus area
In the pipeline
0 10 20 30 40 50 60 70
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Million USD
Fiscal Year EGS
Systems Analysis Ground Source Heat Pump Innivative Exploration Technology Low Temperature and Coproduced
圖4 美國地熱技術發展之歷年經費說明(修改自Hollett, 2013)Geological Survey等單位共同建置美國國家地 熱資訊系統(National Geothermal Data System, NGDS)，主要目的為透過完整的技術、資源及 經濟等資訊協助提升地熱開發之成功率並降低 投資風險。NGDS整合所有地熱相關資料及相 關出版文件，涵蓋地熱開發成功與失敗之案例 分析，並提供關鍵指標供使用者參考，如政府 開發決策、開發商投資決策等。
(2) 技術與經濟模式
由於EGS技術尚未成熟，開發不確定及 風險性高，需藉由技術與經濟模式評估EGS開 發成本。目前主要有3個EGS經濟模式與1個中 低溫利用的經濟模式，第一個EGS經濟模式由 美國MIT建構，考量因探勘、鑽井及人工裂隙 製造不確定性所導致的EGS開發成本、時程 及風險等參數，亦將裂隙形態與流體循環之 不確定性納入計算。第二個EGS經濟模式為 Adi Analytics LLC建立的EGS生命週期成本評 估與分析模式，用以建立EGS相關專利與成本 之計算模式，以加速產業化。第三個EGS經濟 模式由INL所建立的地熱電價與科技評估模式 (Geothermal Electricity Technology Evaluation Model, GETEM)，其為資料齊全且功能強大的 地熱電價計算工具，可幫助美國能源部決策優 先開發的R&D技術。另外，由West Virginia大 學發展專門應用於90-150oC之中低溫地熱利用 的經濟模式，提供美國龐大的中低溫地熱系統 資訊以供產業開發決策參考。
(3) 政策法規
雖然1960年美國第一個商業級地熱電廠建 於加州The Geysers，至今已超過50年，但相較 於其它發電產業，地熱仍屬於新興的產業，相 關政策與法規仍未完全上軌道，加上產業界與 政府跨部會溝通的障礙，地熱開發申請程序被 視為地熱開發的最大障礙。有鑑於此，NREL 提出精簡版的地熱申請程序相關辦法，此辦 法考慮聯邦、州政府及地方相關法規，建立 政府與產業界的共通語言，包含環評(National Environmental Policy Act, NEPA)、經濟分析
及土地利用等標準化的政策法規。目前此辦 法在2012年已蒐集California, Nevada, Hawaii, Oregon, Utah, Idaho, Alaska及Montana等8州的 州政府法規與當地地熱產業需求，2013年新增 Colorado及Texas等2州，並建立美國國家環境 政策法規之資料庫。NREL評估，縮短地熱申 請程序可望降低地熱開發時程及成本(Young, 2013)。目前美國民間業者遇到的地熱開發申請 障礙，與目前臺灣地熱公司及政府單位在申請 程序所遭遇的問題類似，NREL的資料庫有助 於健全臺灣地熱開發之政策法規參考資訊。
(4) 流體成像
LANL以Bradys EGS場址為平台，研發全 波形(Full-waveform)之三維-9組分-垂直震測剖 面(three-dimensional , nine-component vertical seismic profiling)反演技術，結合LBNL開發進 階三維電阻及微震測等技術，以提升Bradys EGS儲集層之流體及裂縫成像精度(Huang, 2013)；Oak Ridge National Laboratory應用中子 成像及散射技術監測流體與裂縫特性(Polsky, 2013)。
(5) CO2利用
在CO2應用於EGS方面，主要以CO2作為 儲集層取熱流體，稱為CO2-EGS。現階段之 進展主要為數值模擬及室內試驗，Palo Alto Research Center建置一套多孔道批次試驗設 備，於Cranfield區之現地CO2注入場取得岩石進 行試驗，用以了解礦物與CO2地化反應資料，
以增加CO2-EGS地化反應模擬之信心。另外，
GreenFire Energy公司亦獲得美國能源部補助 200萬美元，用以進行單井CO2取熱系統之研 究，目前進度處於現地工程成本與經濟評估階 段(Eastman and Muir, 2013)。
(6) 新穎探勘技術
美國藉由發展新穎探勘技術以降低地熱開 發風險，進而降低地熱發電成本。Phillips et al.
(2013)指出2011年之美國傳統地熱LCOE約為 0.144美元/kWh，隨著地熱技術發展成熟，預計 在2020年達到LCOE約為0.065美元/kWh，此探
勘技術亦可應用於EGS場址評估；其中成本降 低之主要貢獻為新穎探勘技術(含探勘資料庫建 立)，可望將探勘的LCOE由0.053美元/kWh降至 0.021美元/kWh。新穎探勘技術為美國能源部之 重要地熱技術研發項目，如圖4所示，從2011年 至2014年每年平均補助約1,130萬美元，其技術 包含反應傳輸模式(Reaction Transport Model)、
逆推方法建立(Inverse Methods)、多重數據集 合成(Synthesize Multiple Dataset)、舊資料庫整 合、新地球化學/同位素偵測技術(New Signal Detection Tools)、熱源/滲透率/地化之空間成像 技術、300oC井下感測器、三維視覺成像技術、
井下跨孔震測/電磁技術等，用以整合既有3D地 質模型，加入新技術所獲得之資料，加強對資 源掌握度之提升。
(7) 示蹤技術
示蹤技術有助於了解注入至儲集層內之 流通路徑、孔隙率、裂隙長度，此技術在耐高 溫與偵測精度方面仍有待提升。EGI將螢光劑 進行表面處理及制定特殊直徑後，依需求可控 制螢光劑與儲集層內裂隙表面之吸附特性，
用以提升偵測裂隙通道精度及獲取裂隙表面 積(Rose, 2013)。Power Environmental Energy Research Institute發展可熱解性的多偵測目標 示蹤劑，此示蹤技術可同時獲得裂隙間距、
孔隙率、孔隙體積及裂隙表面積，此多偵測目 標的示蹤技術可用於提升裂隙及流體示蹤精度 (Tang, 2013)。
(8) 井下耐高溫工具
Paulsson公司發展之光纖震波量測感應 器(Fiber Optic Seismic Sensor, FOSS)可以承 受30,000psi壓力及300oC之高溫，且在觀測頻 寬、敏感度及解析度方面均證實比傳統之震波 監測儀器為佳。GE Global Research開發可裝 置於10,000 m深且耐300oC高溫之井下電動沉 水泵(Electric Submersible Pump, ESP)，其功率 5 MWe，揚升流量為80 kg/s (288 ton/hr)，以增 加EGS生產流量(Turnquist, 2013)。Perma Work 公司開發耐高溫之井測系統，可以支援EGS之
10,000 m深鑽井及耐溫300oC，可多層監測且追 蹤溫壓變化，提供即時資料以供緊急應變決策 (Normann, 2013)。
(9) 裂隙製造與鑽井系統
SNL開發氣體產生器應用於EGS之人工裂 隙製造，此技術利用化學能快速產氣及升壓，
產生高壓震波，進而於岩層中製造人工裂隙，
並配合液體裂隙支撐劑形成裂隙，可降低對岩 體的震動及破壞(Grubelich, 2013)。LLC發表將 釐米微波技術(Millimeter Wave, MMW)應用於 深層地熱鑽井，鑽進效率可提升三倍並可產生 平滑孔壁直井及多重微孔隙，可有效增加EGS 之產能並大幅降低成本(Oglesby, 2013)。Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)利用不可 逆流變聚合物/流體系統(Novel Rheo-reversible Polymer/Fluid Systems)建立新穎EGS儲集層裂 隙製造最佳化監測系統，用以即時監測人工裂 隙動態；該系統利用CO2 與聚合物流體反應後 產生膨脹性，可在300 bar及300oC環境製造並控 制人工裂隙(Fernandez, 2013)。
(10) 數值模擬-THMC模式
地熱儲集層數值模擬可增加地熱開採效率 約10% (Gallaher et al., 2010)，並且提供鑽井深 度與位置，以減少鑽井成本。目前EGS數值模 擬在熱-水力-力學-化學(THMC)的耦合部分尚 未完全成熟，美國5個EGS場址中，均有搭配適 合於該場址特性所開發之THMC模擬技術。目 前美國能源部補助之EGS數值模擬計畫共計12 項，總經費約1,034萬美元，佔總經費17-27%，
可見數值模擬技術之重要性。如表6所示，目 前計有PNNL、LANL、LBNL、Pennsylvania State University (PSU)、OkU、Colorado School of Mines (CSM)及INL等。
地熱儲集層模擬由於涉及地層參數，難 以精準定量其模擬之不確定性；不同儲集層環 境均須因地制宜地設定假設條件及數值求解限 制，難以以單一模擬軟體通用於所有地層環 境，因此地熱數值模擬軟體眾多，難以定量衡 量其優缺點。自1981年Stanford大學評估各地
熱數值模擬軟體後，32年期間未有新的模擬軟 體的評估報告出現。為因應因地制宜的地熱開 發需求，模擬的先期性評估為必要手段，選 擇適當的模擬軟體顯得相當重要。PNNL建立 一資料庫，用以蒐集數值軟體資訊及分析其特 色，以了解各數值模式之優缺點與模擬精確度 (Scheibe, 2013)。
LANL以熱/質傳有限元素法(Finite Element Heat and Mass, FEHM)處理熱-水力-力學(THM) 耦合，該FEHM數值方法已在Yucca Mountain獲 得驗證，可解決應用於Desert Peak及Bradys之 EGS在剪力水力破裂時所面臨的滲透率-應力互 依問題(Permeability-Stress Dependence) (Kelkar, 2013)。
目 前LBNL在THMC模擬技術多為結合 地 化 模 擬TOUGHREACT與ROCMECH及 FLAC3D之跨軟體整合。以Newberry EGS為案 例，其結合同位素量測結果與TOUGHREACT/
ROCMECH進行水力破裂模擬分析(Sonnenthal, 2013)。
T O U G H E G S 模 組 之 主 要 開 發 單 位 為 CSM，其結合LBNL的TOUGH系列及Computer Modeling Group Ltd.等資源共同撰寫程式；
TO U G H E G S 的 質 量 與 能 量 守 恆 方 程 式 與 TOUGH系列相同，均使用積分有限差分法 (Integral Finite Differences)；在力學平衡方 程式上，以孔隙-熱力-彈性變形為基礎(Poro-
thermo-elastic Assumptions)完全耦合地質力 學與質傳模組；在地球化學耦合方面，改善 TOUGHREACT收斂性問題，與力學及質/熱傳 模組同步；在裂隙模組方面，以多重連續方法 分別處理裂隙及基岩質/熱傳與地化反應，以擬 合現地離散裂隙條件(Wu, 2013)。
PSU以Soultz、The Geysers、Cooper Basin 及Newberry之EGS案例為驗證，建立可估算因 水力破裂所造成的震動模式，該模式建立孔隙 率-滲透率與裂隙表面積之關係模式，並結合 TOUGHREACT及FLAC3D，加入空間滲透率 演變模式，改進THMC耦合在連續模式上會不 同步的缺點；在不連續模式方面，考量微觀顆 粒接觸所造成的應力及裂隙發展，及其滲透率 分布，進而將其套用至蜂巢式網格中進行水力 破裂模擬(Elsworth, 2013)。
O k U 建 立 以 地 質 力 學 為 基 礎 的 序 率 (Stochastic)模式，評估Soultz EGS在水力破裂 期間因注水所產生之震動強度；在應力計算方 面，以熱力-孔隙彈性組成律，可用來模擬因拉 伸、剪切及撕裂所產生的裂隙發展型態(包含熱 應力所造成之裂隙)；在震動計算方面，建立岩 石破壞-應力與滲透率之應力應變關係式，結合 EnKF演算法，建立可預測震動的水力破裂模擬 技術(Ghassmi, 2013)。
由INL主導的THMC模擬技術FALCON，
乃結合澳洲CSIRO、紐西蘭IESE、冰島GEORG 表6 美國能源部補助研發之水力破裂模擬技術與應用場址
模擬技術名稱 研發單位 應用場址
數值模擬評估平台 PNNL 無
FEHM LANL Desert Peak及Bradys
TOUGHREACT/ROCMECH LBNL Newberry
TOUGH EGS CSM The Geysers
TOUGHREACT/FLAC3D PSU Soultz、The Geysers、Cooper Basin及 Newberry等
OkU序率模式 OkU Soultz
FALCON與MOOSE INL Raft River
(資料來源：彙整自Scheibe, 2013; Kelkar, 2013; Sonnenthal, 2013; Wu, 2013; Elsworth, 2013; Ghassmi, 2013; Podgorney, 2013)
及美國的EGI、MIT、Louisiana State University (LSU)等單位之資源，發展全區隱式求解法 (Fully Globally Implicit Solvers)用以改善高度 非線性之偏微方程式(如Jacobian Free Newton Krylov, JFNK; PETSc; Trilinos; hypre; NOX;
libMesh等)，並具備網格自我調適及細化功 能。FALCON以C++撰寫有限元素法，並運用 INL發展的多物理場導向環境模擬(Multiphysics Object Oriented Simulation Environment, MOOSE)平台，以整合各單位之數值模組。
FALCON已在Raft River之EGS場址中驗證 (Podgorney, 2013)。
(11) 材料
Trabits Group, LLC開發含沸石的輕質且 耐高溫高壓水泥，該水泥不會與緩凝劑與速凝 劑產生不相容現象，鑽井時泥漿不必加入發泡 劑來降低重量，以減少井下溫度變化幅度，
可節省鑽井工作時間及成本(Trabits, 2013)。
Brookhaven National Laboratory (BNL)開發成 本小於0.2美元/lb的多功能抗酸腐蝕發泡水泥 複合材料，其密度小於1.3 g/cm3，熱穩定性為 300oC，透水性小於1×10-4 darcy，在300oC條件 下之30天碳酸腐蝕損失小於5%，導熱性小於 0.5 W/mK (Sugama, 2013a)。此材料之開發，可 減少因水泥失效而引起之廢井或重鑽之損失。
(12) 隔絕技術
BNL開發在高溫環境下可自我分解之裂縫 封填材料，該材料添加矽酸鈉當鹼性活性劑，
添加Sodium Carboxymethyl Cellulose (CMC)當 裂解促進劑，添加氧化鎂當膨脹劑，並添加 Polyvinyl Alcohol (PVA)作為界面劑。該材料 在85oC-200oC間具有封填效果，但超過200oC 時可自我分解，且與現有之鑽探流體可以相容 (Sugama, 2013b)。此裂縫封填材料可在多目標 的水力破裂區施作時封阻不必要之裂隙，減少 壓裂流體之損失，減少工程時間。
4. 臺灣地熱發展現況
臺灣傳統地熱潛能約989 MWe、EGS潛能 約31.8 GWe (柳志錫等，2012)，地熱潛能尚稱 豐富，曾於1981年在宜蘭縣的清水地熱區建構 一座3 MWe先驅試驗發電廠，因未充分掌握儲 集層特性及結垢等產能衰減原因，於1993年停 止運轉。近來在政府推動下，已逐步解決上述 問題。以推動策略來看，將以發展傳統地熱帶 動本土EGS的技術開發為方向，預計在2015年 設置1 MWe的EGS示範電廠(朱敬一，2013；陳 宏宇，2012)。
綜合國外的經驗，合理的經濟誘因是地熱 開發之首要條件。如表7所示，目前地熱發電 先進國家之資源較豐富，除了發電規模大外，
每口生產井可發電量達2 MWe以上，以1美元換 算為30元台幣，則地熱發電成本約2.1-3.0台幣/
kWh，若以美國加州住宅電價約4.8台幣/kWh、
菲律賓住宅電價約6.1台幣/kWh、印尼工業用
表7 地熱發電成本與市電價格比較
國家 電價(台幣/kWh) 地熱特性與躉售電價
美國 4.8 (加州住宅)
1. 每口井產能大於2 MWe，且裝置大於50 MWe之地熱發電廠，
發電成本1.5-2.1台幣/kWh (IEA, 2010)。
菲律賓 6.1 (住宅) 印尼 3.3-3.6 (工業)
日本 7.34 (住宅) 1. 適度開放國家公園外1.5 km之地熱開發。
2. 在小型電廠如溫泉區如15 MWe以下，提高躉購電價42日元/
kWh。
臺灣 2.78 (住宅) 1. 以清水為例，每口井產能約0.5 MWe。
2. 躉購電價4.80台幣/kWh。
3. 地熱能發電系統示範獎勵辦法最高補助5,000萬台幣。
電約3.3-3.6台幣/kWh來比較，則地熱發電成本 低於市電價格(Pwc, 2011)。若地熱開發成本較 高的國家如日本，則透過高額的躉售電價鼓勵 地熱發電，如15 MWe以下的地熱電廠為42日 元/kWh。地熱發達之國家，其每口井的產能均 較佳，如菲律賓的Palinpinon地熱電廠的總裝 置容量約192.5 MWe，井深約2,500 m，平均一 口井可發電量約4.70 MWe；Makban 地熱電廠 之總裝置容量約458 MWe，井深約2,500 m，平 均一口井可發電量約6 MWe；美國The Geysers 地熱電廠之平均鑽井深度約2,576 m，平均一 口井可發電量約2.5 MWe。另外，在產能較不 佳的傳統地熱區應鑽鑿較多的回注井，進行In Field EGS以增加產能，進而降低鑽井成本；以 美國Neat Hot Springs地熱電廠為例，發電量約 17 MWe，共有4口生產井與4口回注井，平均 一口井可發電量約4.3 MWe；Stillwater地熱電 廠發電量約20.9 MWe，共有8口生產井與8口回 注井，平均一口井可發電量約2.61 MWe；Dixie Valley地熱電廠之目前發電量約63 MWe，共有 8口生產井與12口回注井，平均一口井可發電 量約7.8 MWe。臺灣目前無商轉的地熱電廠，
地熱相關成本分析均以清水地熱為例，該區之 地熱井在完井初期大部份生產井產能約接近1 MWe/口，但因近井的結垢阻塞流體通道，故平 均之產能約0.5 MWe/口，成本約4台幣/kWh。
雖然臺灣地熱售電價格為4.9元/kWh較國外優 渥，但產能約為國外四分之一，發電成本亦較 高，回收年限較長。且在高於市電價格2.78元/
kWh的情況下，唯有提高地熱井產能，才能降 低發電成本，進而提升經濟誘因。因此，如何 提高臺灣傳統地熱區之產能為關鍵課題，參照 美國作法施以In Filed EGS應為可行之作法。
除人工儲集層之製造外，EGS與傳統地熱 開發所面臨的問題大致相同。EGS開發在技術 層面上，美國、歐盟及澳洲正致力於新穎資源 探勘技術、鑽井技術、人工儲集層工程技術 等，以降低開發成本。臺灣可適度引進國外 經驗與技術，縮短前期技術養成時程，再配
合臺灣地熱資源特性進行以下工作(工研院，
2013)：
(1) 建立臺灣地熱探勘資料庫，以供地熱開發場 址選定參考。
目前正配合大地電磁調查，進行空中 磁力探測技術、地球物理併合逆推技術、微 地震監測技術等配合地質構造與特性解析技 術，以建立大地電磁三維電阻成像技術模 組，為提供深層地下地質構造研判資訊的重 要工具。
(2) 引進深鑽技術及高溫水力破裂技術，搭配本 土資源特性，發展人工裂隙製造及增強技 術，增加地熱井產能，降低電廠開發主要成 本。
A. 井下結垢清除及增強技術開發：臺灣地 層易產生結垢，尤其在井外壁周遭數公 尺範圍內，會影響產能。國外多以酸洗 清洗這塊區域，但限於國內環保法規，
酸洗作業應不可行，需開發適合本土地 質的近井增強技術，並在技術難度較低 的傳統地熱區進行In Field EGS示範，提 升產能以增加信心。
B. 新穎超臨界CO2取熱技術研發：運用超臨 界CO2流動性較佳之特性，以之作為地層 取熱流體以增加取熱效率。
C. 耐高溫水泥技術與壓裂流體改質研發：
因水泥及水力破裂用的壓裂液為大量消 耗品，若能在本土自行研發與生產，應 可大大降低成本。
(3) 因應本土地層特性，研發地熱儲集層維護技 術，降低年維護成本。
A. 建立適用本土地質特性之結垢抑制劑以 提升效率。
B. 在產能較不佳的地熱區或小型溫泉區，
開 發 井 下 熱 交 換 技 術 ， 以 提 升 取 熱 效 率。
C. 儲集層數值模擬可作為研擬地熱開發策 略之參考資訊，引進國外地熱儲集層數 值模擬技術，改良為適用於本土地層特
性之模擬技術。
(4) 以傳統地熱產業推廣帶動EGS開發。
A. 推動傳統地熱之小型地熱示範電廠運轉 試驗，展現本土自主技術，提升地熱發 電信心，以推廣傳統小型地熱電廠。
B. 建立本土EGS示範電廠，逐步驗證本土 開發EGS之可行性。
5. 結論與建議
EGS潛能龐大，預估至2050年全球EGS發 電裝置容量有85%的機率達70 GWe。從第一個 Fenton Hill EGS場址至今，EGS已有約40年的 發展經驗，至少有18個以上的EGS場址設置運 轉經驗，陸續有商轉級EGS電廠運轉，EGS的 開發已是地熱的新顯學。
由於EGS技術開發需藉由場址設置來驗證 其可行性，初期投入成本較高，需藉由跨團 隊的資金與研發能量進行整合開發。歐盟的 ENGINE由16個來自歐盟及3個非歐盟的35個研 發團隊共同組成，目標為在2020年前降低20%
的探勘成本，降低20~30%的鑽井成本，及提 高熱電轉換效率20%，希冀推動歐洲EGS普及 化，其在高溫井測器具研發及地熱儲集層工程 誘發地震之規範可做為借鏡及技術引進參考。
美國將EGS的開發以困難度區分為較易成功的 傳統地熱區內In Field EGS，開發難度中性的近 傳統地熱區Near Field EGS，以及開發難度最高 的典型Greenfield EGS。目前結合美國強大的研 究機構、學術單位與民間公司之技術能量，能 源部的研究基金補助比例達47%-70%，同時進 行上述三種EGS的技術開發(分析工具、資源探 勘評估、人工儲集層製造及儲集層維護)與5個 場址驗證，目標在2020年達成5個EGS電廠建 置並運轉5年以上，2030年EGS成本降至0.06美 元/kWh，2050年達成全美100 GWe地熱發電裝 置容量及EGS技術輸出。澳洲雖無地熱相關產 業，但該國政府在EGS開發上先進行初期探勘 調查並公告可開發之EGS土地後，由民間公司
透過公開募股自行籌備開發基金，再進行後續 EGS的目標區探勘、鑽井與電廠建置，此作法 可為臺灣推動EGS之參考。
臺灣近期目標為建立發展傳統地熱電廠清 水、金崙等，惟地熱井產能較不佳，短期內應 參考國外In Field EGS之作法，以提高生產井 的產能為目標，降低地熱發電之成本，以傳統 地熱產業推廣帶動EGS開發。同時建議建立臺 灣地熱探勘資料庫，以供地熱開發場址選定參 考；發展或引進人工裂隙製造與增強技術，增 加地熱井產能，降低投資成本；搭配研發地熱 儲集層維護技術，降低年維護成本。
誌 謝
本研究工作受到經濟部能源局之經費支 援，得以順利進行，特此致上感謝之意。作者 並感謝工業技術研究院地熱工作團隊對此研究 之支持與協助。
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