地熱能源的地震風險

專題報導 02/01/2010


利用地熱能源發電,是替代能源的一個選項,但是也有引發地震的風險,這其中如何平衡,是一大挑戰。

越來越多的深層地熱,開發來作為一項極具吸引力的替代能源。雖然過去一世紀,溫泉等的傳統水熱資源已充分的利用,但是其分布範圍以及供電的潛能卻相當有限。因此深層地熱的前景看好。

「加強型地熱系統」(EGS,enhanced geothermal system)原先稱作「乾熱岩系統」(hot dry rock system),至少要鑽打三公里的地洞,直抵溫度超過攝氏百度的無隙岩層。接著以高壓將流體泵入岩層造成碎裂(這個過程稱作激注(stimulation)處理),引發微地震,來增加液體滲透性,並形成貯水空間。靈敏的地震監測網可以測得岩層破裂產生的彈性波。當可滲透岩層內鑿出的貯水空間大於一立方公里時,會再鑽一個孔,使水流得以循環進出,而將熱能帶回地面。

相比之下,EGS的強力方式是相當單純,理論上地球內部的巨大熱能可說是取之不盡。二○○六年在劍橋麻省理工學院召開的專家會議推估,二○五○年EGS將會為美國帶來一千億瓦的電力,相當於目前電力的十分之一,對於替代能源來說是相當大的一個比重。美國去年十月通過的復甦法案,高達一億三千兩百九十萬美金將投入EGS示範計畫。包括Google等大企業也開始投資此一科技。

然而EGS的缺點在於會誘發地震。初期激注處理製造的微震,在地面可能會感受到,甚至造成危害。注入岩層的高壓水流,也可能與深層斷層作用,增加大地震發生的可能性。即使機率不高,仍須未雨綢繆。由於發電同時供熱才能充分利用地熱,這意謂消費者必須住在熱源附近。因此市區是設置地熱電廠的最佳選擇,而地震的問題就更加麻煩了。

將有數以千計的深層地熱區開發,來供應全球的龐大能源需求。如果很大比例都位於人口稠密的都市,可能使該區地震活動次數超過穩定大陸應有的常態。人造地震在波蘭和捷克等國礦區,已是主要的地表震動,可是歐洲或其他地區的城市居民,是否已有面對此種威脅的心理準備?

最近加州舊金山北方一百公里的間歇泉地熱區(Geysers),因作為EGS預定地而遭民眾阻擾,目前該計畫仍在美國能源部進行審核(雖然開發公司早已完成相關地震評估)。到了九月間該計畫因技術問題而遭擱置。

原先看好的替代能源,很可能因為民眾反彈而遭到不必要的封殺,這亦是整個社會所要面臨的風險。

對於過去曾經歷大地震的城市或地區,EGS必須有緩解的配套措施。例如限制泵入水流的壓力或位置。不論在計畫實施的前、中、後期,資訊必須透明化,同時提供民眾及政府相關教育。所有風險都必須公開確認和評估,並針對可能造成的損害提供預防之道。科學家、政客以及民眾都得坐下來好好討論,決定可以接受多大的風險。要不然,原先看好的替代能源,很可能因為民眾反彈而遭到不必要的封殺,這亦是整個社會所要面臨的風險。

巴塞爾的故事

一九九六年Geopower Basel (GPB) 財團位於瑞士巴塞爾(Basel)的「深熱鑽井計畫」(Deep Heat Mining project)是首度以商業為導向的EGS計畫之一。依我之見,這原先看好的綠色能源計畫,最後儼然成了燙手山芋。這是一個典範的例子,說明利用地熱發電本身最大的風險,是不知如何與在都會地區的地震問題打交道。我們必須從中獲取教訓,確保這個充滿潛力的能源得以長長久久。

目前人口超過七十萬的巴塞爾位於瑞法德邊界,除了是歐洲製藥及化學工業重鎮外,同時也是地震活動區。一三五六年巴塞爾遭受六點七級地震侵襲,這是中歐地區有紀錄以來地震規模最大的一次。

籌劃該地工業區EGS計畫耗費了數年的時間。二○○六年十月,灌注井鑽抵地下五公里,準備將高壓水流灌入花崗岩洞。負責監控的系統包括六台裝設在灌注井附近的井下地震儀,以及巴塞爾地區三十個地面地震偵測站。一旦偵測到地震,緊急終止程序便會啟動。看似一切準備就緒,實際上不具約束力的瑞士地震服務中心告訴GPB以及當地政府,他們並沒有看到這個計畫的合適地震風險評估。

當地政府後來批准了該計畫。GPB於二○○六年十二月二日開始將水灌入井中並逐漸增加。如同預期,偵測到了數千起的微地震。由於地震活動迅速增劇,灌注被迫於十二月七日終止。幾個小時後規模三點四的地震撼動了當地居民,引起恐慌與憤怒,以及國際媒體的關注。

十二月九日GPB發表道歉聲明,說這次工程引發的地震強度超出預期。一些輕微的非結構性損害,包括許多住家牆壁灰泥龜裂,後來都獲得保險公司賠償。這次的意外也造成一起私人糾紛,去年底還上了法庭。

地震活動隨著灌注停止逐漸平息。到現在三年後,井內儀器仍顯示岩層中發生的零星地震。

EGS計畫已遭到擱置。州政府自海外延請地震學家和工程師組成調查團,進行獨立風險評估。去年十二月十日報告公佈,決定暫停該計畫。

歐洲地區還有許多EGS計畫,當中有些同樣與地震有關。過去十年間,歐洲乾熱岩計畫在法國蘇爾茲附近開鑿深五公里的井。在激勵處理中,發生了規模二點九的地震。該電廠調整來降低可能的地震危害,預計在今年一月份開始運轉發電。兩百萬瓦的目標,使它成為最大的商業運轉EGS電廠。

天然地熱系統同樣可能發生地震。位於德國蘭道一個三公里深,鑽入天然可滲透岩層內的地熱井,一開始並沒有預料會有地震。然而在二○○七年,也就是開始發電後一年,地震出現了。電廠因而停擺數個月。以上兩個電廠都是在歷史上已知沒有大地震紀錄的偏遠地區。

現實策略

對深層地熱計畫風險的過度反應,可說是其來有自。相較於天然氣和煤礦開採等也被確認有誘發地震可能的工業,對地熱設定過分嚴苛的規範,可說是一種懲罰。

從一開始,EGS就應被視為一項帶有科學上的未知以及金錢和技術投資風險的試驗計劃。企業必須分配足夠預算,在探勘熱源以外的科研主題。當地政府應避免被替代能源的美好承諾所惑,記得要問「對」的問題。風險評估必須得在計劃開始前完成。

即使在對的時間問對了問題,科學家與工程師也很難達成共識,究竟地震危害該如何有效評估?又該如何降低其衝擊?由於EGS的實驗數據有限,預測模型仍相當粗操。歐盟執行委員會已經通過「貯存空間誘發地震之綜合工程緩解計畫」(GEISER)以增進相關知識,並針對未來深層地熱探勘的程序及規範提供建言。不過許多EGS計畫在GEISER計畫成果問世前,便早已開始運作。

巴塞爾計劃對於未來誘發地震相關計畫的保險金額,可能影響很大。巴塞爾事件的求償總額超過九百萬美金。對於區域規模三點四的地震來說,似乎高了些(不過也很難說,畢竟輕微非結構性地震破壞的損失,過去從未詳細統計過)。所有屋子的損壞,都沒有超過一般住家保險條款規定的百分之十賠償門檻。如果是天然因素造成的,屋主得自行吸收損失。假使是人為因素,那麼賠償就必須由電廠所保的責任險負擔。但問題來了,如果三十年後巴塞爾地區發生五點五級地震,如何證明這是否是自然發生的?誰又該負擔賠償的責任?

一旦大眾發現問題被刻意隱藏,回應必然十分強烈。地震激起人們原始的恐懼,喚醒地底沉睡的怪物,一如恐怖電影的情節,而今卻已然是眼前的事實。

對社會大眾、地方政府、地熱產業以及管理單位來說,事實擺在眼前。地熱系統一如其他能源科技,也有一定的風險。水壩可能決堤,核電廠會當機,燃燒石油天然氣釋放的二氧化碳造成全球暖化,EGS引發地震造成破壞。問題是整個社會能否在其中找到平衡點,並接受風險存在的事實?我們需要集思廣益來解答這些疑問。
(本文為二○○九年十二月十七日《自然》雜誌專文,作者賈丁尼(Domenico Giardini)為瑞士地震服務中心主任)
【知識通訊評論月刊八十八期】2010.2.01

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