壹、地球溫室氣體濃度不斷升高，致全球均溫飆升步入「全球沸騰」時代
在過去80萬年當中，地球大氣中的二氧化碳濃度總在180～280 ppm之間變化， 2020年7月發表在《科學報告》的研究稱，二氧化碳含量已達415 ppm接近1,500萬年來不曾出現過的濃度，也可能是類人猿誕生以來首次出現的高峰。2022年5月，夏威夷莫納羅亞天文台測得二氧化碳濃度421ppm，遠超過數10萬年來的自然變率，照此速度預測21世紀末，二氧化碳濃度將飆至570 ppm，超過工業革命前的2倍。地球因此不斷升溫，導致水分從植被和土壤中不斷蒸發，加劇世界許多國家極端乾旱、熱浪與野火。2023年7月19日義大利南部氣溫接近47℃，西班牙沿岸高溫破記錄，整個南歐熱翻天。2023年7月美國多處受熱浪襲擊，16日在「地表最熱」的美國加州死亡谷國家公園測到53.3℃，直逼世界記錄56.7℃。2023年7月27日聯合國秘書長古特瑞斯 (António Guterres)宣告，全球暖化時代已結束，正式步入「全球沸騰 (global boiling)」時代。專家一致認為，全球高溫的主要原因是人類使用過多化石燃料，因此自能源危機以來，各國莫不積極進行各種替代能源的開發，而我國能源進口依賴度高達97%，2015～2021年期間火力發電占比都超過80%，若再生能源發展未獲突破，且2025年為非核家園目標，火力發電占比持續攀升恐難避免。積極尋找可行的替代能源是我國不得不的重要政策方針。尤其步入全球沸騰時代與極端氣候災難嚴峻課題，各國面臨減少化石燃料及減少碳排放的趨勢下，地熱被先進各國視為重要綠能之一並積極開發。2016年12月13日比爾蓋茲即已宣布個人投資10億美元，成立乾淨能源基金(Breakthrough Energy Ventures)，於未來20年內投資能夠製造乾淨能源的公司，作者佩服其銳利生意眼光，尤其兼顧挽救地球極端氣候善舉，地熱能或許能成為緩解能源及極端氣候危機中的明日之星。
貳、地熱開發與應用
地熱發電實際上就是把地下的熱能轉變為機械能，然後再將機械能轉變為電能的能量轉變過程或稱為地熱發電，人類很早以前就懂得利用地熱能，如舊石器時代就有利用溫泉沐浴、醫療，在古羅馬時代利用地下熱水取暖等，近代則大量建造溫室農場培養農作物、水產養殖及烘乾作物等。但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用，卻是始於20世紀中葉，現代則更利用地熱來發電。地熱發電能源主要來自因地溫梯度變化而產生的溫度差，即地底溫度會隨著下挖的深度而升高。以全球平均而言，每下挖1公里溫度就會上升30℃，但若地底有火山或岩漿等活動，溫度上升速率會更快。地熱發電原理是透過利用地熱來加熱水體（地下水或注入水體），產生蒸汽後，作為動能推動渦輪機旋轉發電。一般當鑽井的井口溫度達80℃，即有發展地熱發電的潛能，超過130℃即可直接用於發電。地熱能源起源於地球行星的形成（20％）和礦物質放射性衰變（80％）；地熱能儲量比目前人們所利用的總量多很多倍，而且多集中分佈在構造板塊邊緣一帶，也是火山和地震多發區。地熱發電發展已逾百年，迄今累計裝置容量約達13GW(吉瓦)；依據Think GeoEnergy Research分析，全球前10大地熱發電國，截至2020年裝置容量共約15,950MW(兆瓦)，預估2025年全球裝置容量將達19,361MW。
参、地熱發電系統演進與分類
2020年時水電、光伏發電、陸上風電裝機容量已分別達到1154GW、710GW、698GW，占可再生能源裝發電機總量的87.7%；與此同時，全球地熱總裝機量僅14GW，占全球可再生能源總裝機容量的0.5%而已。地熱能是一種古老的能源，它存在於地殼下的岩石和流體中，從淺層地面到地表下數公里或更深，透過鑽井採集蒸汽和高溫熱水可以被抽出地表上，作為發電、或直接用於供暖和製冷。依據地熱的深度，可分為淺層地熱（深度3公里內）與深層地熱（深度逾3公里）兩種，其中淺層地熱的發電成本較低，但有地質條件的限制，需要有多孔隙的岩層讓水流動。淺層地熱能發電技術約可分為1. 乾蒸汽（Dry Steam）、2. 閃發蒸汽（Flash Steam），以及3. 雙循環（Binary cycle）等3種。深層地熱則利用地底高溫，將注入的冷水加熱後，再產出熱水及蒸汽用來發電。目前主要深層地熱開採技術約可分為4種，包含：1. 加強型地熱發電系統（Enhanced geothermal systems, EGS）、2. 閉迴路熱量收集系統（Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG）、3. 進階型地熱系統(Advanced Geothermal System，AGS ) 與4. 超臨界地熱系統（Supercritical Geothermal Systems，SGS）。簡述4種深層地熱開採技術發電系統如下：1. EGS由乾熱岩系統（Hot Dry Rock System）改良，運作原理需建造灌注井，直抵溫度達100℃以上的無隙岩層，並以高壓將水注入，使岩層產生裂隙，以增加儲水空間，再以生產井導出熱水，使用蒸汽進行發電。EGS的應用會擴大可開採的地熱資源範圍，使地熱發電在未來能夠更加普及。2. CEEG地熱發電技術，其概念約於1998年由波蘭籍教授Bohdan Maciej Zakiewicz提出，其原理是建立封閉式的管路，並於管路內進行冷水注入、加熱及回流的運作，可避免與地層水接觸而產生污染，同時避免地質的局限與腐蝕結垢的問題。3. AGS為進階型地熱系統，發電時很安全，不會產生誘導地震(induced earthquake)，特別適合有火山地形的台灣。4. SGS超臨界地熱系統，是指每單位生產井的產能為過去技術的數倍，還能減少地貌改變面積，由大成建設與日本地熱技術開發公司聯合開發的技術，利用高溫二氧化碳代替熱水來驅動渦輪轉動。首先向地下注入低溫二氧化碳，利用地熱使二氧化碳升溫。然後從地下抽出高溫二氧化碳來發電，最後再次為二氧化碳降溫並注入地下。二氧化碳處於「超臨界」（會在地下高溫高壓環境下出現、同時具有液體和氣體性質）狀態，因此能夠吸收巨大的熱量。
肆、國際主要地熱發展現況
美國蓋瑟(Geyserz)間歇泉發電系統是應用溫泉發電的一種，從深層地下間歇噴出衝入空中的過熱水變成蒸汽而形成間歇泉，蓋瑟發電系統是以水汽為主的系統，由地層直接產生蒸汽來發電，因此效率最高。1920年代一個小型的蒸汽發動機首次被用來發電，1955年則開始鑽探第一口現代地熱井。在接下來的幾十年裡，各種先進鑽探和開發使間歇泉的發電量在1987年達到高峰，當時有21個發電廠，總容量超過2,000MW。1990年代中期地熱電廠轉型為EGS發電系統，利用高壓注水，重新打開岩石中的天然裂縫，使熱水或蒸汽流入油井。截至2010年底，全世界已有25個國家設有地熱發電廠，總裝置容量約10 GW(註：1GW=10億瓦)。而美國境內的地熱發電裝置容量已達近3 GW，居全球第一位，約占全球地熱裝置容量之30%。地熱發電廠分布於阿拉斯加、加州、夏威夷、愛達荷州、內華達州、新墨西哥州、俄勒岡州、猶他州及懷俄明等州，年總發電量約17 TW(註：TW=1*10^9千瓦)，占再生能源發電供應量4%。其中以加州之裝置容量最高，約占全美國地熱裝置容量82%。
地熱發電最大特色是不受天候影響，可24小時穩定運轉，發電過程不僅碳足跡極小，發電效能約高達98%，能作為穩定供電的基載電力，是各國極力推廣的再生能源之一。僅一座網球場的大小即能發展1 MW地熱發電廠，因此占地面積小。除發電功能外，不同電廠設計與規模，更可發展食物乾燥、紙材乾燥、溫室、供熱、製氫及觀光等多種不同用途。根據國際地熱能源協會（IGA）2016年統計，地熱發電量最高的國家為美國（3,567MW）、其次為菲律賓（1,930 MW）、印尼（1,375MW）、墨西哥（1,069MW）、紐西蘭（973MW）。2017年國際能源總署（IEA）公布的電力資訊中，2016年冰島地熱總發電量為5.07TW約占其國家總發電量（18.55 TW）的27％，是地熱發電占比最高的國家。世界上最大地熱發電廠蓋瑟(Geysers)廠，位於美國Geyserville東北方向約13公里，利用蒸汽驅動渦輪機發電，現在是18個發電廠的所在地，可以產生725MW的電力，足以為舊金山這樣的超大型城市供電，2018年時蓋瑟地區的渦輪機提供加州50%的地熱發電能量。目前全球已有29個國家或地區有地熱能發電營運，截至2019年底總裝機容量為15,400MW，如薩爾瓦多人均GDP約4,000美元的中美洲國家，地熱發電裝機占所有可再生能源裝機的13.6%，在紐西蘭、肯亞、菲律賓和冰島，占%比數分別達13.3、37.6、25.5和26.3。在冰島地熱更提供90%以上的供暖需求，在美國則屬地熱發電規模最大國家。
首先舉美國蓋瑟(Geysers)發電廠群為例：蓋瑟發電廠群，位美國加利福尼亞州北部的蓋瑟斯鎮，即Geyserville東北方向約13公里處，於130萬年前，富含二氧化硅(Silicon dioxide，SiO₂)的岩漿大量衝破海岸山脈下面的地殼。這個淺層岩體目前仍繼續冒著蒸汽，其上方約120平方公里的區域被稱為間歇泉，是目前世界上最大的地熱能源生產區，也是目前世界上最大的地熱發電廠群，共有18個發電廠，利用蒸汽驅動渦輪機發電，可產生725MW的電力，足為舊金山超大型城市供電，截至2019年蓋瑟發電廠群發電量占加州所有可再生能源的20%。
其次舉2021年在美國休士頓起家的能源公司Fervo Energy(下稱Fervo)與Google合作，將提供乾淨能源給Google的數據中心為例。2023年7月18日Fervo宣布首次以頁岩油和石油的技術運用在地熱能源上，這是地熱系統突破性採增強型地熱系統(EGS)，於內華達州北部鑽兩口井，透過注入液體由地熱加熱後，再產出電力。該發電廠經進行為期30天的實驗，採用石油產業的技術，鑽了兩口約2.3公里深的井，彼此相差約1公里，其內部溫度約達191℃。液體流速在高溫下可達每秒63公升，並產生3.5MW的電力，能一次性為750個家庭提供所需電力。Google計畫在2030年前完全使用零碳排能源，因此2021年Google與Fervo簽下共同合作打造地熱能源，由Google研發AI和機器學習系統以增進Fervo 系統的效率，將乾淨能源提供給Google位於內華達州的數據中心，這是EGS增強型地熱系統首次被證實可具備商用規模。
伍、臺灣地熱發電潛能與發電展望
早在1977年時台灣就已經成為全球第14個地熱發電國，在宜蘭清水成功建置3,000KW的地熱電廠。不過1993年，該地熱發電計畫告終，台灣地熱發電進入寒冬。2013年中央地質調查所陳棋炫博士稱，經歷年探勘、調查臺灣地熱結果，以國際常用的估算法，估計有接近40 GW地熱發電潛能；2016年臺大地質系宋聖榮教授估計，若將新北大屯火山群、宜蘭清水、土場、南投廬山、花蓮瑞穗、臺東霧鹿、金峰、金崙、高雄寶來、嘉義中崙及臺南關仔嶺等溫泉勝地的地熱發電潛能合計，臺灣擁有逾33,640 MW的地熱資源，約等於24座核四廠的發電量。政府於2016年國家能源政策中，即已提出2025年再生能源占比20％的目標，希望能提升能源自給率，除了太陽能、風力及水力發電外，應積極開發地熱能。2016年由宜蘭縣政府辦理「清水地熱發電BOT及ROT案」、2018年能源局與新北市府合辦「新北市硫磺子坪地熱發電示範區」，都由政府出面協助計畫。硫磺子坪示範區的設計是，不用給付土地租金，並提供業者最高一億元及不超過總投入金額50%的鑽井補助金。
2020年我國發電來源主要為火力發電（80.22％），其次為核能發電（12.70％）及再生能源發電（5.77％）。台灣電價雖是全球數一數二最低，但其中的燃氣、燃煤、燃油及核能等能源有高達98%都靠進口，過度仰賴國外進口致「用電」從民生問題更升高為國安問題。世界有許多位處板塊邊界及地熱豐富國家，如美國、日本、冰島、菲律賓和印尼等，皆已積極投入並成功發展地熱能電廠。台灣民間營運的百萬瓦(MW)以上地熱電廠，僅宜蘭清水地熱電廠於2021年11月取得電業執照，裝置容量達4.2MW，平均每日可發6萬度電，成為國內首座24小時穩定運轉的地熱發電廠，足供宜蘭1萬戶家庭全年用電。台灣位處環太平洋火環帶，具有27處主要地熱潛能區，其中台北大屯山、宜蘭清水與土場、南投廬山、台東知本與金崙、花蓮瑞穗等共7個地方，為最主要的潛能區，2022年1月全台共有23個地熱案在進行規劃。2022年2月11日地熱發電資訊網評估，含淺層地熱及深層地熱，我國地熱發電潛能近33.6 GW，包含730MW的淺層地熱與31GW的深層地熱，相當於11.7座核四廠的發電量，宜蘭清水地熱發電量只是台灣地熱發電的九牛一毛。2022年微軟創辦人比爾蓋茲曾在個人部落格提到，地熱能擁有數倍於全球煤礦、石油及天然氣等的總能量。根據統計，地熱發電效率高達76％，相較於太陽能和風電僅20～40％都還高許多。2023年起經濟部開始加速推動我國地熱發電政策，包括：1. 加速推動傳統地熱發電、2. 政府補助分攤私部門探勘風險及3. 引進發電新技術，如增強型地熱（EGS）、進階型地熱（AGS）與超臨界地熱（SGS）等。來台投資鑽探花蓮瑞穗溫泉、紅葉溫泉一帶，規劃2MW地熱發電廠的瑞典倍速羅得臺灣(Baseload Power Taiwan）地熱開發公司，為比爾蓋茲所創「突破能源風險投資基金」投資的地熱開發公司，已於2019年展開鑽井探勘，預計2023年底完工商轉，成為目前在台唯一地熱發電國外開發商。未來紅葉部落的發電廠將融合當地原住民文化、瑞典文化與地質科學教育，打造具在地特色的示範型地熱電廠。目前台灣地熱發電設置，主要集中在大屯山周遭，2025年地熱發電目標為20MW， 2050年的的累計設置量目標為3～6.2GW。為促進國內地熱發電發展，財政部國有財產署、新北市政府與經濟部合作成立「新北市硫磺子坪地熱發電示範區」，2023年7月20日土地銀行表示，考量將捷集團永續發展理念符合ESG目標，因此提供將捷集團子公司結元能源融資新台幣7.2億元，支應開發營運資金，預計2025年併聯發電，裝置容量約4MW，年發電量約達2,900萬度，可支應10,000家戶全年用電。
結論
2023年7月在極端高溫籠罩下，北半球從南歐的西班牙、希臘、義大利到北非國家阿爾及利亞都遭熱浪與野火襲擊，阿爾卑斯山冰川嚴重融化，並發現1968年失事飛機的殘骸與1986年罹難者遺體。美國亞利桑那州鳳凰城連續一個月氣溫超過43℃，佛羅里達的海溫飆到38℃，泡在海裡像在泡熱水澡，逾1.75億人收到高溫警告，2023年7月全球均溫，打破地球12萬年高溫記錄，就連正值隆冬的南半球，阿根廷國家氣象局在8月1日指出，首都布宜諾斯艾利斯觀測到氣溫飆破30℃，創下該國117年來最熱8月初記錄。聯合國已於2023年7月27日宣告，全球暖化時代結束，開始步入全球沸騰（global boiling）時代，人類因而急切需要緩解排放溫室氣體，以遏止地球繼續飆升。地熱能有數倍於全球煤礦、石油及天然氣的總能量，且是再生能源中唯一可以24小時發電，且發電效率高達76％以上，是效率最高的綠色能源。在步入「全球沸騰」新時代，極端氣候災難將更加嚴峻，人類急需減少使用高碳排化石燃料，地熱發電乃成為緩解能源及極端氣候危機中的最佳綠能之一。依地熱發電資訊網評估，我國地熱發電含淺層及深層地熱在內，潛能共約10億瓦，相當於12座核四廠的發電量，且無核安問題，這是老天爺賜給我們的珍貴禮物，為邁向2025非核家園與2050淨零目標，政府自應妥善規劃利用以免辜負老天爺的恩賜。
＊作者為歷任飛航總臺主任氣象員、民航局組長及多所大學兼任副教授，著有網路《張泉湧觀點》及《圖解全球暖化之危機與轉機》、《全球氣候變遷─危機與轉機》及《圖解大氣科學》等書
