東台灣地域深層海水與溫泉水整合溫差發電可行性探討

專家專欄

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陳孟炬副教授

國立台東大學應用科學系

我國四面環海,對於海洋能源的利用卻是極度匱乏,海洋溫差發電(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 系統可將溫差能轉換電能以提供24小時全天候使用的基載電力，是一項潔淨的永續能源。我國東部海域深具發展海洋溫差之潛力，台灣東部具多處極具發展海洋溫差發電的場域，如圖1所示。

圖1 東台灣海洋溫差發電潛力場址。

(資料來源：國科會ODB (1985-2005))

溫差發電的工作原理和目前常見的火力發電廠非常相似，採取有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle, ORC）發電技術，系以熱源將工作流體(Working Fluid)加熱加壓成高溫高壓的蒸汽，使其熱膨脹並推動在渦輪機內的渦輪葉片，進而帶動發電機(Generator)而產生電力；膨脹後的工作流體被引導至冷凝器(Condenser)中冷卻成液體，再經泵浦加壓打回熱源持續作熱交換，形成一個封閉式的循環(Close Cycle) ，如圖2。海洋溫差發電之熱循環系統約可分為開放式循環系統、封閉式循環系統、Kalina循環、再生式循環系統與混合式循環系統等等,其中以封閉式動力循環系統為主要發展方向，利用高溫表層溫海水將低沸點工作流體氣化，使工作流體體積瞬間膨脹產生高壓蒸汽端；低溫深層海水則將汽化工作流體冷凝為液態形式成為低壓端，藉由高、低壓差來推動渦輪機組，帶動發電機運轉使電力產出發電，但受限於表層海水與深層海水之溫差過小，使其熱效率欠佳，因此淨電力輸出多在3% 以下。

圖2 封閉式有機朗肯循環驅動溫差發電原理。

海洋溫差發電（Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC）之研究，始於1881年法國d'Arsonval所構思，1930年Claude承接其研究並於古巴海岸嘗試以開放式循環(Open Cycle)系統發電。近代的發展，如1979年美國在夏威夷(Hawaii )海域的50KW發電的海上實驗、1980年10月東京電力及東芝電氣合作在諾魯( Nauru )共和國的100KW發電實質性實驗，以及1982年8月日本在德之島( Dokuno Shima )的50KW廢熱發電實驗。在這些實驗例證中，證明只要能夠穩定取得海洋溫度分層足夠20℃ 以上的溫差，便可有效地轉換為電能。

國內的溫差發電研究也在1970年代石油危機的背景起步發展。從1980年代起台電公司與經濟部能源局已陸續完成多項研究計畫，如台電公司的臺灣東部海域海洋溫差發電潛能研究計畫、和平海洋溫差發電預定廠址外海海床調查研究、樟原溫差發電廠址陸上及淺海區域地形測量、複合式溫差發電應用研究，及經濟部能源局的混合式溫差發電初步可行性研究、臺灣東部海洋溫差發電多目標利用計畫(MPOP)、海洋溫差多目標利用初步可行性研究、中華民國海洋溫差發電全盤計畫(MOPR)、海洋溫差發電利用計畫。

2009年工研院執行能源局「海洋能源發電系統評估與測試計畫」成功開發5 瓩OTEC 實驗機組，如圖3所示。2010年也在於花蓮的台肥園區內，利用園區汲取的深層海水開發建造岸基式瓩級OTEC 現場機組。依據工研院綠能所資料顯示，儘管冷、熱源溫差不及20℃，但依據系統實際測試結果，只要溫差超過8~9℃，機組即可提供發電使用，溫差達14~15℃時，發電量可達1.2kW ~1.5kW。此利用海洋能的OTEC機組為國內自行開發建造，為我國海洋能開發和利用的重要開端。近年各國發展海洋溫差發電場如: 2014年法國 DCNS 公司獲得歐盟 NER 300 項目資助七千二百萬歐元，於加勒比海 Martinique 島外海設置一個容量16 MW 的海洋溫差發電廠，以取代島上現有之石化發電廠；2013年大陸華彬集團與美國Lockheed Martin公司簽訂合約，於海南島外海合資興建一座 10MW 的浮式海洋溫差發電廠，以海底電纜提供沿岸一個新開發的低碳渡假區電力。2014年日本也在琉球久米島上設置 50KW 實驗電廠，可見各國對於海洋能利用正積極投入開發行列之中。

圖3 5瓩OTEC 實驗機組系統。

(資料來源：工研院綠能所)

屬再生能源發展之一的海洋溫差發電，係利用表層海水與深層海水間的溫差，將儲存於表層海水中的太陽熱能轉換為電能的一種技術。以臺灣東部海域為例，在北回歸線附近之表層海水溫度約在23℃～28℃之間，如圖4所示，至1000公尺深度水溫即降到4℃左右。表面混合層與深層海水之間的溫差愈大，則發電的效率將相對提高。因此，在赤道至南北緯30度之間的海洋，比較具有適合海洋溫差發電發展的條件，且可落實OTEC的冷、熱源來自深層海水和表層海水本質，並展示OTEC全日全時的發電特性。台東大學與國內外學、研單位實驗研究，推估熱源與冷源之溫差高達攝氏百度時，其熱力效率可到達30%～40％；而海洋溫差僅有15℃~25℃，因此其效率僅約1~3%，如果我們可以將熱源溫度提高，以高溫的溫泉水代替表層海水，藉以增加溫差熱力效率，既可提高發電商轉價值的可行性。高溫溫泉水與低溫深層海水之異質資源整合的溫差就有80℃~120℃，如前述所言，溫差發電採取有機朗肯循環的原理，其中的熱源是溫泉水，冷源則為深層的冷海水，而工作流體可以使用低沸點、高密度、高蒸汽壓力的媒介作為發電動力。

圖4 利用高溫溫泉水及深層海水之封閉式溫差發電系統。

由於臺灣四面環海以至於過去認為能源只能仰賴進口，事實上蘊藏豐富的再生能源，諸如海洋溫差、波浪、海流、潮汐等海洋資源；又因臺灣位於環太平洋地震帶上，溫泉和噴氣孔遍佈全島，地熱蘊藏量豐沛無比，深具發展地熱的良好先天條件。若能將其整合轉換成電能應用，除了可以減少能源所產生的廢棄物之外，還可兼顧日益受重視之環境保護觀念，特別是臺灣東部海域海底地形陡峻，離岸不遠處，水深即深達七百公尺，水溫約6°C，同時海岸山脈地熱井口溫度高達80~120℃。地形及水溫條件俱佳，開發溫差發電的潛力雄厚。

針對ORC技術之工作流體的選擇、異種資源整合溫差發電系統之熱力性能分析、臺灣東部地理環境蘊藏資源之潛力，以及深層海洋水與溫泉水整合溫差發電的營運成本與經濟效益等項之初步分析，我國為全世界最適於開發溫泉-海洋溫差的國家之一，此與國內外學、研單位之研究結論相符合。

參考資料

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10.Proposal for a high efficiency LNG power-generation system utilizing waste heat from the combined cycle, Applied Energy, 60, 169-182 (1998).