欧洲的心脏，工业 4.0 也用在地热上

由于能源专家也极少知道德国在地热发电及利用上的进展，工业 4.0 的推动者也不大知道地热能源上的应用，但像德国这样缺乏火山、地震的国家，2007 年才开始发展地热，2010~2016 年的发电规模已经成长近 6 倍，对于拥有丰富地热的台湾而言，不啻是一个重要指引。

借用旅居柏林林育立先生的新书书名《欧洲的心脏：德国如何改变自己》，内容提到许多德国能源转型过程的重要转折，正确的能源政策成就了公众投入能源转型的新产业，高效率的政策不是一蹴可及，而是逐步凝聚大众对能源议题的共识，发挥在各种可应用的再生能源上；“工业 4.0”也是德国产业界挑战的目标，透过深厚的自动化技术加上智慧感应系统，由客户端视角找出隐藏需求、加以填补，利用资料分析去解决或避免看不见的问题，软硬件同时升级以创造真正的服务价值。

德国发展地热的过程及策略

众所皆知西欧各国极少发生地震，地质上属于非常稳定的大陆地壳，德国南部虽然有知名的温泉观光胜地 Baden-Baden，但少有人认为德国具有地热发电的条件。德国最早在 2007 年才开始将地热能以有机朗肯循环（Organic Rankine cycle，ORC）的发电机组发电，在 2010 年已有 7Mwe，至 2016 年则已有 42.5MWe，6 年间增加近 6 倍。

成果资料公开透明

如何能让投资者有信心？政府将地热探勘资料的搜集及公开展示是一种有效的策略，德国的 GEOTIS 地热数据库是任何人可免费授权使用的数据库，由德国联邦环境部（BMU）委托莱布尼兹应用地球物理研究所（the Leibniz Institute for Applied Geophysics，LIAG）设立，所有人都可透过网络界面查询探勘成果资料、钻井资料、地热电厂技术及规格，也探勘井资料甚至涵盖石油公司的探勘井及油气井，因此民间投资者可深入了解目标区域的地热条件。

除了德国以外，根据环保组织国际再生能源机构（IRENA）出版的《从全球再生能源地图看地热策略》（Geothermal Strategy for the Global Renewable Energy Atlas），全球至少已有 24 个国家以网络数据库形式公开地热探勘成果（表 1），其中包含对岸中国，对于已建有“地质资料整合查讯系统”的中央地质调查所而言，整合台湾的地热资料应该需要加速进行。

▲ 表 1. 全球各国公开的地热数据库清单。（Source：Geothermal Strategy for the Global Renewable Energy Atlas）

以工业 4.0 克服地热开发的技术问题

由于地热发电的稳定性及安全性，德国政府透过研究单位──德国国家地球科学研究中心（Geo Forschungs Zentrum，GFZ），进行地热发电的工程技术及探勘技术的研发，GFZ 是 1992 年由德国联邦政府所成立的大型科学研究机构，可直接向政府进行政策建议，在德国学术界扮演重要角色并富盛名。该中心人员近 1,200 人，其中有近 500 名科学家及逾百名博士研究生。2016 年 7 月底时曾由首席执行官胡托（Prof. Dr. Reinhard Hüttl）率相关专家访台强化台德双方在地震和土石流等天然灾害防范、地热能源研究研究合作等交流机会。

GFZ 在地热研究上最知名的研发投资是委托海瑞克集团（Herrenknecht AG）开发自动化深钻机（Innova Rig），成为地质科学研究的先进设备，也支援许多民间地热案的钻井工程，由于高度自动化的设计可大幅减少钻井工班人数，后来也成为海瑞克集团知名的外销机具。地热生产井深度普遍在 1,000~3,000 米内，主要为了避免钻井成本及风险过高，但从 GEOTIS 的资料显示，德国的地热生产井深度集中在 3,500~4,500 米，从此可以看出德国科学家在评估地热发电时，已经考虑优先投入减少钻井成本及风险的技术，善用产业的优势布局自动化深钻机设备，现已成为地热发电的关键工程技术。

钻井有风险，所以有保险

地热钻井与石油钻井都是以钻井取得矿产资源，但是地热流体可以透过生产井与回注井的搭配形成循环使用的地热系统（geothermal system），大幅度延长地热电厂的营运时间，世界银行在 2013 年出版的《地热井的成功案例：全球研究》（Success of Geothermal Wells: A Global Study），国际上三千多口地热井资料的分析，生产井的总成功率约 78%，但在初期的成功率仅 50%（图 1），但这种结论还不适用于缺乏地热井施工经验及设备规格的台湾；石油井的探勘成功率较地热井低一些，在导入三维探勘调查技术前仅 25%，导入后可达到 50%（Jose Camara Alfaro, et al. 2007），油井附近也可能在压力枯竭时钻回注井，以迅速灌注大量水或二氧化碳增加储集层的孔隙压，称为激励采油技术（Enhanced Oil Recovery，EOR），这种回注井也是美国目前热门议题人工诱发地震（artificial earthquakes）威胁的主因。

▲ 图 1. 在各开发阶段，全球地热生产井开发成功率变化。（Source：Success of Geothermal Wells: A Global Study）

由于油井开发具有风险，因此在我国可利用《石油基金》分担石油探勘业近半的开发风险（只有中油公司与台塑公司具有申请资格），由于石油天然气产业都是富可敌国的大企业，分摊探勘风险的制度是相当普遍；但在地热领域上，德国的银行及保险公司也嗅到这一块商机，领先全球布局地热风险分摊制度，以东非肯亚近年快速提高地热发电为例，主要是由世界银行及慕尼黑银行的携手提供建立跨国地热补助的机制，称之为地热风险降低基金（Geothermal Risk Mitigation Facility，GRMF），兼具我国经济部《地热探勘补助要点》及《石油基金》的性质，并搭配上慕尼黑再保险公司（Munich Re Group）的地热钻井保险（Geothermal Drilling Insurance），这些风险基金及补贴制度也催生出“地热技术审查委员会”，由国际的地热专家协助审查各公司提出的地热发电计划的可行性，使得缺乏探勘资料、工程经验、专业人才、先进技术的地热资源处女地，仍吸引国际专业地热团队进行调查、探勘、开发，并利用健全的财务保险机制处理高风险的资金问题。

慕尼黑市区已完成地热探勘工作

德国除了在开发先进钻井技术位居世界领先地位，另外在地热资源探勘上也具有卓越的实力，主要原因是德国本来在地球科学领域就具有扎实传统，更由于“能源转型”已是全民共识，因此能极为迅速将先进的地球物理技术应用于地热资源探勘上。慕尼黑的能源转型目标是在 2040 年完成 100% 的再生能源，由于地热能源的热电联产（Combined Heat and Power，CHP）是重要的再生能源，因此他们委托专业团队进行 170 平方公里的三维震测探勘工作，建立地热开发的基础调查资料。

位于德国南部巴伐利亚的慕尼黑，并不是德国地热资源最丰富的地区，读者可参考德国地热分布图（图 2），其地质条件与台湾西部造山带前陆盆地相似，其地热主要倚靠随深度增加的地温梯度，过去中油公司在台湾西部的深井在 3,000~5,000 米也有摄氏 150 度以上的高温。

▲ 图 2. 德国的地热分布图，引述自 Suchi et al.，copyright 2014 Leibniz Institute for Applied Geophysics（LIAG）。

2016 年 3 月德国 DMT GmbH & Co. KG 宣布完成慕尼黑市区的三维震测探勘，有兴趣的读者可以参考探勘过程的影片，地热震测探勘与石油公司的震荡震源探勘（Vibroseismic survey）相似，但是 DMT 公司与莱布尼兹应用地球物理研究所（LIAG）合作开发剪力波（shear wave）的震源，称为 SHOVER 法，主要应用的原理是剪力波震源对于地下流体非常敏感的特性，可提供高解析的地下流体空间资讯，有了清楚的地下地质资讯，地热专家就可以选择风险最低的生产井位置，以及设计回注井位置及深度，使得回注井的流体可连通到生产井（图 3），对于德国地热开发详细的说明，读者可参考 Agemar et al.（2014）的公开取用论文。

图 3. 德国地热系统及应用概念图（Agemar et al., 2014）。

参考文献：

1. Jose Camara Alfaro, Chris Corcoran, Kevin Davies, Francisco Gonzalez Pineda, Gary Hampson, David Hill, Mike Howard, Jerry Kapoor Nick Moldoveanu, Ed Kragh. Reducing Exploration Risk, Oldfield Review, 2007.
2. Suchi, E.; Dittmann, J.; Knopf, S.; Müller, C.; Schulz, R. Geothermal Atlas to visualise potential conflicts of interest between CO2 storage （CCS） and deep geothermal energy in Germany. Z. Dt. Ges. Geowiss （ZDGG）. 2014. vol. 165
3. Thorsten Agemar , Josef Weber and Rüdiger Schulz. Deep Geothermal Energy Production in Germany. Energies 2014, 7（7）

（首图来源：Flickr/mmmmngai@rogers.com CC BY 2.0）

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