工業材料雜誌五月號推出「地熱資源開發技術」及「水資源處理膜材與檢測技術應用」兩大技術專題

 

刊登日期:2020/5/6
  • 字級

地熱探勘—地熱發電的關鍵門檻
地熱發電不僅是穩定的基載電力,也是潔淨的再生能源,可有效降低因發電造成的空氣污染及改善碳排放,同時亦可衍生多目標利用等經濟價值。臺灣於民國69年在宜蘭清水建立了首座3 MWe地熱發電廠,但因地熱探勘技術與發電經驗相對不足,因結垢問題無以為繼而停止發電,間接造成國內地熱探勘與發電停頓。「探勘」是地熱發電開發進程中風險最高的階段,政府部門若能提供可靠的地熱探勘成果,降低地熱發電前期的投資風險,自然能吸引並促成企業投資。地熱探勘、鑽鑿及防蝕防垢等技術在推動地熱發電產業中扮演的關鍵性角色,「採取有效的地熱探勘程序」及「提高地熱探勘精度與可靠度」,實乃地熱發電成功與否的關鍵。

地熱發電為再生能源中,少數可以做為基載電力的能源,除了可以穩定發電外,其容量係數更可以高達90%,均化發電成本更是低於太陽能與風力,但由於在探勘初期投入的成本與風險較高,故全球地熱發電成長不若太陽能或是風力快速。「國際地熱發電政策推動模式探討」分析地熱電廠建置時主要會遇到三種風險:資源調查風險、專案執行風險與法規遵從風險,並歸納出各國政府透過三種模式來降低上述之風險。臺灣具有豐富的地熱資源,但是地質環境較其他國家複雜,對於地下資源的掌握難度更高,地熱開發需要承受的風險更高,故可參考國外推動作法,根據地熱潛能區的條件差異,靈活應用不同的發展模式,促進我國地熱的發展。

地熱發電是一項古老但又新興的產業,除全球暖化議題促使這項產業重新受到重視外,地熱探勘技術及發電效能的提升,也是近年來地熱發電產業蓬勃發展的重要因素。臺灣位於太平洋火環帶上,地熱及溫泉徵兆相當豐富,如果可充分掌握地熱資源並成功開發,將可降低我國對進口能源的依賴度。地熱開發成功與否受到資源掌握度高低影響相當大,「地熱發電探勘與評估技術」針對地熱開發初期常用之地熱地質調查、地球化學調查分析、地球物理調查及產能測試等技術做一介紹,並以國內探勘技術成果為例,說明國內現有地熱探勘技術能量,供有興趣者及有意投入地熱發電之業者參考。

地熱鑽井在整個地熱發電開發計畫中扮演著重要角色,其可提供地熱資源評估和地熱發電營運規劃所需之直接證據。現今的地熱鑽井技術中,以傳統泥漿鑽井與充氣泥漿鑽井最為普遍。「地熱鑽井技術」一文主旨為介紹充氣泥漿鑽井技術在地熱鑽井領域之應用,作者堪稱國內唯一有實作經驗的地熱鑽井專家,也在文中分享其於日本八丁原地區寶貴的實作經驗。未來,台灣地熱開發或可利用充氣泥漿鑽井技術鑽鑿地熱井,除能減少鑽井泥漿之不循環現象且不會破壞儲集層,更能有效提升鑽進率和產能。

地熱開發所面臨的問題相當複雜,關鍵在於如何適當應用不同區域獨特之地熱流體性質,包括流體溫度、水中雜質種類及pH值等。這些因素都可能會影響發電系統的材質腐蝕、結垢沉積、發電效率及電廠使用壽命等。「地熱發電管件設備防蝕與防垢技術」介紹地熱流體腐蝕性分級、流體對設備侵蝕程度及業界採用之應對策略;另外也就深層地熱含高濃度礦物質的水質,其在地表發生的結垢現象、型態及機制進行說明;並進一步提出針對改善結垢問題以確保熱泉產出流量及提升發電效率之對策。

看準循環經濟商機  啟動水資源再生全方位服務
近年全球遭遇極端氣候挑戰,水資源的穩定供應成為世界各國重要議題。水資源再生與再利用勢在必行,已經成為產業的王道,更衍生循環經濟商機。台灣因為地理位置與地形等因素,名列全球第18大缺水地區,守護水資源成為台灣的國安課題,也成為產業循環經濟的亮點。政府預計到2031年,連同工業自行回收的再生水,每天可產出132萬噸再生水。水資源再生之品質與製程程序,包括進流水質控制、水質特性、水質淨化處理膜材技術、線上檢測監控與加藥控制等技術,必須持續精進核心技術並持續投入開發,透過資源整合以利於科技再生水永續循環推動。

原物料的純化與有價物的提取分離一直都是化學與材料重要的議題,使用不同物質間的熔點、沸點、極性、帶電性、溶解度、分子量差異都可進行物料分離。「奈米過濾膜應用與濾膜截留量分析技術」分享奈米過濾膜運用分子量的分選方式與其孔徑特點,應用在水處理、食品濃縮及高價物提純分離的案例。此外在分子截留量的檢測技術,因材料在分離純化對於濾膜孔洞的精準程度要求不同,工研院建立精準的過濾與截流量分析平台,可滿足小孔徑的UF、NF或RO分子截留量分析,在原有的分析方法,精準度無法滿足目前膜材需求,此平台使用質譜對於分子量的精確分析優點,更準確地評估膜材的分子截留量與不同膜材的物料分選率。

高通量超濾膜技術與應用」一文指出,全球目前再生水商機高達6,000億美元,每年以5%速度持續成長;全球濾膜市場預測由2019年的135億美元將擴增到2025年的196億美元,年複合成長率(CAGR)約6.4%,其中以亞太地區占據主導地位。國內過濾產業在中下游的模組與設備都具有相當強大的能量,但關鍵的超過濾膜材幾乎都是從國外進口。為扶植國內濾膜產業進而搶進全球水資源市場,工研院開發出高通量和具有奈米級孔洞的超濾膜,並依據廠商的需求實際應用在國內各個產業,另外開發建立製膜與商轉技術,協助國內產業鏈達成上游材料自主,打破國內膜材長期被國際大廠壟斷的困境,期望未來能帶動經濟市場與濾膜的周邊產業鏈。

隨著都市化發展與產業結構改變,台灣缺水情形逐年增加,甚至影響經濟發展與民生需求,因此立法院於2015年通過《再生水資源發展條例》,賦予污廢水管理單位有開發再生水或供應再生水水源的權責。再生水品質不僅攸關後端使用者使用意願,水中微量污染物甚至會影響半導體產業之製程良率,因此水質須經控管乃至線上即時檢測。「再生水檢測技術應用」介紹工研院材料與化工研究所建置之液相層析串聯式質譜與液相層析光譜法,都已實際應用於不同水源中之微量尿素檢測;未來也將持續深耕水中微量特殊物質分析之技術能量,進行關鍵模組開發與系統整合。

水資源與水處理產業智能化應用」介紹人類社會歷經的第四個水資源變革—WATER 4.0。WATER 4.0是國際上近年來在水相關產業備受矚目的技術發展趨勢,藉由數位化與自動化技術作為核心策略,提升水資源管理效率與優化效能;其核心技術包含虛實整合系統(CPS)、人工智慧智能化分析預測技術,同時仍需跨領域整合水相關產業專業知識。德國水夥伴組織(GWP)提出WATER 4.0白皮書,提到智能化是水相關產業不可避免的發展趨勢,並且其在歐盟境內已有許多場域驗證實例,包含德國國鐵隧道工程、保加利亞汙水處理廠以及維也納地下汙水道等;而在國內,工研院材料與化工研究所水處理智能化團隊也協助淨水廠導入WATER 4.0技術,不僅穩定淨水廠出水水質,減少廢棄汙泥量,同時提升廠內人力資源運用效益。

主題專欄
行動智慧生活可即時呈現豐富的資訊,其顯示器設計以輕、薄、可撓曲為目標,而為達到更好的顯示品質,須整合各種功能性材料,其中,透明薄膜材料之相位差特性為顯示技術之一大影響因子。光電/顯示專欄介紹工研院材料與化工研究所成功開發出的「透明低相位差聚醯亞胺薄膜」,可以改善強光下看不清顯示器面板的問題,經由分子結構設計,修改穿透光的偏振狀態,有效消除雙折射引起之彩虹紋,減少顯示的干擾,並以R2R塗佈技術生產成捲材。此項技術與傳統聚醯亞胺薄膜相比相位差更低,與一般低相位差薄膜相比耐熱性更高、光學與製程整合性更佳,可整合多項功能於此薄膜上,達到薄型化、輕量化,且通過20萬次彎折測試,有機會應用於可撓式顯示器的偏振鏡保護膜或搭配配向膜使用。

近來新型冠狀病毒(COVID-19)的快速傳播,對經濟、社會民生及有疫情的國家以及全球經濟都造成極大的影響,提供個人防護的相關配備儼然成為全球戰略物資。口罩及防護衣是一種個人防護用具,能有效阻擋有害的氣體、氣味、飛沫進出佩戴者口鼻或身體,以避免受到化學物質噴濺危害或微生物感染。為了增加過濾性能與佩戴及穿著舒適性,新材料不斷被開發出來,提供更佳防護功效。纖維紡織專欄「防疫第一線:口罩及防護衣的技術發展」介紹口罩及防護衣的材質、標準規範、市場概況及新材料技術之發展,以及工研院材料與化工研究所在空氣過濾材和防護衣上的技術發展。

脂環族二胺具低毒性與優異性能,多用在高階利基型產品。現行脂環族二胺的商業製備方法多為利用相對應之芳香族二胺經由觸媒氫化將其苯環氫化為環己烷結構製得。4,4'-二胺基二苯甲烷(MDA)為一重要芳香族二胺化合物,其經氫化可得二胺基二環己基甲烷(PACM或H12MDA),為低黏度液體,透明、耐候,固化物的色度、光澤均優,機械強度也高,可用於高階PU、高強度耐高溫環氧樹脂硬化劑,以及非結晶性、透明聚醯胺(PA)的合成,廣泛應用於光學、電子、塗料及民生建材。目前全球需求量約3~5萬噸,發展差異化具高附加價值的利基型產品將是國內相關產業持續發展的重要關鍵。化學/化工專欄「二胺基二環己基甲烷之觸媒氫化合成技術」針對MDA氫化製程生產PACM之技術發展現狀有詳細說明。

鋰電池需求量逐年提升,有價金屬如鋰、鈷礦資源有限,再加上2025年即將面臨大批廢電池潮,各國開始提倡鋰電池封閉式循環經濟,但由於許多規範尚未發展完全,大部分的鋰電池仍走向廢棄掩埋,僅少部分送至回收廠處理,大部分處理方式主要為火法冶金及濕法冶金,但高溫處理及強酸鹼溶劑使用下不但經濟效益低,更加造成環境二次汙染。接續上期,循環經濟專欄「鋰電池循環經濟(下)」概述國際回收大廠現行回收技術及各國政府正推行之循環技術,也分享工研院鋰電池循環技術。

凡對以上內容有興趣的讀者,歡迎參閱2020年5月號「工業材料雜誌」或參見「材料世界網」,歡迎長期訂閱或加入材料世界網會員,以獲得最快、最即時的資訊!


分享