地热资源开发利用模式探讨

2023-11-07杜境然徐子君朱昕鑫王任博许真瑞

大众标准化 2023年19期

杜境然，王哲，李富，徐子君，朱昕鑫，王任博，许真瑞

（1.北京市地热调查所，北京 102218；2.自然资源部浅层地热能重点实验室，北京 102218；3.北京市华清地热开发集团有限公司，北京 102218）

地热能是从地壳位置抽取的一种天然能源，是一种由热力形式散发出来的能量。这种能量可以说是地球诞生之初就存在的，规模数量庞大，是火山爆发、地震等自然灾害发生的主要原因。在全球能源危机的大背景下，新能源是众多国家科技发展的重要课题。地热能作为一种纯天然的清洁能源，也成为了能源研究的新方向。合理应用地热能源，可以缓解当前国家石油、煤炭等传统能源紧缺的问题，同时也可以作为产业升级转型的契机。结合可持续发展需求，探索地热能源开发利用技术就显得十分重要。

1 地热资源开发利用的战略意义

地球地心温度最高可以达到7 000 ℃，极高的温度也代表了其中蕴含极大的能量，但是由于温度过高，人类当前的科技很难直接应用。但是在地下80～100 km的深度，温度会逐渐降到600～1 200 ℃，借助地下水、熔岩流动，这些热能会被传递离地面较近的地壳层，这也使得开发利用地热能成为了可能。其实人类在古代时就已经尝试利用地热能了，如借助温泉沐浴、采集地下热水来取暖、通过区域特性建造温室、进行水产养殖等。

地热能多数来源于地球深处的可再生热能，借助地下水循环及熔岩流动，将热量传递到近地面。地热储量十分庞大，且是清洁能源，如果合理提取，可以产生源源不断的热能。在能源危机和环保意识增强的情况下，地热能这种清洁能源也备受人们关注。相较于太阳能、风能等新能源，地热能的优势在于其稳定性和连续性。联合国发布的世界能源报告文件中也提到关于可再生能源的研究对比，地热发电的可利用系数达到了70%左右，明显高于太阳能、风能的25%左右利用率，同时地热能用来提供冷、热负荷也较为稳定。我国发展地热能对社会经济发展具有重要战略意义。

（1）可以应用到建筑节能方面，浅层产生的地热能，可以通过地源热泵技术来进行转换。通过在地热能丰富的地区建设，可以一定程度上替代传统的市政供暖系统，成为冬季供暖的来源。如东北地区由于冬季供暖以火电厂烧煤为主，造成严重空气、水源污染，如果能合理应用地热能，显然能有效缓解环境污染。

（2）从分布式发电角度来看，有条件的地区可以借助高温水热型地热资源来采集能量，建设分布性地热能源电站，可以减少石油、煤炭资源的使用量以及依赖性。我国幅员辽阔，可以开发利用的地热能区域较多，合理开发可以有效带动我国能源科技和经济的发展。

（3）目前我国虽然在大力发展地热能等新型能源，但是总体的利用效率并不高。因为借助地热能来制热、制冷、建设地源热泵等技术对温度的要求都有差异。如果借助地热资源，可以有效推动技术融合发展，提高资源利用率。地区通过发展地热梯级利用技术，可以优化当地产业布局，形成新型能源供应链，对调整国家总体能源结构，带动经济发展都有着积极影响。

2 地热能源分布及应用潜力

我国地理面积广袤，地热资源也相当丰富。地球内部的地热资源大多数都集中在构造活动带和盆地当中。分析国内地质、水文、城市、地热地质等信息，国土资源局也对地热能源的潜力进行新的评价。我国浅层土地中的地热能源相当于100亿吨的标准煤。而通过转换以后每年可以利用的地热能源相当于4亿吨左右的标准煤。如果通过合理的开发利用，就可以为国家每年节约大概2.5亿吨标准煤，极大减少二氧化碳、化工污水、废料残渣的排放；而国内沉积盆地的地热资源储量相当于8 500亿吨，可以利用的地热资源相当于6亿吨标准煤。如果再深入地层3～10 km，地热资源更加丰富。

比如中西部地区、西南地区的地热能较多，集中在西藏、云南、四川盆地等区域，这些地区的面积较广，人口密度较小，即使大量建设地热发电站，对当地民众的影响也不会很大，而且面积大也便于电力输送，可以缓解中西部区域的用电压力。而东南沿海地区因为平均气温高，夏季时间长，每年制冷能耗较大，可以借助华北盆地、江汉盆地区域的地热能来进行制冷。东北地区的地热能也较为丰富，通过发展地源热泵技术，建设地热能源站，可以缓解东北地区冬季供暖的压力。东北地区冬季供暖主要依靠火电厂燃煤供暖，冬季空气污染严重，通过发展地热能，对缓解空气污染有着良好帮助。

3 我国地热能技术研究及应用现状

随着我国中西部地区战略开发任务的持续推进，中西部地区的地热能源建设工作也在有条不紊地进行，并取得了一些成效，比如在地热发电、采暖、温室种植、医疗建设、温泉旅游等方面都在陆续建设。我国对地热能的利用方面，如热力泵、热处理技术、双流体循环发电设备发电等技术，这类地热能的技术应用开发已经逐渐走向成熟，今后还会逐步研究如何从岩浆、地热增压资源中获取地热能，这些技术研究增大了地热资源的应用潜力。当然国内在地热能勘探、提取技术方面还需要进一步深入研究。

3.1 地热发电技术

地热资源是一种统称，其实地热资源种类是比较多的，这也导致地热能源转换、发电的方式有很多种，且有一定的差异。比如温度较高的一些蒸汽热田地中，一般会借助蒸汽能量来进行发电；而一些中温热水型地热田，目前会采用扩容发电或者是双工质的方式来进行发电转换。近年来，双工质发电技术是国际上较为先进的一种方式，装机数量较多的有美国、印度尼西亚、菲律宾等，我国虽然也在持续推进，但近年来地热装机容量的整体进展还不太明显。当前广泛应用的双工质循环技术主要是采用了ORC循环技术，后来kalina循环也逐渐被应用到双工质发电系统建设当中，欧美地区在建设地热电站时也陆续采用的这种循环方式。采用kalina循环可以让能量在循环过程中，让热源和冷源有一个较好的循环匹配关系，优点在于提升了能量循环效率。

（1）干蒸汽发电。地热发电中，干蒸汽发电站是技术最为简单，也是最早的设计。当然现在这种类型的发电站已经十分少见，因为在技术方面需要使用一种可以产生干蒸汽的资源。干蒸汽发电直接使用150 ℃以上的地热蒸汽来驱动涡轮机，通过涡轮旋转来驱动发电机产生电力能源。过程中产生的蒸汽被排放到冷凝器中，形成冷却水，最后沿着输送管道流动回深井，等待之后的循环利用。

（2）闪蒸发电。闪蒸发电是利用高压热水导入低压罐子，然后借助其中产的闪蒸蒸汽来驱动涡轮机。过程中的流体温度需要达到180 ℃以上。目前作为广泛应用的地热发电站，技术要求较高。

3.2 地热直接利用技术

目前在地热能源的直接应用方面，地源热泵技术是最为广泛的。地源热泵技术最早被瑞士发现，20世纪中叶被逐步重视起来，尤其到了20世纪末期，能源危机、环境污染问题逐渐严重，世界各国越发重视起地热这种清洁能源。对地源热泵技术的研究和应用，当前国际上应用较多的地区在欧洲、北美等国家，技术已经比较成熟。如奥地利、丹麦等国家，地源热泵技术在居民供暖方面的应用已经占据较大比例。地热能的应用在于制冷、制热方面，制冷是通过利用高温地热水来驱动制冷系统，然后制成温度在7 ℃左右的冷冻水用于制冷。不过目前来看地热制冷的需求占比并不高，且地热制冷技术还比较薄弱，能源利用率并不高，尤其是我国的广东、福建等地区对制冷要求较高，地热制冷显然还达不到要求。

3.3 高温、中低温地热能发电

我国采用高温地热能发电的地区，主要集中在羊八井、那曲、云南腾冲等地区。但是目前来看，运行情况较为良好的只有羊八井地热电站，其他地区的地热电站都因为效率、技术、维护成本等因素陆续停运。西藏的羊八井地热电站目前运行较为稳定，且能获得一定的效益。羊八井属于地热蒸气田，区域内有数十个地热显示区，借助沸腾的热泉水，地下喷气孔等能量来进行发电。羊八井从建设到如今已经经过了40余年，平均每年的运行时间达到了6 000 h以上，年均发电量也达到了1.2亿度，为当地的电力能源供给提供了良好支持。而且羊八井借助区域优势，还建设了地热温室来进行种植，为当地提供新鲜蔬菜。

我国中低温地热发电站建设大多数集中在20世纪70年代，建设区域分布在广东、江西、湖南、山东、辽宁等地区，主要是利用100 ℃以下的中低温地热流体来进行发电，装机容量并不大，基本都在300 kW左右。经过了几十年的运行，上述地区的中低温地热发电站基本都已停运。虽然这些地热发电站建设运行时间并不长，装机容量也较小，但是建设工作都是当时科研工作者通过因地制宜总结的科学成果，总结下来的建设经验也能够为我国今后的地热能源技术发展提供参考。

4 我国地热能发展应用前景思考

总的来看，当前地热能技术发展，主要面临的问题在于资金投入不足，技术研发遇到瓶颈，所以导致整体的发展速度较为缓慢。现在对地热资源的开发利用还多数集中在地热供暖、沐浴、温室养殖等方面，而在地热制冷、地热发电等领域的技术研究一直没有较大的突破。

因此要解决地热技术停滞不前的问题，首先还需要重视地热资源的勘探，同时加大市场推广力度，吸引更多资本力量进入来解决资金问题。通过让市场投资者认识到地热资源的发展前景，才能得到更多支持来推动技术研发，打破当前的技术瓶颈；然后重点是需要突破当前地热制冷、供暖、发电领域的技术瓶颈，改变地热技术较为落后的问题。只有不断提高地热资源的利用率，才能让地热资源在经济、社会发展中发挥出更大作用。

4.1 大力发展高温地热发电

从当前的地热资源储备区域和分布情况来看，我国的地热资源优势较大，在地热资源开发过程中，通过因地制宜、合理建设，就可以带来一定成果。比如在中西部、西南地区，通过建设地热发电站。东北、华北地区建设地热供暖。沿海地区建设地热制冷等。结合地区特点发展地热梯级技术，建设大规模地源热泵来提升地热资源利用率。我国150 ℃以上的高温温泉区域超过了100处，都可以进行合理建设。高温地区的热蒸汽可以主要用作发电，在发电过程中产生的地热尾水还可以通过建设输水管道来为建筑供暖，可以实现高温地热发电到尾水供暖的梯级应用，显然应用得当可以在经济、环保方面取得良好效益。目前西藏地区在高温地热建设方面有着良好优势，同时也有羊八井的成功建设经验。所以要打破地热能资源丰富但是利用率不高的现状，通过不断开发羊八井等区域的热能，深入研究地热发电站的技术，加快高温地热区域的建设开发，以此来逐步带动中西部、西南地区的地热能源开发。

4.2 逐步改进中低温地热发电技术

虽然早年建设的中低温地热发电站多已停运，但是也证明了中低温地热发电的可行性，未来的开发利用模式，就是进一步研究中低温地热发电技术，让其在经济层面更加有竞争力。太阳能光伏发电目前是10万元装机1 kW，年运行2 000 h，而中低温地热发电1万元装机1 kW，年运行6 000 h，具备一定的优势。只需要进一步研究能量转换效率，以及优化机器维护成本，从长远角度来看，显然更具有优势。

4.3 通过建设中低温地热发电，优化能源结构

矿山、燃煤、油田生产中排放的80 ℃以上的废水，可以采用双流体系统来发电，物尽其用。在油气田生产过程中，伴生的中低温地热资源总量也很大，如果合理利用也能给地热能源建设带来机遇。如当前很多油田区域会注水采油，含水率较高。地热发电成本的前期投资在于凿井费用，如果借助油气田的井口，就可以节省一部分的打井费用。所以今后地热开发利用的一个方向，可以思考借助油气田来建设中低温地热发电站。

4.4 重视政策支持和技术推广

虽然政策对地热技术开发有一定倾斜，但是缺少具体的支持措施，让市场资本都处于观望状态。政府层面只有将政策落到实处，比如像太阳能、风能发电，明确具体的补贴力度，或者明确具有一定收益的电价，才能吸引更多资本，促进地热产业的发展。

技术推广层面，还需要进一步加强科研机构与供热企业的合作，重视对供电系统的研究和优化，然后发展地源热泵技术来进行大区域供热系统示范工程，最终的应用范围可以集中在城镇居民冬季供暖，农业领域的温室建设和种植养殖；而高温热泵技术，要大力发展热泵系统技术，重视高温热泵机组模块化研究，通过将高温热泵机组进行模块化生产、建设，才能进一步推动地源热泵技术在市场上推广，并应用到工业节能方面。