次世代地熱技術發展潛力
一、全球地熱發展現況
地熱能（Geothermal Energy）是來自地球內部的熱能，透過傳導及對流等作用傳遞至地表，可不受氣候條件或季節影響，直接用於發電、供暖與製冷。然而，傳統地熱技術(如乾蒸汽式發電dry steam plants、閃發蒸汽式發電flash steam plants和雙循環發電系統Binary-cycle plants)主要是將自然存在的高溫水熱資源提取至地表進行發電或供暖，其發展受到地質條件的限制，導致應用範圍有限。再加上高昂的前期投資成本和漫長的開發周期進一步阻礙了地熱技術的普及。2023年地熱能在全球能源需求中僅佔0.8%，主要集中在少數資源豐富的國家，如中國、美國、土耳其、瑞典、印尼、冰島、日本、紐西蘭、德國和菲律賓等國家。
隨著地熱技術不斷改善和成本的降低，次世代地熱技術如增強型地熱系統（Enhanced Geothermal Systems, EGS）與閉環地熱系統（Closed-Loop Geothermal Systems, CLGS）突破傳統技術依賴特定地質條件的限制，為地熱能源在非傳統地區的開發提供了可能性。根據國際能源總署(IEA)統計，至2050年，地熱能將滿足全球電力需求成長的15%，每年發電量近6000TWh。本文將摘錄國際能源總署(IEA) 地熱能的未來(The Future of Geothermal Energy)報告，簡述次世代地熱技術及創新案例，與未來地熱技術發展潛力。
二、次世代地熱技術
1. 增強型地熱系統（Enhanced Geothermal Systems, EGS）
(1)技術特性
透過外力增加裂縫讓流體能有效滲透高溫岩體，可擴大現有地熱儲層容量或創建新的儲層，適用於高溫但流體量不足或岩層滲透性差的地區（傳統上稱為“乾熱岩”，Hot Dry Rock, HDR）。其外力增加裂縫的主要方法包括液壓致裂（Hydraulic Stimulation），利用高壓流體創造裂縫；熱致裂（Thermal Stimulation），透過低溫流體注入高溫岩層引起熱衝擊(Thermal shock)；與化學致裂（Chemical Stimulation），以化學物質溶解礦物質。主要開發國家包含美國、澳洲、法國、德國和日本。
然而，EGS技術仍面臨一些挑戰，例如液壓致裂的水資源消耗、傳輸流體時產生的能量損失、難以維持長期運轉下地熱井的結構完整性、預估儲層內裂縫分布地均勻性、高流量與穩定的生產溫度，以及易誘發地震風險等。
(2)創新案例
美國地熱新創公司Fervo Energy在Cape Station的EGS計畫中，成功縮短70%水平鑽井（horizontal well ）時間，並在高溫下最大流量達到107 kg/s，產生之電力超過10MW，這是Fervo之前試驗計畫Project Red單井產量的三倍。同時，該計畫目標於2026年開始提供全天候無碳能源(24/7 carbon-free electricity)。
2. 閉環地熱系統（Closed-loop geothermal system, CLGS）
(1)技術特性
亦稱為先進地熱系統(advanced geothermal system, AGS)，主要藉由封閉管路內的流體與深層的熱岩體進行熱交換，且不與岩層發生化學作用。CLGS的優勢包含無需特定地質條件、適用性廣、降低與資源利用相關的開發風險、可預測輸出能量、降低水資源消耗，且無需致裂地層，減少誘發地震風險。主要開發國家包含加拿大、美國和德國。
然而，CLGS技術仍面臨一些挑戰，例如需要更長的鑽探距離以創造足夠的熱傳遞面積，提高成本與工程複雜性，以及生產溫度可能隨時間下降等。
(2)創新案例
加拿大的EavorTM公司於2019年已成功於在地底2400m深處完成U型閉環系統設計(Eavor-lite計畫)，透過熱虹吸效應(thermosiphon effect)循環管內液體，產能約達11,250 MWh1 。該公司目前在德國地底4500m深處開發四個閉環系統(稱為Eavor-Loops)，預計可輸出8.2MW的電力及64MW的熱能。
三、未來地熱技術發展潛力
由於EGS與CLGS技術無須特定地質條件，目前鑽探技術已可達3公里深度的地熱資源，預估至8公里深度的發電潛力則可達600TW。此外，相較於其他再生能源，2023年地熱能之平均容量因素(Capacity Factor)超過75%，遠高於風力發電的30%及太陽能的15%。除高溫發電外，中低溫資源(約90°C以下)還可用於區域供暖、工業加熱及冷卻應用，全球深度在0.5公里至5公里以內，溫度達90°C的地熱潛力高達為320TW，足以滿足大部份的區域供暖需求。國際能源總署(IEA)預估次世代地熱技術的電力市場潛力至2035年可達120GW，至2050年將超過800GW，每年區域供暖和工業加熱也將超過10000 PJ (petajoule)的產能。
(一)具地熱技術發展潛力之主要國家
1.美國：擁有全球最大地熱技術潛力，佔全球總量的八分之一（超過70 TW），90°C的熱能潛力更高達68 TW。僅在5公里深度的地熱潛力即達7 TW，相當於該國目前全部發電容量的7倍。此外，美國在2024年通過《地熱能源機會法案》（Geothermal Energy Opportunity Act），促進公共土地上的地熱開發核可流程。
2.中國：地熱技術潛力位居全球第二，約佔全球總量的8%（50 TW）。海南、廣東與福建三省因其地質條件優越，被政府指定為潛在地熱開發地區。
3.非洲：非洲擁有全球最大尚未開發的傳統地熱潛力，可透過EGS技術開發的部分約佔全球的五分之一（115 TW），其熱能約10 TW，可滿足食品、飲料、紡織與造紙等產業的低溫需求。
4.歐洲：歐洲的EGS技術雖僅佔全球的5%以下（40 TW），但這已是歐洲現有發電容量的35倍。自1970年代起，多國便開始EGS研究與示範，推動技術進步。此外，其熱能約8 TW，是目前供暖系統供應量的30倍，預計可提供7千萬人供暖服務。
(二)地熱能創新應用潛力
1.供熱應用
全球大約過半的熱量需求溫度在 200°C以內，其三分之二應用於建築物的空間加熱和水加熱，其餘三分之一用於工業製程，主要是輕工業及能源密集型工業的輔助製程。而次世代地熱技術可擴展地熱佈署的範圍，並可提供200°C以內的溫度，以促進熱電聯產(combined heat and power, CHP)的應用，或是透過地熱驅動製冷設備，進行區域冷卻。
2.儲存熱能應用
將電力轉化為熱能或冷能儲存於地下岩層，可長期儲存或直接區域供暖，適合用於調節能源供應、提升電網韌性並支援再生能源整合。地底儲存熱能的方式主要包含封閉系統的鑽孔式儲能系統 (borehole thermal energy storage, BTES)，安裝於地底的垂直熱交換器；以及開放系統的地下含水層儲能系統 (aquifer thermal energy storage, ATES)及礦井儲熱(mine thermal energy storage, MTES)，前者透過含水層進行儲熱，後者是利用廢棄礦井中的井水進行儲熱。另外，尚有基於次世代地熱技術的機械式地底儲能技術(mechanical underground energy storage)，如壓縮空氣儲能或抽水儲能。
3.提煉高價礦物質
地底深處的熱水通常為富含礦物質的熱鹽水，尤其是鋰、二氧化矽、氦、鋅、錳等高價值礦物質，是生產潔淨能源技術的關鍵礦物，可強化能源安全並減少供應鏈的脆弱性。目前地熱鋰的主要生產技術為鋰直接萃取 (Direct lithium extraction, DLE)創新技術，透過吸附或離子交換的方法，從鹽水中選擇性萃取鋰，並轉化為鋰氯化物，最終加工為電池級碳酸鋰或氫氧化鋰，用於電動車與儲能系統。
其他參考資料：