地热能

热能

　　热能(thermalenergy)又称热量、能量等，它是生命的能源。人的每天劳务活动、体育运动、上课学习和从事其他一切活动，以及人体维持正常体温、各种生理活动都要消耗能量。就像蒸汽机需要烧煤、内燃机需要用汽油、电动机需要用电一样。

简介

　　人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。

　　地热能大部分是来自地球深处的可再生性热能，它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。还有一小部分能量来至太阳，大约占总的地热能的5%，表面地热能大部分来至太阳。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。其储量比目前人们所利用能量的总量多很多，大部分集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。它不但是无污染的清洁能源，而且如果热量提取速度不超过补充的速度，那么热能而且是可再生的。

　　怎样利用这种巨大的潜在能源呢？意大利的皮也罗.吉诺尼.康蒂王子于1904年在拉德雷罗首次把天然的地热蒸气用于发电。地热发电是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸气，然后将其抽出地面推动涡轮机转动使发电机发出电能。在这过程中，将一部分没有利用到的水蒸气或者废气，经过冷凝器处理还原为水送回地下，这样循环往复。1990年安装的发电能力达到6000MW，直接利用地热资源的总量相当于4.1Mt油当量。

　　地热能是一种新的洁净能源，在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。其中距地表2000米内储藏的地热能为2500亿吨标准煤。全国地热可开采资源量为每年68亿立方米，所含地热量为973万亿千焦耳。在地热利用规模上，我国近些年来一直位居世界首位，并以每年近10%的速度稳步增长。

　　在我国的地热资源开发中，经过多年的技术积累，地热发电效益显著提升。除地热发电外，直接利用地热水进行建筑供暖、发展温室农业和温泉旅游等利用途径也得到较快发展。全国已经基本形成以西藏羊八井为代表的地热发电、以天津和西安为代表的地热供暖、以东南沿海为代表的疗养与旅游和以华北平原为代表的种植和养殖的开发利用格局。

发电

　　地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。目前开发的地热资源主要是蒸汽型和热水型两类，因此，地热发电也分为两大类。

　　地热蒸汽发电有一次蒸汽法和二次蒸汽法两种。一次蒸汽法直接利用地下的干饱和（或稍具过热度）蒸汽，或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。二次蒸汽法有两种含义，一种是不直接利用比较脏的天然蒸汽（一次蒸汽），而是让它通过换热器汽化洁净水，再利用洁净蒸汽（二次蒸汽）发电。第二种含义是，将从第一次汽水分离出来的高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽，压力仍高于当地大气压力，和一次蒸汽分别进入汽轮机发电。

　　地热水中的水，按常规发电方法是不能直接送入汽轮机去做功的，必须以蒸汽状态输入汽轮机做功。目前对温度低于100℃的非饱和态地下热水发电，有两种方法：一是减压扩容法。利用抽真空装置，使进入扩容器的地下热水减压汽化，产生低于当地大气压力的扩容蒸汽然后将汽和水分离、排水、输汽充入汽轮机做功，这种系统称“闪蒸系统”。低压蒸汽的比容很大，因而使气轮机的单机容量受到很大的限制。但运行过程中比较安全。另一种是利用低沸点物质，如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟里昂等作为发电的中间工质，地下热水通过换热器加热，使低沸点物质迅速气化，利用所产生气体进入发电机做功，做功后的工质从汽轮机排入凝汽器，并在其中经冷却系统降温，又重新凝结成液态工质后再循环使用。这种方法称“中间工质法”，这种系统称“双流系统”或“双工质发电系统”。这种发电方式安全性较差，如果发电系统的封闭稍有泄漏，工质逸出后很容易发生事故。

　　20世纪90年代中期，以色列奥玛特（Ormat）公司把上述地热蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，设计出一个新的被命名为联合循环地热发电系统，该机组已经在世界一些国家安装运行，效果很好。

　　联合循环地热发电系统的最大优点是，可以适用于大于150℃的高温地热流体（包括热卤水）发电，经过一次发电后的流体，在并不低于120℃的工况下，再进入双工质发电系统，进行二次做功，这就是充分利用了地热流体的热能，既提高发电的效率，又能将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用，大大地节约了资源。

　　地热技术：高温地热资源的最佳利用方式是地热发电。200~400℃的地热可以直接用来发电。

　　蒸汽型地热发电

　　是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存在于较深的地层中，开采难度大，故其发展受到了限制。主要有背压式和凝气式两种发电系统。

　　热水型地热发电

　　1）闪蒸系统

　　当高压热水从热水井中抽至地面，由于压力降低部分热水沸腾并“闪蒸”成蒸气，蒸气送至汽轮机做功；而分离后的热水可继续利用后排出，当然最好是再回注入地层。

　　2）双循环系统

　　地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，使之沸腾而产生蒸气。蒸气进入汽轮机做功后进入凝汽器，再通过热交换器从而完成发电循环，地热水则从热交换器回流注入地下。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效的热交换器。

划分

　　离地球表面5000米深，15℃以上的岩石和液体的总含热量，据推算约为14.5×1025焦耳（J），约相当于4948万亿吨（t）标准煤的热量。地热来源主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。按照其储存形式，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。

　　地热资源按温度的划分。中国一般把高于150℃的称为高温地热，主要用于发电。低于此温度的叫中低温地热，通常直接用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等。截止1990年底，世界地热资源开发利用于发电的总装机容量为588万千瓦，地热水的中低温直接利用约相当于1137万千瓦。

分布

　　地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用相当广泛。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW·h。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。

　　据2010年世界地热大会统计，全世界共有78个国家正在开发利用地热技术，27个国家利用地热发电，总装机容量为10715MW，年发电量67246GW·h，平均利用系数72%。目前世界上最大的地热电站是美国的盖瑟尔斯地热电站，其第一台地热发电机组（11MW）于1960年启动，以后的10年中，2号（13MW）、3号（27MW）和4号（27MW）机组相续投入运行。20世纪70年代共投产9台机组，80年代以后又相续投产一大批机组，其中除13号机组容量为135MW外，其余多为110MW机组。我国的地热资源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。

　　世界地热资源主要分布于以下5个地热带：

　　①环太平洋地热带。世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界，即从美国的阿拉斯加、加利福尼亚到墨西哥、智利，从新西兰、印度尼西亚、菲律宾到中国沿海和日本。世界许多地热田都位于这个地热带，如美国的盖瑟斯地热田，墨西哥的普列托、新西兰的怀腊开、中国台湾的马槽和日本的松川、大岳等地热田。

　　②地中海、喜马拉雅地热带。欧亚板块与非洲、印度板块的碰撞边界，从意大利直至中国的滇藏。如意大利的拉德瑞罗地热田和中国西藏的羊八井及云南的腾冲地热田均属这个地热带。

　　③大西洋中脊地热带。大西洋板块的开裂部位，包括冰岛和亚速尔群岛的一些地热田。

　　④红海、亚丁湾、东非大裂谷地热带。包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田。

　　⑤其他地热区。除板块边界形成的地热带外，在板块内部靠近边界的部位，在一定的地质条件下也有高热流区，可以蕴藏一些中低温地热，如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平原的地热田。

人造热能

　　人造地热能EGS(EnhancedGeothermalSystems)是为了解决全球暖化对于干净能源的大量需求而逐渐成为21世纪显学的一种新方法，最初概念70年代已经提出但是一直没有受到重视，因为地热分布地区极为受限，于是有人提出采用深度钻孔技术于任何地方钻至靠近地底熔岩附近300度以上的区域，至少钻2井一井注入热水一井收回地热蒸气发电，如果成本允许钻更多回收井则可以减少散失蒸气；增加发电效能。虽然原理简单但是由于所需井深极深达5公里以上，又要通过许多坚硬花岗岩地壳，传统冲钻法需磨损数百具高价钻头成本太大，而地底状况难以掌握有可能钻出水汽不能流通的废井，加上地热在大众媒体关注不如太阳能和风力高，诸多因素使人不愿投资而停于实验阶段。

　　但是新兴科技例如水热钻机、等离子钻机的概念已经提出，钻井成本有望大幅下降，届时地热能不受位置和气候影响能提供24小时稳定基载电量的特性，建设时间、成本和大众疑虑又远低于核能；很有望成为最具竞争力绿色能源和全球暖化的解救方案。

利用

　　地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下：

　　1、200～400℃直接发电及综合利用；

　　2、150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；

　　3、100～150℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品；

　　4、50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；

　　5、20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。

　　现在许多国家为了提高地热利用率，而采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖等。

作用

　　地热发电

　　地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要装备庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。

　　（1）蒸汽型地热发电

　　蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制（参考《资源》栏目有关文章）。主要有背压式和凝汽式两种发电系统。

　　（2）热水型地热发电

　　热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统：a、闪蒸系统。闪蒸系统如图1所示。当高压热水从热水井中抽至地面，于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽轮机做功；而分离后的热水可继续利用后排出，当然最好是再回注人地层。b、双循环系统。双循环系统的流程如图2所示。地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器，再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注人地层。

　　地热供暖

　　将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。因为这种利用方式简单、经济性好，备受各国重视，特别是位于高寒地区的西方国家，其中冰岛开发利用得最好。该国早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今这一供热系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取7740t80℃的热水，供全市11万居民使用。由于没有高耸的烟囱，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。此外利用地热给工厂供热，如用作干燥谷物和食品的热源，用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿酒、制糖等生产过程的热源也是大有前途的。目前世界上最大两家地热应用工厂就是冰岛的硅藻土厂和新西兰的纸桨加工厂。我国利用地热供暖和供热水发展也非常迅速，在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。

　　地热务农

　　地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉农田，可使农作物早熟增产；利用地热水养鱼，在28℃水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率；利用地热建造温室，育秧、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等。将地热能直接用于农业在我国日益广泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面积大小不等的地热温室。各地还利用地热大力发展养殖业，如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏沼虾等。

　　地热行医

　　地热在医疗领域的应用有诱人的前景，目前热矿水就被视为一种宝贵的资源，世界各国都很珍惜。由于地热水从很深的地下提取到地面，除温度较高外，常含有一些特殊的化学元素，从而使它具有一定的医疗效果。如含碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱度；含铁矿泉水饮用后，可治疗缺铁贫血症；氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地貌条件，使温泉常常成为旅游胜地，吸引大批疗养者和旅游者。在日本就有1500多个温泉疗养院，每年吸引1亿人到这些疗养院休养。我国利用地热治疗疾病的历史悠久，含有各种矿物元素的温泉众多，因此充分发挥地热的医疗作用，发展温泉疗养行业是大有可为的。

　　未来随着与地热利用相关的高新技术的发展，将使人们能更精确地查明更多的地热资源；钻更深的钻井将地热从地层深处取出，因此地热利用也必将进入一个飞速发展的阶段。

　　地热能在应用中要注意地表的热应力承受能力，不能形成过大的覆盖率，这会对地表温度和环境产生不利的影响！

　　因此，需要我们充分计算！

发展预测

　　根据我国地热开发利用现状、资源潜力评估和国家、地区经济发展预测，地热产业规划目标、任务初期，中期，远期三个阶段。

　　长期目标与任务

　　1）高温地热发电装机达到75～100MW

　　主要藏滇高温地热勘探开发200～250℃以上深部热储。力争单井地热发电潜力达到10MW以上，单机发电10MW以上。

　　2．地热采暖达到2200~2500㎡

　　主要在北方京、津、冀地区，环渤海经济区、京九产业带、东北松辽盆地、陕中盆地、宁夏银川平原地区发展地热采暖、地热高科技农业，建立地热示范区。单井地热采暖工程力争达到15万㎡。

　　中期目标与任务

　　1．高温地热发电装机达到40~50MW

　　主要在西藏羊八井开发利用已有深部高温热储，使ZK4001地热井得以利用（温度250℃以上，发电10MW）；

　　积极建设西藏羊易地热电站，拟定装机12MW；

　　在滇西腾冲高温地热田力争完成250℃以上1~2口地热生产井施工，发电潜力12MW以上。

　　2．地热采暖达到1500万㎡

　　主要在京津冀，京九沿线的山东西部，松辽盆地的大庆地区建立地热示范区。

　　单井地热采暖达10~15万㎡，单个地热采暖区50~100万㎡。在已开发的地热田建立生产回灌系统。

　　初期目标与任务

　　1．高温地热发电

　　主要在羊八井地热电站，对现有地热发电装备进行完善、优化，稳发25MW；

　　力争利用ZK4001孔高温地热流体，增发、满发、达到总装机30MW；

　　努力完成滇西腾冲高温地热井施工，打出250℃地热流体，力争发电潜力达到12MW。

　　2．地热采暖达到950万㎡

　　主要在京津地区、京九沿线的山东西部，松辽盆地的大庆地区，完善、优化已有地热供热工程，选点建立示范区。

　　总之，至2010年地热开发利用总量：地热发电装机达到75~100MW，地热采暖达到2500㎡。热能利用总计约相当于1500万吨标煤当量。

　　存在的障碍

　　1．地热管理体制和开发利用工程、项目的适合市场经济的运行机制没有建立起来，旧的计划经济管理体制、运行机制还没有完成改变，影响地热产业快速健康发展；

　　2．地热资源的勘探、开发具有高投入、高风险和知识密集的新兴产业，化解风险的机制和社会保障制度尚未建立起来，影响投资者、开发者的信心、影响了地热产业发展；

　　3．系统的技术规程、规范和技术标准尚不健全和完善。

可持续性

　　岩浆/火山的地热活动的典型寿命从最低5000年到100万年以上。这么长的寿命使地热源成为一种再生能源。此外，地热库的天然补充率从几兆瓦到1000兆瓦(热)以上。人类第一次用地热水发电是在1904年意大利的拖斯卡纳。1958年新西兰的北岛开始用地热源发电(2013年为212兆瓦)；美国加州的喷泉热田，从1960年就开始发电，目前的输出功率为1300兆瓦。显然，地热资源能够可靠、安全和可持续性地运行。地热生产的可持续性也可从存在于热库岩石(含热量85%～95%)中的热源判断。在美国加州的喷泉热田，热含量保守估计至少相当于燃烧280亿桶石油或62亿短顿(1短顿=907公斤)煤所得的能量。

现状

　　在各种可再生能源的应用中，地热能显得较为低调，人们更多地关注来自太空的太阳能量，却忽略了地球本身赋予人类的丰富资源，地热能将有可能成为未来能源的重要组成部分。

　　相对于太阳能和风能的不稳定性，地热能是较为可靠的可再生能源，这让人们相信地热能可以作为煤炭、天然气和核能的最佳替代能源。另外，地热能确实是较为理想的清洁能源，能源蕴藏丰富并且在使用过程中不会产生温室气体，对地球环境不产生危害。

　　目前，美国的地热能使用仅占全国能源组成的0.5%。据麻省理工学院的一份报告指出，美国现有的地热系统每年只采集约3000兆瓦能量，而保守估计，可开采的地热资源达到10万兆瓦。相关专家指出，倘若给与地热能源相应的关注和支持，在未来几年内，地热能很有可能成为与太阳能、风能等量齐观的新能源。和其他可再生能源起步阶段一样，地热能形成产业的过程中面临的最大问题来自于技术和资金。地热产业属于资本密集型行业，从投资到收益的过程较为漫长，一般来说较难吸引到商业投资。可再生能源的发展一般能够得到政府优惠政策的支持，例如税收减免、政府补贴以及获得优先贷款的权力。在相关优惠政策的指引下，投资者们将更有兴趣对地热项目进行投资建设。

　　地热能的利用在技术层面上有待发展的主要是对于开采点的准确勘测，以及对地热蕴藏量的预测。由于一次钻探的成本较高，找到合适的开采点对于地热项目的投资建设至关重要。现在，地热产业采取引进石油、天然气等常规能源勘测设备，为地热能寻找准确的开采点。

　　世界其他国家和地区也在为地热能的发展提供更多的便利和支持。全球大约40多个国家已经将地热能发展列入议程，预计到2010年，全球地热资源的利用将比现在提升50%。用可分为地热发电和直接利用两大类。地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔岩浆和放射性物质的衰变。地热能是指其储量比目前人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用相当广泛。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW.h。不过，地热能分布集中，开发难度大。

环境影响

　　（1）地热蒸汽的温度和压力都不如火力发电高，因此地热利用率低，像盖塞斯的老发电机组的热效率只有14.3%，以致冷却水用量多于普通电站，热污染也比较严重。

　　（2）地热电站也可利用冷却塔将余热释放到大气中，以避免上述的热污染。冷却塔的补充水来源于蒸汽本身，因此不需要外来水源。地热蒸汽在通过汽轮机之前，先进入离心分离器，除去岩粒和灰尘，然后冷凝成温水，在通过冷却塔，使其中75%—80%转变为蒸汽，余下的冷却水返回冷凝器利用。过剩的冷却水由于积累了硼﹑氨等污染物，应排注地下，而不应该排注水体。这虽然解决了污染问题，但有可能引发地震；不过也可能因陆续注入而使岩层逐渐滑动，反而缓慢的解除积压，以致避免地震的突发。到底结果如何，必须进行严密监测。

　　（3）从冷却塔派出的废蒸汽和废水中可能含有H₂S等有毒气体，应予重视并及时加以处理，以免污染厂区附近的空气。

　　（4）地热属于再生比较慢的一种资源。地热蒸汽产区只能利用一段时间，其长短难于估计，可能在30—3000a之间。由于取用的水多于回注的水，利用地热发电，最后可能会引起地面沉降，这一点须加以注意。

实际价值

　　中国利用地热发电还刚刚开始，近年来一些地方只是利用地下热水建立小型发电站，取得成功，这是地热应用的一个良好开端。我国已经发现的地热温度较低，品味差，用来取暖及供热应当更合适。以北京的地热田为例，它属于低温热水类，深埋在400—2500m之间，温度在38—70℃范围内。据粗略估计，进来用于染织﹑空调﹑养鱼﹑取暖﹑医疗和洗浴等方面，效果良好，每年可节约煤炭4300t。

　　地热应用对环境实际价值的举例：

　　（1）由于使用地热能源，Reykjivak(位于冰岛)是世界上最洁净的首都，烟囱中没有烟的排放。用污染型的化石燃料已经被消除了，用地热取代煤和石油进行加热可减少大量CO₂的排放。目前，爱尔兰几乎90%的房屋使用地热水进行加热，和燃烧化石燃料相比，在爱尔兰地热应用每年能减少大约200million吨CO₂。2004年爱尔兰CO₂总排放量2.8million吨。另外许多国家由于使用地热能源也明显减少了二氧化碳的排放。

　　（2）另一个用地热水取代化石燃料的好例子就是Galanta，Slovakia.9，000GJ/yr的天然气热生产区域加热系统已经被修改了。天然气由富含碳酸盐的地热水所取代。取代的结果是每年能减少5000吨二氧化碳的排放。