高效能地熱發電耐酸蝕金屬材料

 

刊登日期:2019/7/5
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台灣能源的使用需求具有區域性的明顯差異,北部地區平均每年的電力能源缺口高達130億度以上,而在北部的大屯火山系即蘊含豐富地熱潛能,成為台灣能源產業發展之重要考量。然而大屯火山系地熱泉的混酸特性,可能造成設備、管路腐蝕。本文因應地熱泉水質之獨特性,導入地熱先進地區關於金屬材料應用於地熱之相容性評估與成果。參照國際規範經由各式實驗室模擬場域環境檢測,驗證金屬材料與該區地熱泉水相容程度,有效率的篩選出具有經濟競爭力之工業結構用金屬材料。
 
本文將從以下大綱,介紹導入地熱先進地區關於金屬材料應用之相容性評估與成果。
‧前言
‧地熱開發之國際潮流
‧地熱設施材料的選擇考量
‧鎳基耐蝕合金材料
‧適用地熱環境金屬材料的國際研究
‧金屬材料的選用指標
‧金屬材料的防蝕措施
‧結論
 
【內文精選】
經濟發展奠基於能源供應的廣度與深度。目前國內電力能源的供給與需求具有區域性的明顯落差,從台灣電力公司2018年的官網資料顯示,北部地區近五年以來,平均每年的電力能源供需缺口高達130億度以上,約兩套大型發電機組的發電量。而在北部的大屯山系蘊含豐富地熱(Geothermal)潛能,成為台灣能源產業發展之重要考量。地熱開發的關鍵在於如何應用地熱泉水的獨特性,大屯山系地熱區屬於火成岩型地熱泉水,該地熱泉(Brine)具有多種成分混合的酸性流體,易造成設備、管路腐蝕(Corrosion),形成進入地熱應用市場的技術門檻之一。因此地熱電廠的開發需要經由現場勘查、環境採樣分析,參照地熱電廠材料選用規範以符合該場域地熱泉特性,建置符合地質特性之地熱發電技術。
 
地熱開發之國際潮流
地熱電廠相較於其他基載電廠,屬於低環境污染之再生能源,成為國際上經濟先進國家的重要開發項目。目前國際地熱發電先進技術已經相當成熟而且達到商業化運轉,甚至結合觀光產業,例如冰島Svartsengi地熱發電廠,創造出國際級的浪漫觀光景點「藍湖」,形成兼具觀光旅遊、經濟發展與平衡環境永續經營的建設。國際上地熱能源的商業應用均先從淺層、較易開採之地熱區域開始,隨著產業技術的進展,可開採的地熱田與電廠逐年增加,亦逐漸增加地熱資源應用的發展。鄰近台灣地區,隨著《環太平洋》電影熱映,太平洋火山環帶已經深植人心,穩定又強大的地熱能源電廠環繞著太平洋先後被建置起來,如圖一所示;參照地熱發電資訊網的資料顯示,在太平洋的火山環帶區域,目前地熱發電容量前六大國分別為:美國3,591 MW、菲律賓1,868 MW、印尼1,925 MW、墨西哥951 MW、紐西蘭980 MW、日本542 MW。台灣也曾經建置過3 MW容量的示範地熱電廠,目前經過整修導入新一代發電技術並結合地方觀光發展已經逐步啟用,如圖二所示。
 
圖二、台灣首座遠端控制運轉清水地熱電廠
圖二、台灣首座遠端控制運轉清水地熱電廠
 
適用地熱環境金屬材料的國際研究
國際上為了確保地熱發電系統的可靠性,特別是地熱電廠中各個區域的水質環境參數,如流體速度、反應性離子濃度、溫度與pH酸鹼值等,會有相當大的落差,因此眾多專家持續針對高合金不鏽鋼、鎳基合金及鈦合金等金屬材料進行耐地熱泉水相容性的研究以及測試方法的驗證。對於大多數金屬而言,pH值越低,腐蝕的情況越嚴重,本文以各場域水質pH值的順序介紹。
 
Klapper等研究符合美國石油學會(American Petroleum Institute; API)規範標準之井管常用的鋼管材料與不鏽鋼材,在100˚C~150˚C模擬Molasse盆地泉水(pH8.1,接近中性水質)中的耐腐蝕特性。該研究係使用吊掛浸泡試片的測試方法,其實驗結果表明鋼管材料API L80和API Q125在模擬地熱泉水中,具有相當程度耐均勻腐蝕的特性;而雙相不鏽鋼UNS S32205和奧氏體不鏽鋼UNS S31603則具有良好的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能。
 
同樣是太平洋火山環帶的火成岩型地熱岩泉環境,根據在日本宮城縣Onikobe溫泉的研究顯示,使用氫氧化鈉調整到pH4.5時(圖四),若以每年1 mm的腐蝕速率(1 mmpy)訂為管理準則,大多數鋼材的腐蝕速率均在控制範圍內而可合理使用;若將溫泉以鹽酸調整到pH2.0時,大多數鋼材的腐蝕速率會高出管理範圍而不適用…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖二、台灣首座遠端控制運轉清水地熱電廠
圖四、環境特性影響腐蝕速率
 
作者:呂春福、謝宏元、盧立昕/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」391期,更多資料請見下方附檔。

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