10月17日是世界地熱能源日 —— 這可能不是你行事曆上特別標記的日子，和萬聖節相比也許有點黯然失色，但我們或許真的該給這種潛藏的能源多一點關注與愛。
在追尋再生能源的過程中，我們建造了龐大的水壩、矗立的風力渦輪機，還在田野上鋪滿了太陽能板。然而，在這一切努力當中，我們是否忽略了一個強大的能源來源，而且就藏在我們腳下？地熱能大多仍尚未開發，靜待我們去善加利用。
我們腳下的科學：認識地熱能源
或許最簡潔、最清楚的地熱能定義來自美國能源資訊署（EIA）：地熱能源來自地球核心內放射性粒子——特別是鈾、釷和鉀——衰變所產生的熱能。這種衰變產生巨大的熱量，形成一個持續運作的「熱能引擎」，我們可以利用這股能量來產生熱能與電力。
當你看到火山岩漿噴發，或間歇泉冒出蒸氣與熱水時，所目睹的正是自然地熱過程的強大力量。
火山爆發是因為岩漿——這些由地球深處的高溫與高壓產生的熔融岩石——突破地表噴出。這些岩漿源自地函中的岩石因地核熱能而熔化，而這股熱能正是來自鈾、鉀和釷的衰變所產生的高溫。隨著地球的板塊移動與變形，岩漿便可能從地殼的裂縫中噴發出來——也就是我們所見的火山！
至於間歇泉，則是當地下水儲存在靠近這些熔融岩石的地方，並在被高熱煮沸成蒸氣時噴發出來的自然現象。這種景象全球皆可見，從美國黃石公園、冰島的大間歇泉，到智利的塔蒂奧間歇泉，都展示了地熱的壯觀力量。
人類利用地熱的簡史
地熱能源以各種形式被人類利用已經有數千年之久。據信約一萬年前，美洲的古印第安人便使用天然溫泉中沸騰的熱水來烹煮食物與清潔身體。事實上，自古以來，全世界各地的人類文明，包括中國與古羅馬帝國，都曾利用地熱形成的天然溫泉。到了第二次工業革命時期，工程師開始能夠更有系統地利用地熱能，透過專門設計的熱水管線來為建築物供暖。這些管線最早在美國愛達荷州的博伊西市（Boise）投入使用，於1892年啟用的設施至今仍然運作，為州議會大樓與市政廳提供暖氣。
地熱能第一次被工業化用於發電，是在義大利托斯卡尼的小村莊拉德雷洛（Larderello）。1904年，義大利工程師皮耶羅・吉諾里・孔蒂（Piero Ginori Conti）利用地熱蒸氣來驅動引擎，之後當地迅速建立了全球第一座完全依賴地熱能的商業發電站。
二戰結束後，越來越多國家開始看見地熱開發的潛力，並投資建設自有的地熱設施。美國的第一座地熱發電廠The Geysers，於1960年在加州北部的馬亞卡馬斯山脈（Mayacamas Mountains）落成。如今，它仍是全球最大的地熱發電系統，裝置容量達725兆瓦，足以供應整個舊金山市的電力需求。
從歷史來看，人類利用地熱能源已有悠久歷史；而今天，科技的進步正在解鎖地熱的真正潛能——不再限於提供熱水，而是能夠穩定發電，成為再生能源的重要力量。
為什麼地熱能是再生能源？
「地熱能之所以是再生能源，是因為地球在形成時所產生的巨大熱能至今仍被保留。而且，地球內部的放射性元素（如鈾、釷、鉀）持續衰變，也不斷產生熱能。地球內部所儲存的熱量，以及自然過程（例如火山活動、熱傳導或輻射至大氣）所損失的熱量，遠遠超過我們從地熱發電所消耗的熱量……隨著時間推移，為了維持能源產量，通常需要鑽掘額外的井口，因為儲層的溫度或壓力可能會逐漸下降。」
—— Drew L. Siler 博士，美國地球科學學會地熱地質學家
作為再生能源，地熱能源最重要的優勢之一，就是與化石燃料相比，它在發電過程中產生的溫室氣體排放量極低。根據平均數據，地熱發電廠每生產一度電（千瓦小時），約排放122克二氧化碳。這比一般天然氣發電廠的排放量（約450克/度）低了約73%，比燃煤發電廠（約900到1300克/度）則低了約86%至90%。
地熱能源是如何被提取並轉換為電力的？
傳統的地熱能源開發方式，是在地下1至5公里深處的地熱儲層鑽鑿井口。
這些井口可以開採低溫資源（低於攝氏150度）與高溫資源（高於攝氏150度）。由於地熱鑽井需要穿透堅硬的岩層並承受高溫，因此必須使用專門設計的旋轉鑽井設備，與一般石油與天然氣鑽井技術有所不同。
井口完成後，地熱流體——包括熱水、蒸氣，或兩者的混合物——便會透過管線系統從地熱儲層中被抽取至地表。這些流體之所以能自然上升，是因為地層壓力差與自然對流的作用。
其中產生的蒸氣可直接用來驅動渦輪機進行發電，而熱水則可以導入熱交換器，將熱能傳遞給其他系統，以供應熱力用途或間接參與發電過程。
熱能轉換為電力的方法有幾種？
目前，共有四種主要方法可將地殼中提取的地熱能轉換為電力。傳統的三種方式——乾蒸氣（Dry Steam）、閃蒸（Flash Steam）與雙循環（Binary-Cycle）發電，是目前全球地熱發電的主流技術。近年來則出現了增強型地熱系統（Enhanced Geothermal Systems, EGS），透過人工鑽井與創建儲層，進一步拓展了地熱能的可用範圍。
乾蒸氣發電廠是最早也是最直接的地熱發電方式，使用地底天然蒸氣直接推動渦輪機發電。在這類系統中，從地下儲層抽取的蒸氣是超高溫且幾乎不含水分的「乾蒸氣」，因此可以直接輸送到蒸氣渦輪機，使其旋轉產生電力。這種方式的效率非常高，因為不需要將水與蒸氣分離或進行閃蒸等中間程序。乾蒸氣系統適用於產出純蒸氣且含水量極低的地熱場，如美國加州北部的「間歇泉地熱區」（The Geysers）。但由於這種地熱場地條件要求極高，全球僅少數地區具備此資源。
閃蒸式發電廠則是從地下深處抽取高壓高溫的熱水，透過壓力驟降的過程讓部分熱水瞬間汽化（也就是「閃蒸」）成蒸氣，再用來推動渦輪機發電。這些地熱流體通常溫度超過182°C（約華氏360度），從地底抽出後進入閃蒸槽，壓力降低使熱水迅速轉變為蒸氣。產生的蒸氣驅動發電機，而剩下未汽化的水則可以再注入地下，或進入第二級閃蒸槽再次產生蒸氣，提高能源利用率。
閃蒸發電的彈性較高，因為它能處理含有水與蒸氣混合物的地熱資源，不像乾蒸氣系統只能用純蒸氣。這使得閃蒸系統可應用於更多地熱場，因此成為目前全球最常見的地熱發電方式。
雙循環發電廠（Binary-Cycle Power Plants）
雙循環地熱發電廠是將地熱水中的熱能，透過熱交換器轉移給一種沸點較低的第二流體，通常是容易汽化的有機化合物，例如碳氫化合物。這種第二流體被加熱後轉為蒸氣，進而驅動渦輪機產生電力。
這種方式特別適合用於中低溫地熱資源，溫度範圍約在攝氏107度（華氏225度）至攝氏182度（華氏360度）之間。由於雙循環系統為密閉循環設計，地熱水與第二流體之間並不直接接觸，這大幅減少溫室氣體排放並防止有害氣體釋放，使其成為比其他地熱技術更潔淨的能源解決方案。由於能夠有效利用中溫資源，雙循環發電廠的選址彈性較高，可應用於更多地區。阿拉斯加的奇納溫泉電廠（Chena Hot Springs Plant）便是一個著名的例子，即便所使用的地熱資源相對低溫，該廠能高效運作。
增強型地熱系統（Enhanced Geothermal Systems, EGS）
增強型地熱系統（又稱「乾熱岩」Hot Dry Rock）則是透過人工方式激發或擴展地熱儲層。在這個過程中，會將水注入地底的高溫乾岩層，使岩層產生裂縫，進而形成可循環的熱水系統，這個程序稱為「激發處理（stimulation）」。此技術能夠將地熱能源的潛力擴展至原本缺乏天然熱液資源的區域，這些地點通常位於更深的地層下方，有機會大幅提高全球可開發的地熱能範圍。
值得指出的是，與水力壓裂（fracking）不同，EGS 的激發過程使用的水量與壓力通常都較小，而且在許多情況下，這些水會在封閉系統內回收再利用，從而減少浪費與污染風險。此外，EGS 不涉及任何化石燃料的開採，也不會產生如甲烷等有害副產物，因此能有效降低水源污染的風險，屬於更環保的地熱開發技術。
此外，地熱能源仍可用於供暖與冷卻
除了發電之外，地熱能源還可以作為穩定的熱能來源，廣泛應用於各種供暖與冷卻用途，例如工廠、農業設施，以及各類工業用途。這些應用主要透過兩種方式進行：一是「地熱直接利用」，另一種是「地熱熱泵系統」（Geothermal Heat Pumps, GHPs），取代傳統依賴天然氣與煤炭等化石燃料的熱能供應方式。
地熱直接利用是指從地下的地熱儲層中，直接取得自然加熱的熱水或蒸氣來使用。這種方法幾乎不需要進行能量轉換，因此效率非常高。通常這些地熱水溫介於攝氏20度到150度（華氏70至300度）之間，能夠直接用於多種供暖場景。在地下高壓的情況下，水溫甚至能超過大氣壓下的沸點（攝氏100度），進一步提升了地熱作為熱源的多樣性與效能。
建築供暖是地熱直接利用最普遍的應用之一。地熱流體可透過熱交換器導入建築物的地板輻射系統或暖氣管線，提供室內暖氣。在某些地區，整個社區會透過「地熱區域供熱系統」，由單一地熱源集中供熱至多棟建築。
在農業方面，地熱能源可用於溫室供暖，不僅延長作物的生長季節，還能提升產量。水產養殖業則使用地熱穩定水溫，促進魚類生長並降低能源成本。在工業領域，地熱熱能也應用於食物脫水、牛奶巴氏滅菌、木材烘乾等用途，成為一種經濟且穩定的熱源。
與直接利用依賴自然高溫熱水不同，地熱熱泵系統（又稱地源熱泵）則是利用地底溫度穩定的特性，來提供全年皆可運作的供暖與冷卻功能。無論是土壤還是地下水，其溫度全年幾乎保持穩定，成為理想的熱交換來源。
冬季時，地熱熱泵從地下吸收熱能並輸送至建築物中。系統會讓含水溶液在地面下埋設的「地環管路」中循環，這種液體吸收地底熱能後，經由熱泵裝置將熱量釋放到建築內部。夏天則反向運作，將建築物內的熱量轉移至地底涼爽的土壤中，達到冷氣效果，能源效率相當高。
那麼，地熱到底能有多「熱」？
地熱所能產生的熱能有多高，取決於一個稱為「地熱梯度」的現象。這是地球溫度隨著深度增加而上升的速率——通常地殼每往下延伸一公里，溫度會上升約攝氏25到30度。
要理解地熱能源，就需要對地球的基本結構與組成有一定認識。地表之下是地殼，在陸地上平均厚度約為30至70公里，在海洋下則約為5至10公里。地殼之下是地函，深達約2,900公里，由高溫的半固態矽酸鹽岩石構成，這些岩石富含鐵與鎂。再更深處則是地核，溫度估計介於攝氏5,000至6,000度之間，與太陽表面的溫度相當。
其他值得喜愛地熱能源的理由
除了溫室氣體排放量較低、能協助減緩氣候變遷之外，與依賴天氣條件才能正常運作的太陽能與風力不同，地熱能源不受天氣影響。
無論採用哪種發電方式，地熱能源皆依賴地球核心穩定產生的熱能，因此可作為全天候運轉的基載電力來源，無須仰賴外部氣候條件。
多數能源發電廠，例如燃煤或核能電廠，需要大量水資源進行冷卻，但地熱電廠（尤其是使用乾冷系統的類型）在運作上所需的水量極少。水資源的依賴程度降低，不僅有助於保護珍貴的淡水資源，也能避免其他能源產業中大量用水所帶來的環境衝擊。
由於技術相似，且同樣依賴鑽井作業，一些美國西部廢棄的石油與天然氣井已被改裝為地熱發電設施。這些廢棄井會經過勘察、評估與重新配置，之後建置成熱交換系統，作為新的地熱電廠。
近年來，美國能源部透過其地熱技術辦公室（Geothermal Technologies Office, GTO）及「機會之井」計畫（Wells of Opportunity, WOO）積極推動從廢棄油井開發地熱能源。WOO 計畫資助了全美各地多項專案，從內華達州的井滲透性改良，到德州與加州既有油井的廢熱回收。藉由利用美國境內數以百萬計的非活躍井口，這項策略大幅降低了高昂的鑽井成本，並透過活化廢棄基礎設施來解決環境問題。
地熱能源的經濟效益不僅限於其營運效率。例如住宅用的地熱熱泵，相較傳統的 HVAC 系統，可減少 25% 至 50% 的能源消耗，在許多氣候條件下足以完全取代 HVAC 系統。地熱熱泵在住宅與商業建築中都相當受歡迎，提供了一種永續的供暖與冷卻替代方案。此外，地熱熱泵壽命長，常可使用 25 年以上，且因其設備埋設地下、不受戶外天氣影響，也不依賴燃料燃燒，所需維護量相對較低。
對地熱能源的顧慮與限制
由於地熱發電廠通常建於較接近地殼的區域，而這些地區多位於斷層帶上，容易受到地震活動影響，因此鑽探、注水與抽取流體的過程長期以來一直讓部分科學家對其可行性與安全性提出疑慮。
隨著增強型地熱系統（EGS）的發展，關於誘發地震的疑慮進一步升高。所謂誘發地震，是指因人為活動而引發的地震。EGS 技術需要將流體注入地底的高溫乾岩層，這可能改變地下的應力分布，使岩石產生裂縫，進而導致地震不穩定。
美國國家科學、工程與醫學院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）在其報告《能源技術中的誘發地震潛力》中指出，地熱能源造成可感地震的可能性相對較低，這是因為其過程涉及將流體注入並再從地下儲層中抽取出來，形成平衡。
目前美國的 EGS 實作仍處於實驗階段。地熱能源研究前沿觀測站（FORGE）是唯一一處專門進行 EGS 研究與開發的基地，目前主要用於測試其潛力，尚未廣泛應用於商業用途。
當流體被注入地底時，會導致孔隙壓力上升，進而降低斷層之間的有效應力，使它們更容易滑動。這種孔隙壓力擴散是造成注水誘發地震的主要機制之一。此外，將冷流體注入高溫岩層也會引發熱彈性應力變化，進一步影響地層穩定性。
此外，注入流體與儲層岩石之間的地球化學反應，可能透過應力腐蝕作用削弱斷層。誘發地震的機制相當複雜，涉及熱－水－力－化（THMC）耦合過程，因此很難精確預測與計算。
雖然大多數誘發地震規模都較小（小於芮氏規模3），但仍有發生較大地震的案例，例如2017年南韓浦項市發生的一場規模5.5地震，即與當地一項 EGS 計畫有關。這類具破壞性的誘發地震，曾導致一些 EGS 項目被取消。地震發生後，科學家著手研發風險緩解對策。調查顯示，注水所產生的壓力觸發了一條先前未知的斷層，導致該次強震。為了避免類似情況再次發生，研究人員提出加強監測技術，以偵測隱藏斷層，並建構更先進的模型，以預測注水對地下應力的影響。
他們同時建議導入具彈性的「紅綠燈系統」，可在偵測到異常地震活動時，即時調整注水策略。透過這些努力，目標是讓未來的 EGS 發展更加安全，畢竟 EGS 被廣泛認為是下一代地熱技術的核心。
除了誘發地震的疑慮外，地熱發電廠在冷卻與產生蒸氣的過程中，通常仍需要大量用水，即使許多設施採用密閉循環系統以促進水資源再利用，仍可能對當地水資源造成壓力。
此外，地熱廠房的鑽井與基礎設施需占用大量土地，可能對當地生態系統、生物多樣性與社區造成干擾。雖然研究指出，與石油與天然氣產業相比，其土地使用影響仍屬相對較小。
地熱專案的前期成本也是一大挑戰，尤其是在探勘與鑽井階段。根據國際再生能源機構（IRENA）的估算，建造一座地熱發電廠的成本介於每千瓦1,870至5,050美元之間，而實際費用高度依賴於場址的地質條件。相比之下，大型風力發電廠的建設成本約為每千瓦1,500美元。因此，與風力或太陽能等其他再生能源相比，地熱有時較難吸引投資。
美國地熱能源的現況
目前在美國，地熱能源的利用程度仍然非常低，絕大多數的供暖需求——約佔60%——仍由化石燃料如天然氣、丙烷與燃油所供應，這些能源類型占全國總溫室氣體排放量的40%。地熱供暖系統（包括地源熱泵與區域供熱）在美國的供暖市場中僅佔極小一部分。根據國際能源總署（IEA）的資料，全美僅有170萬具地熱熱泵系統正在使用，其中只有40%用於住宅，這僅佔全美家庭的0.5%。美國能源部已承諾，將利用《降低通膨法案》撥款，在全國安裝2,800萬具地熱熱泵系統。
根據美國能源部，目前美國已有近4吉瓦的電力來自地熱技術，足以供應300萬戶家庭所需電力。雖然這僅佔全美總發電量的0.4%，但仍是全球最多的地熱發電量，目前大多數地熱發電廠分布於美國西部地區。
在國會中，繼眾議院通過類似法案後，一組跨黨派參議員提出了 2024 年地熱能優化 （GEO） 法案（Geothermal Energy Optimization Act, GEO Act），旨在簡化地熱開發許可程序，仿效過去油氣開採所使用的方式。
目前的許可流程需依據嚴格規定進行審查，涉及多個機關，從申請到動工往往耗時近十年。該法案所提的改革措施將設立地熱督導人員與專責小組，為專案提供技術協助與爭議調解，確保開發效率，並設定新的聯邦土地地熱租賃目標，要求土地管理局（Bureau of Land Management, BLM）提高租賃拍賣的頻率。
雖然能源專案在聯邦土地上需經內政部轄下土地管理局的嚴格審查與規範，但 BLM 近期已透過對《國家環境政策法》（NEPA）中的「類別排除」措施，加快了地熱開發的許可流程。在一份針對此加速政策的新聞稿中，BLM 局長崔西・史東・曼寧（Tracy Stone-Manning）表示，這項技術是「能推動我們國家邁向潔淨能源未來的技術之一」。
在國會與土地管理局（BLM）推動相關措施之後，能源部也發布了一份新報告，評估在美國大規模商業擴展地熱能源的可行性。根據《降低通膨法案》與《跨黨基礎建設法》所提供的資金，能源部估計，到2050年，美國地熱發電的潛力可望擴增至90吉瓦，為目前裝置容量的22倍。
為了達成報告中所稱的「起飛階段」，能源部必須透過成功部署試驗場址與驗證專案，來證明市場潛力，這些試驗將涵蓋5至10種不同的地質條件，所需初期投資約為200至250億美元。一旦這筆初期投資獲得成功驗證，全國將展開更大規模的地熱開發計畫，預計動用數千億美元，以推動地熱能源的更廣泛應用。
全球熱點：各國如何利用地熱能源
雖然美國在地熱發電方面居全球領先地位，但像冰島這樣的國家則將地熱廣泛應用於供暖與發電，目前冰島約有90%的住家使用地熱供暖，並有30%的電力來自地熱。赫利舍迪（Hellisheiði）與內斯亞瓦德利爾（Nesjavallavirkjun）發電廠是當地大型地熱設施的代表。
肯亞則是非洲在地熱能源領域的領頭羊，也是全球地熱產量前幾名的國家之一。奧卡利亞地熱發電廠（Olkaria Geothermal Plant）位於地獄之門國家公園內，是當地重要的設施，供應約40%的全國電力。東非裂谷系統為該地區提供了豐富的地熱潛力。
衣索比亞也正積極開發其地熱資源，重點同樣集中在東非裂谷地帶。阿魯圖—藍加諾（Aluto-Langano）地熱電廠自1998年起便已投入運作，目前還有多個專案正在規劃中，以進一步開發該國的地熱潛能。
義大利是世界上第一座地熱發電廠——拉德雷洛（Larderello）——的誕生地，如今仍持續透過地熱能源供應國內電網，地熱發電約佔全國用電的4%。
拉丁美洲的多個國家也開始重視地熱能源的發展。以墨西哥為例，其位於塞羅普列托（Cerro Prieto）的地熱發電站是世界上最大的地熱廠之一。墨西哥正積極擴展地熱計畫，作為其推動再生能源的一部分。
智利則著重於安地斯山脈一帶的地熱開發，雖然仍處於初期階段，但因火山活動頻繁，具備高度潛力。
澳洲也開始探索其地熱潛能，特別是在庫珀盆地（Cooper Basin）與南澳的熱岩區域。儘管目前地熱在澳洲能源組合中所占比例極低，但隨著增強型地熱系統（EGS）的發展，市場潛力與關注度正在提升。
放眼全球，地熱能源正逐漸受到重視，證明它作為穩定再生能源的價值。
地熱能源的未來
地熱能源有望成為全球邁向潔淨能源轉型中的關鍵力量。由於具有大幅減少溫室氣體排放的潛力，地熱能源在眾多能源選項中脫穎而出，是一種可靠且永續的資源。與風力、太陽能等間歇性能源不同，地熱能可穩定提供基載電力，不受天氣條件影響，供應穩定的能源。
隨著技術進步與開採方式的改善，地熱能源在多元化再生能源組合中可能扮演更加關鍵的角色。增強型地熱系統（EGS）的持續發展開啟了新的可能性，使人們得以開發過去無法觸及的地熱資源，但這也需制定周延的安全指引，以防止地震活動惡化。
然而，要實現這些潛力，不僅需要技術創新，也需政策支持與資金投入。透過建立鼓勵環保地熱探勘與開發的法規環境，政府可以有效開發這項仍未被充分利用的能源。
只要有正確的承諾與協力，地熱能源就有可能像風能與太陽能一樣，成為對抗氣候變遷不可或缺的工具，引領我們邁向更潔淨、更永續的未來。現在正是投資地熱的時機——讓我們為未來世代解鎖這股強大資源。
原文：The Heat is On: Harnessing Nature’s Underground Oven
作者：Allen Huang
翻譯志工：蕭翼
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