地熱資源開發利用模式探討

杜境然，王 哲，李 富，徐子君，朱昕鑫，王任博，許真瑞

（1.北京市地熱調查所，北京 102218；2.自然資源部淺層地熱能重點實驗室，北京 102218；3.北京市華清地熱開發集團有限公司，北京 102218）

地熱能是從地殼位置抽取的一種天然能源，是一種由熱力形式散發出來的能量。這種能量可以說是地球誕生之初就存在的，規模數量龐大，是火山爆發、地震等自然災害發生的主要原因。在全球能源危機的大背景下，新能源是眾多國家科技發展的重要課題。地熱能作為一種純天然的清潔能源，也成為了能源研究的新方向。合理應用地熱能源，可以緩解當前國家石油、煤炭等傳統能源緊缺的問題，同時也可以作為產業升級轉型的契機。結合可持續發展需求，探索地熱能源開發利用技術就顯得十分重要。

1 地熱資源開發利用的戰略意義

地球地心溫度最高可以達到7 000 ℃，極高的溫度也代表了其中蘊含極大的能量，但是由于溫度過高，人類當前的科技很難直接應用。但是在地下80～100 km的深度，溫度會逐漸降到600～1 200 ℃，借助地下水、熔巖流動，這些熱能會被傳遞離地面較近的地殼層，這也使得開發利用地熱能成為了可能。其實人類在古代時就已經嘗試利用地熱能了，如借助溫泉沐浴、采集地下熱水來取暖、通過區域特性建造溫室、進行水產養殖等。

地熱能多數來源于地球深處的可再生熱能，借助地下水循環及熔巖流動，將熱量傳遞到近地面。地熱儲量十分龐大，且是清潔能源，如果合理提取，可以產生源源不斷的熱能。在能源危機和環保意識增強的情況下，地熱能這種清潔能源也備受人們關注。相較于太陽能、風能等新能源，地熱能的優勢在于其穩定性和連續性。聯合國發布的世界能源報告文件中也提到關于可再生能源的研究對比，地熱發電的可利用系數達到了70%左右，明顯高于太陽能、風能的25%左右利用率，同時地熱能用來提供冷、熱負荷也較為穩定。我國發展地熱能對社會經濟發展具有重要戰略意義。

（1）可以應用到建筑節能方面，淺層產生的地熱能，可以通過地源熱泵技術來進行轉換。通過在地熱能豐富的地區建設，可以一定程度上替代傳統的市政供暖系統，成為冬季供暖的來源。如東北地區由于冬季供暖以火電廠燒煤為主，造成嚴重空氣、水源污染，如果能合理應用地熱能，顯然能有效緩解環境污染。

（2）從分布式發電角度來看，有條件的地區可以借助高溫水熱型地熱資源來采集能量，建設分布性地熱能源電站，可以減少石油、煤炭資源的使用量以及依賴性。我國幅員遼闊，可以開發利用的地熱能區域較多，合理開發可以有效帶動我國能源科技和經濟的發展。

（3）目前我國雖然在大力發展地熱能等新型能源，但是總體的利用效率并不高。因為借助地熱能來制熱、制冷、建設地源熱泵等技術對溫度的要求都有差異。如果借助地熱資源，可以有效推動技術融合發展，提高資源利用率。地區通過發展地熱梯級利用技術，可以優化當地產業布局，形成新型能源供應鏈，對調整國家總體能源結構，帶動經濟發展都有著積極影響。

2 地熱能源分布及應用潛力

我國地理面積廣袤，地熱資源也相當豐富。地球內部的地熱資源大多數都集中在構造活動帶和盆地當中。分析國內地質、水文、城市、地熱地質等信息，國土資源局也對地熱能源的潛力進行新的評價。我國淺層土地中的地熱能源相當于100億噸的標準煤。而通過轉換以后每年可以利用的地熱能源相當于4億噸左右的標準煤。如果通過合理的開發利用，就可以為國家每年節約大概2.5億噸標準煤，極大減少二氧化碳、化工污水、廢料殘渣的排放；而國內沉積盆地的地熱資源儲量相當于8 500億噸，可以利用的地熱資源相當于6億噸標準煤。如果再深入地層3～10 km，地熱資源更加豐富。

比如中西部地區、西南地區的地熱能較多，集中在西藏、云南、四川盆地等區域，這些地區的面積較廣，人口密度較小，即使大量建設地熱發電站，對當地民眾的影響也不會很大，而且面積大也便于電力輸送，可以緩解中西部區域的用電壓力。而東南沿海地區因為平均氣溫高，夏季時間長，每年制冷能耗較大，可以借助華北盆地、江漢盆地區域的地熱能來進行制冷。東北地區的地熱能也較為豐富，通過發展地源熱泵技術，建設地熱能源站，可以緩解東北地區冬季供暖的壓力。東北地區冬季供暖主要依靠火電廠燃煤供暖，冬季空氣污染嚴重，通過發展地熱能，對緩解空氣污染有著良好幫助。

3 我國地熱能技術研究及應用現狀

隨著我國中西部地區戰略開發任務的持續推進，中西部地區的地熱能源建設工作也在有條不紊地進行，并取得了一些成效，比如在地熱發電、采暖、溫室種植、醫療建設、溫泉旅游等方面都在陸續建設。我國對地熱能的利用方面，如熱力泵、熱處理技術、雙流體循環發電設備發電等技術，這類地熱能的技術應用開發已經逐漸走向成熟，今后還會逐步研究如何從巖漿、地熱增壓資源中獲取地熱能，這些技術研究增大了地熱資源的應用潛力。當然國內在地熱能勘探、提取技術方面還需要進一步深入研究。

3.1 地熱發電技術

地熱資源是一種統稱，其實地熱資源種類是比較多的，這也導致地熱能源轉換、發電的方式有很多種，且有一定的差異。比如溫度較高的一些蒸汽熱田地中，一般會借助蒸汽能量來進行發電；而一些中溫熱水型地熱田，目前會采用擴容發電或者是雙工質的方式來進行發電轉換。近年來，雙工質發電技術是國際上較為先進的一種方式，裝機數量較多的有美國、印度尼西亞、菲律賓等，我國雖然也在持續推進，但近年來地熱裝機容量的整體進展還不太明顯。當前廣泛應用的雙工質循環技術主要是采用了ORC循環技術，后來kalina循環也逐漸被應用到雙工質發電系統建設當中，歐美地區在建設地熱電站時也陸續采用的這種循環方式。采用kalina循環可以讓能量在循環過程中，讓熱源和冷源有一個較好的循環匹配關系，優點在于提升了能量循環效率。

（1）干蒸汽發電。地熱發電中，干蒸汽發電站是技術最為簡單，也是最早的設計。當然現在這種類型的發電站已經十分少見，因為在技術方面需要使用一種可以產生干蒸汽的資源。干蒸汽發電直接使用150 ℃以上的地熱蒸汽來驅動渦輪機，通過渦輪旋轉來驅動發電機產生電力能源。過程中產生的蒸汽被排放到冷凝器中，形成冷卻水，最后沿著輸送管道流動回深井，等待之后的循環利用。

（2）閃蒸發電。閃蒸發電是利用高壓熱水導入低壓罐子，然后借助其中產的閃蒸蒸汽來驅動渦輪機。過程中的流體溫度需要達到180 ℃以上。目前作為廣泛應用的地熱發電站，技術要求較高。

3.2 地熱直接利用技術

目前在地熱能源的直接應用方面，地源熱泵技術是最為廣泛的。地源熱泵技術最早被瑞士發現，20世紀中葉被逐步重視起來，尤其到了20世紀末期，能源危機、環境污染問題逐漸嚴重，世界各國越發重視起地熱這種清潔能源。對地源熱泵技術的研究和應用，當前國際上應用較多的地區在歐洲、北美等國家，技術已經比較成熟。如奧地利、丹麥等國家，地源熱泵技術在居民供暖方面的應用已經占據較大比例。地熱能的應用在于制冷、制熱方面，制冷是通過利用高溫地熱水來驅動制冷系統，然后制成溫度在7 ℃左右的冷凍水用于制冷。不過目前來看地熱制冷的需求占比并不高，且地熱制冷技術還比較薄弱，能源利用率并不高，尤其是我國的廣東、福建等地區對制冷要求較高，地熱制冷顯然還達不到要求。

3.3 高溫、中低溫地熱能發電

我國采用高溫地熱能發電的地區，主要集中在羊八井、那曲、云南騰沖等地區。但是目前來看，運行情況較為良好的只有羊八井地熱電站，其他地區的地熱電站都因為效率、技術、維護成本等因素陸續停運。西藏的羊八井地熱電站目前運行較為穩定，且能獲得一定的效益。羊八井屬于地熱蒸氣田，區域內有數十個地熱顯示區，借助沸騰的熱泉水，地下噴氣孔等能量來進行發電。羊八井從建設到如今已經經過了40余年，平均每年的運行時間達到了6 000 h以上，年均發電量也達到了1.2億度，為當地的電力能源供給提供了良好支持。而且羊八井借助區域優勢，還建設了地熱溫室來進行種植，為當地提供新鮮蔬菜。

我國中低溫地熱發電站建設大多數集中在20世紀70年代，建設區域分布在廣東、江西、湖南、山東、遼寧等地區，主要是利用100 ℃以下的中低溫地熱流體來進行發電，裝機容量并不大，基本都在300 kW左右。經過了幾十年的運行，上述地區的中低溫地熱發電站基本都已停運。雖然這些地熱發電站建設運行時間并不長，裝機容量也較小，但是建設工作都是當時科研工作者通過因地制宜總結的科學成果，總結下來的建設經驗也能夠為我國今后的地熱能源技術發展提供參考。

4 我國地熱能發展應用前景思考

總的來看，當前地熱能技術發展，主要面臨的問題在于資金投入不足，技術研發遇到瓶頸，所以導致整體的發展速度較為緩慢。現在對地熱資源的開發利用還多數集中在地熱供暖、沐浴、溫室養殖等方面，而在地熱制冷、地熱發電等領域的技術研究一直沒有較大的突破。

因此要解決地熱技術停滯不前的問題，首先還需要重視地熱資源的勘探，同時加大市場推廣力度，吸引更多資本力量進入來解決資金問題。通過讓市場投資者認識到地熱資源的發展前景，才能得到更多支持來推動技術研發，打破當前的技術瓶頸；然后重點是需要突破當前地熱制冷、供暖、發電領域的技術瓶頸，改變地熱技術較為落后的問題。只有不斷提高地熱資源的利用率，才能讓地熱資源在經濟、社會發展中發揮出更大作用。

4.1 大力發展高溫地熱發電

從當前的地熱資源儲備區域和分布情況來看，我國的地熱資源優勢較大，在地熱資源開發過程中，通過因地制宜、合理建設，就可以帶來一定成果。比如在中西部、西南地區，通過建設地熱發電站。東北、華北地區建設地熱供暖。沿海地區建設地熱制冷等。結合地區特點發展地熱梯級技術，建設大規模地源熱泵來提升地熱資源利用率。我國150 ℃以上的高溫溫泉區域超過了100處，都可以進行合理建設。高溫地區的熱蒸汽可以主要用作發電，在發電過程中產生的地熱尾水還可以通過建設輸水管道來為建筑供暖，可以實現高溫地熱發電到尾水供暖的梯級應用，顯然應用得當可以在經濟、環保方面取得良好效益。目前西藏地區在高溫地熱建設方面有著良好優勢，同時也有羊八井的成功建設經驗。所以要打破地熱能資源豐富但是利用率不高的現狀，通過不斷開發羊八井等區域的熱能，深入研究地熱發電站的技術，加快高溫地熱區域的建設開發，以此來逐步帶動中西部、西南地區的地熱能源開發。

4.2 逐步改進中低溫地熱發電技術

雖然早年建設的中低溫地熱發電站多已停運，但是也證明了中低溫地熱發電的可行性，未來的開發利用模式，就是進一步研究中低溫地熱發電技術，讓其在經濟層面更加有競爭力。太陽能光伏發電目前是10萬元裝機1 kW，年運行2 000 h，而中低溫地熱發電1萬元裝機1 kW，年運行6 000 h，具備一定的優勢。只需要進一步研究能量轉換效率，以及優化機器維護成本，從長遠角度來看，顯然更具有優勢。

4.3 通過建設中低溫地熱發電，優化能源結構

礦山、燃煤、油田生產中排放的80 ℃以上的廢水，可以采用雙流體系統來發電，物盡其用。在油氣田生產過程中，伴生的中低溫地熱資源總量也很大，如果合理利用也能給地熱能源建設帶來機遇。如當前很多油田區域會注水采油，含水率較高。地熱發電成本的前期投資在于鑿井費用，如果借助油氣田的井口，就可以節省一部分的打井費用。所以今后地熱開發利用的一個方向，可以思考借助油氣田來建設中低溫地熱發電站。

4.4 重視政策支持和技術推廣

雖然政策對地熱技術開發有一定傾斜，但是缺少具體的支持措施，讓市場資本都處于觀望狀態。政府層面只有將政策落到實處，比如像太陽能、風能發電，明確具體的補貼力度，或者明確具有一定收益的電價，才能吸引更多資本，促進地熱產業的發展。

技術推廣層面，還需要進一步加強科研機構與供熱企業的合作，重視對供電系統的研究和優化，然后發展地源熱泵技術來進行大區域供熱系統示范工程，最終的應用范圍可以集中在城鎮居民冬季供暖，農業領域的溫室建設和種植養殖；而高溫熱泵技術，要大力發展熱泵系統技術，重視高溫熱泵機組模塊化研究，通過將高溫熱泵機組進行模塊化生產、建設，才能進一步推動地源熱泵技術在市場上推廣，并應用到工業節能方面。

5 結語

雖然地熱能源開發建設在我國持續了幾十年時間，但是基本都是市場自由發展，缺少長遠規劃。綜合來看，地熱能源具有經濟、環保等多種優勢，通過政府與市場合作建設的方式，來全面規劃部署生產建設，制定合理發展計劃與配套政策，這樣才能促進地熱能源領域的有序發展。