地熱能作為一種非碳基、清潔能源，具有穩(wěn)定連續(xù)輸出的優(yōu)勢，對實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”的發(fā)展目標具有重要價值。本文在綜述全球地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎上，從地熱資源分布、地熱發(fā)電利用、地熱直接利用和地熱儲能等方面入手，對全球地熱能開發(fā)利用的發(fā)展趨勢和新技術研發(fā)方向進行了梳理。在總結全球地熱開發(fā)利用經(jīng)驗的同時，針對中國現(xiàn)有地熱能開發(fā)利用的問題與技術水平，提出有利于推動和促進中國地熱能開發(fā)利用的政策建議和未來的發(fā)展方向。
來自地球內部的本土能源的地熱能是一種潔凈的可再生能源。與風能、太陽能等可再生能源相比較，地熱能的最大優(yōu)勢在于能量的穩(wěn)定連續(xù)輸出，國際可再生能源組織(IRENA)《可再生能源發(fā)電成本》報告顯示，2007—2021年，地熱發(fā)電的能源利用系數(shù)在70%~90%。“十四五”時期是中國推動經(jīng)濟高質量發(fā)展和實現(xiàn)“雙碳”階段性目標的關鍵時期，在加強大氣霧霾治理力度、積極應對全球氣候變暖趨勢、主動承擔溫室氣體減排責任的大環(huán)境下，地熱能已成為各地爭相開發(fā)利用的重要新能源之一。
自2010年以來，全球地熱能利用快速增長，地熱直接利用裝機容量和年利用熱量分別約為108GWt和283580GWh，中國在地熱直接利用方面長期保持世界第一。地源熱泵系統(tǒng)在全球地熱直接利用的裝機容量和利用熱量中占比分別約為72%和60%。1995—2020年，熱泵系統(tǒng)呈現(xiàn)每年約16%增長率的指數(shù)增長趨勢，預計這一趨勢將在未來持續(xù)下去。截止到2020年，全球地熱發(fā)電的總裝機容量為15.9GWe，年發(fā)電量為73550GWh。2010—2020年，地熱發(fā)電的年平均增長率約為4%。
本文在綜述全球地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎上，從地熱資源分布、地熱發(fā)電利用、地熱直接利用和地熱儲能等方面入手，對全球地熱能開發(fā)利用的發(fā)展趨勢和新技術研發(fā)方向進行了梳理。在總結全球地熱開發(fā)利用經(jīng)驗的同時，針對中國現(xiàn)有地熱能開發(fā)利用的問題與技術水平，提出有利于推動和促進中國地熱能開發(fā)利用的政策建議和未來的發(fā)展方向。
地熱資源分布
全球地熱資源總量豐富，但空間分布上極不平衡。高溫地熱資源主要分布在離散板塊邊界和匯聚板塊邊界，高溫地熱資源分布總體受地球的構造—熱背景控制，空間分布上與全球板塊邊界、地震帶、火山帶具有相關性，最為顯著的特征是熱流高、高溫水熱活動強烈、活火山與地震活動頻繁。4個全球性的高溫地熱帶是：環(huán)太平洋帶、大西洋中脊帶、東非裂谷帶、地中海—喜馬拉雅帶(圖1);而中—低溫地熱資源則廣泛分布在板塊內部，主要分布于造山帶及山間盆地和中-新生代沉積盆地，圖1為全球地熱帶分布圖。
圖1 全球地熱帶分布
環(huán)太平洋地熱帶是全球分布范圍最廣的一個地熱帶，沿太平洋板塊與美洲板塊、歐亞板塊的俯沖/碰撞邊界展布。最為顯著的特征是高熱流、年輕造山活動和頻繁活火山活動。按照地理分布進一步分為東太平洋中脊、西太平洋島弧和東南太平洋縫合線3個地熱亞帶。儲層溫度一般在250~300℃，代表性的地熱田有美國蓋瑟斯(288℃)、墨西哥塞羅普列托(388℃)、中國臺灣大屯(293℃)、日本松川(250℃)以及菲律賓巴克曼(300℃)等。但需要特別指出的是，中國大陸東部地區(qū)并不屬于環(huán)太平洋地熱帶，因此，中國大陸東部高溫地熱勘探應該遵循板內地熱成因理論，而非板緣地熱成因理論。
地中海—喜馬拉雅地熱帶由特提斯縫合帶組成，位于歐亞板塊與非洲板塊及印度洋板塊碰撞的接合地帶，以地殼增厚、年輕造山運動、現(xiàn)代火山作用、巖漿侵入以及高熱流等為特征。熱儲溫度一般在150~300℃，代表性的地熱田有中國羊八井(262℃)、羊易(192℃)、騰沖(250℃)、康定(180℃)、意大利拉德瑞羅(245℃)以及土耳其克澤爾代爾(200℃)等。
大西洋中脊地熱帶大部分在洋底，出露海面的部分呈南北向展布。熱儲溫度一般為200~300℃，代表性的地熱田有冰島亨伊爾(230℃)、雷克雅未克(286℃)、納馬菲雅爾(280℃)等。
東非裂谷地熱帶主體位于非洲板塊內，沿大陸裂谷系展布，北端為紅海-亞丁灣洋中脊擴張帶。以高熱流、強烈現(xiàn)代火山作用以及廣泛斷裂活動為特征。熱儲溫度多高于200℃，代表性的地熱田有埃塞俄比亞達洛爾(>200℃)和肯尼亞奧爾卡利亞(287℃)。
隨著近些年地熱資源勘探的進行，除了以上在板塊邊界部位形成的高溫地熱田外，在板塊內部也新發(fā)現(xiàn)了諸多的高溫地熱田，代表性的有青藏高原東北緣的共和盆地(>200℃)、德國蘭道(>160℃)和澳大利庫珀盆地(>200℃)等。
地熱發(fā)電利用
地熱發(fā)電是地熱能最主要的利用方式之一。目前，主流的地熱發(fā)電技術包括背壓式發(fā)電、凝汽式發(fā)電、閃蒸發(fā)電、雙工質發(fā)電、全流發(fā)電、閃蒸雙工質發(fā)電等，采用何種發(fā)電方式主要取決于當?shù)氐責豳Y源的稟賦。地熱發(fā)電已有百年歷史，1904年，在意大利托斯卡納拉德瑞羅第一次利用地熱驅動小型發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電功率為0.55kW，可提供5個100W的電燈照明用電。1913年，在該地熱田建成了全球第一座地熱電站，裝機容量250kW。1958年，新西蘭建成了懷拉基地熱發(fā)電廠，為第一個熱水型擴容閃蒸式地熱電站。1960年，美國第一座裝機量11MW的地熱電站在加利福尼亞州蓋瑟斯地熱田建成，順利運行長達30年之久。根據(jù)國際可再生能源組織(IRNEA)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底，全球地熱能發(fā)電總裝機容量15644MW，較2015年新增裝機容量3832MW(圖2)，全球用于地熱發(fā)電的主要是中高溫地熱資源。
圖2 全球地熱發(fā)電裝機容量趨勢
中國高溫地熱資源主要分布在西藏地區(qū)。1977年，中國第一座兆瓦級高溫地熱電站在西藏羊八井發(fā)電成功，羊八井地熱電站的裝機容量最高時達到了27.18MW。2018年底，西藏羊易地熱電站完成一期16MW建設，2019年2月底完成滿負荷并網(wǎng)發(fā)電。截至目前，中國累計建成的地熱發(fā)電裝機容量約為59.6MW，然而，由于各種原因目前實際運行的不足20MW。
由于可開采高溫地熱資源需進一步探明以及干熱巖發(fā)電的關鍵技術仍有待突破，中低溫地熱發(fā)電有望成為未來地熱發(fā)電發(fā)展的一個重要方向，但中低溫地熱發(fā)電應與其他地熱利用方式相結合，以提高能源的利用效率和經(jīng)濟性。冰島將116℃的地熱用于發(fā)電，裝機容量0.6MW，發(fā)電后產(chǎn)生的76℃的尾水再用于供暖，實現(xiàn)地熱資源的梯級利用。美國在阿拉斯加建成的切納地熱電站，利用74℃的地熱水進行發(fā)電，地熱水流入有機朗肯循環(huán)發(fā)電機組的蒸發(fā)器，與蒸發(fā)器中的有機工質換熱，降低至54℃流入回灌井，機組可以提供250kW的電力。日本利用中低溫地熱建成了裝機規(guī)模在100kW~5MW的ORC電站。20世紀70年代，在中國廣東豐順縣建成的國內首座地熱電站，其利用的地熱水溫度為92℃，其3號機組連續(xù)運行了近40年，江西宜春曾經(jīng)創(chuàng)造了利用67℃地熱水進行發(fā)電的先例。
地熱直接利用
地熱能直接利用包括地熱供暖、地熱制冷、地熱干燥、溫泉洗浴和地源熱泵等。經(jīng)過長期的發(fā)展，地熱資源的直接利用已經(jīng)從小范圍單一用途利用，逐步演化為大規(guī)模綜合利用工程。目前，全球約有80多個國家直接將地熱能用于建筑供暖(或制冷)，或用于工農(nóng)業(yè)。其中，冰島是眾所周知的地熱能高效開發(fā)利用的典范。雖然緊臨北極圈、全年低溫，但憑借豐富的地熱資源，全國有90%以上的家庭用地熱供暖。冰島首都雷克雅未克市的地熱供暖已有百年的歷史，市區(qū)主要采用地熱供暖，具有“無煙城”的美譽。據(jù)2020年世界低熱大會統(tǒng)計，2019年底，世界范圍內88個國家的地熱資源直接利用總裝機容量為107727MWt(圖3能量使用約為1020887TJ/年(283580GWh/年)。各種地熱直接利用方式的裝機容量變化趨勢及分布情況，如表1所示，可以看出，各種地熱資源直接利用方式的裝機容量均有顯著的增長，尤其是地源熱泵增長十分迅速。隨著地源熱泵受到越來越多的重視，地熱資源應用的區(qū)域和規(guī)模不斷擴大。
圖3 地熱直接利用能量對比圖
表1 各種地熱直接利用方式的裝機容量(單位：MWt)
地熱綜合梯級利用無疑提高了地熱資源的利用率和經(jīng)濟效益，許多國家已經(jīng)開始紛紛采用這一技術，肯尼亞近年來在地熱發(fā)電方面發(fā)展很快，而其在地熱直接利用上也很有特色，肯尼亞Eburru項目利用2口淺層井中產(chǎn)出的地熱資源依次用于干燥農(nóng)產(chǎn)品、溫室加熱、家禽孵化等，另外，冰島、奧地利、德國等也有相關的地熱梯級利用項目。1995年首次世界地熱大會以來，中國地熱直接利用的熱量一直穩(wěn)居世界第1位。2014年底，中國地熱直接利用發(fā)生了可喜的變化，地熱供暖比例首次超過溫泉洗浴。2019年底，中國地熱直接利用裝機規(guī)模40610MW，占世界總裝機的37.7%，年利用能量443492TJ/年，占世界總利用能量的43.4%。地熱供暖是除地源熱泵之外中國最重要的地熱利用方式，年利用熱量約占世界總量的55.6%。1990年，全國地熱供暖面積僅190萬m2，2000年為1100萬m2，2019年達到了4.78億m2。2019年，河北省水熱型地熱供暖面積達到1.6億m2，而雄縣也被打造成地熱供暖的“無煙城”。在“雙碳”目標的引領下，可以預見地熱資源開發(fā)利用的速度將不斷加快。
地熱儲能利用
地熱儲能是一種利用地下含水層作為介質以存儲熱能的儲能系統(tǒng)。它通過地下水井從含水層中注入和抽取地下水，實現(xiàn)熱能儲存和回收(圖4)。地熱儲能可以彌補能源供需在時間/空間分布的不平衡，能夠綜合利用多種可再生能源形式，減少對礦物燃料的依賴，為節(jié)能減排和環(huán)境保護提供了一個很好的解決途徑，也是助力中國實現(xiàn)“雙碳”目標的有力手段。
圖4 地熱儲能模式概念
根據(jù)含水層深度，可將地熱儲能系統(tǒng)分為如下2類：(1)淺部地熱儲能，含水層深度在500m以淺，存儲熱水溫度一般低于50℃;(2)深部地熱儲能，含水層深度通常在500m以深，存儲熱水溫度一般在50~150℃。
淺部地熱儲能因溫度較低，其最主要的利用方式是建筑的供暖和制冷。國際上對淺部地熱儲能系統(tǒng)的實際利用始于20世紀中葉。中國在利用淺部地下含水層進行儲熱方面的實踐開展較早，20世紀60年代，上海開展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲熱技術。截至目前，中國共有6座淺層地熱儲能系統(tǒng)已建成并投入使用。近年來，隨著新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，淺部地熱儲能的利用方式也更加多元化。目前在溫室農(nóng)業(yè)和大型數(shù)據(jù)中心，都有利用淺部地熱儲能的實際案例。
深部地熱儲能可儲溫度較高，有的甚至超過100℃，主要可用于發(fā)電和供暖。深部地熱儲能研究和利用始于20世紀80近年代，近年來，隨著能源需求日益增長，深部地熱儲能技術又重新受到重視，關于深部地熱儲能技術的研究和工程實踐也越來越多。2018年，歐盟資助了地下儲熱項目HEATSTORE，總投資達到5000萬歐元，9個國家參與(德國、法國、荷蘭、瑞士、比利時、丹麥、冰島等)，項目為期5年(2018—2022年)，共資助6個地下儲熱示范項目，其中包括3個深部地熱儲能項目。另外，美國國家科學基金會(NSF)資助的儲熱項目Geothermal Battery，總投資1000萬美元，由猶他大學牽頭，愛達荷國家實驗室聯(lián)合多家企業(yè)參與其中。中國在深部地熱儲能方向的研究開展較晚，當前以中國科學院地熱團隊為主體承擔的深層含水層地下儲熱研究已從理論模型研究進入到技術研發(fā)和示范工程建設階段。
地熱儲作為巨大的天然能源儲庫，最適宜在多能互補系統(tǒng)中承擔蓄能和實現(xiàn)熱能穩(wěn)定輸出的功能，可以把風能、太陽能等可再生能源儲蓄起來，實現(xiàn)高效規(guī)?；缂竟?jié)儲能利用，提高可再生能源的利用效率并克服可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性等缺點，可以加快中國能源結構的調整，助力實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”發(fā)展目標。據(jù)研究表明，通過對荷蘭74個淺部地熱儲能系統(tǒng)的調查顯示，從系統(tǒng)中每開采1m3的地下水，可以實現(xiàn)平均CO2減排量為0.46kg。這對于一個小規(guī)模地熱儲能系統(tǒng)(功率在0.1~3MW)來說相當于每年可以減少150t/a的CO2排放，而對于一個大規(guī)模系統(tǒng)(功率達到5~30MW)來說每年碳減排多達1500t/a。相比之下，地源熱泵(GSHP)系統(tǒng)的平均CO2減排量在1.8~4.0t/a。據(jù)報道，埃因霍溫(荷蘭)科技大學校園內全球最大的淺部地熱儲能系統(tǒng)每年可減排超過13000t的CO2，這相當于800名美國公民或1300名德國公民的年平均碳排放。
同時，在一定條件下，地熱儲能系統(tǒng)與普通地熱系統(tǒng)相比，具有更為顯著的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。典型地熱儲能系統(tǒng)的投資回報時間僅為2~10a。用于制冷的地熱儲能系統(tǒng)投資回報時間甚至更短，因為儲存的冷量可以直接使用，不需要借助熱泵。據(jù)研究報道表明，地熱儲能系統(tǒng)平均使用壽命可達到25~50a。
結論
目前，全球的淺層地熱資源均通過地熱泵技術進行開發(fā)利用，該技術是全球發(fā)展最快的可再生能源技術之一，也是地熱利用技術中發(fā)展最快的部分。它們的增長速度驚人，呈指數(shù)級增長。深部地熱資源可以直接利用，例如區(qū)域供暖、沐浴和游泳/保健、工業(yè)、農(nóng)業(yè)(尤其是溫室)和水產(chǎn)養(yǎng)殖。深部地熱能的高效規(guī)?；_發(fā)利用已經(jīng)在北方地區(qū)冬季清潔供暖以及緩解大氣霧霾中發(fā)揮了重要作用，地熱供暖技術已趨于成熟。深部高溫水熱系統(tǒng)只存在特定的地質構造環(huán)境中，相對稀缺，嚴重制約高溫地熱發(fā)電的增長。因此，在有條件的地區(qū)發(fā)展各種地熱直接利用技術，采用綜合梯級利用提高地熱資源利用效率。
雖然地球是一個龐大的熱庫，但地熱資源分布極不均勻。往往在有需求的地區(qū)沒有足夠的可開采的地熱資源，在需求量較小的地區(qū)地熱資源非常豐富。另外，中國西北、東北、華北的部分地區(qū)均見有棄風、棄光現(xiàn)象，有些地區(qū)棄風率高達50%以上，除此以外，工業(yè)余熱、核能余熱等其他形式的熱量均可以存儲在地球介質中，實現(xiàn)高效規(guī)?；缂竟?jié)儲能。因此，如何將這些廢棄的能量儲存起來并加以充分利用，是擺在地熱界以至整個新能源和可再生能源界的大問題。事實上，規(guī)模化跨季節(jié)儲能是能源行業(yè)的重大科學問題，當前可利用方式主要為抽水蓄能，但抽水蓄能面臨能源利用效率低、場地要求高等難題，亟需探索新的規(guī)?；瘍δ芗夹g，而地熱儲能提供了極大的可能性。
來源：科技導報 作者：汪集暘 中國科學院院士
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