地热能是来自地球内部的热能,它的能量来源于地球行星的形成以及内核矿物质的放射性衰变 。地热被定义为可再生能源,因为与地球的热量相比,任何被人类活动所预计的热量提取都很小,地球内部的热含量约为10^31 焦耳,大约是 2010 年全球年能源消耗量的 1000 亿倍 。
在全球都追求碳减排的情况下,地热能算得上是很好的一种化石能源能源替代品,作为一种绿色的能量来源,它不会对我们的环境带来任何负面影响 。
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地热发电站
地热能有着很大的潜力,地球内部的热能每时每刻都在以44.2TW(太瓦)的速率通过地幔与岩石的传导流向地表 。而这个数字可以说是十分恐怖,恐怖到什么地步了呢?要知道当前人类社会的能源消耗,光是石油这一项每天就要使用约1亿1千万桶,这还没算上煤的使用以及水电、核电资源 。而仅地热所能带来的能量,就足以承担我们当前全人类社会所消耗能量的2倍之多 。
可以说,如果能够将地热能的利用率提升到50%,那么无需去挖掘使用其他任何能源,即可维持全人类社会的正常运转 。
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地热传导示意
不过很不幸,要想达到这个利用率在当前看来是不太可能的 。因为地热能的分布非常不平均,地热的集中释放区大多分布在在三大地震带周围,即欧亚大陆地震带,环太平洋地震带,以及海岭地震带 。这是由于构造板块连接处的地质运动频繁,而这些地质运动为地热的向上流动提供了快速通道 。在这样的条件背景之下,只有构造板块边缘地区才能被人类开发出地热能源 。
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火山和地震带分布
其实,人类对于地热利用的历史是悠久的 。至少从旧石器时代开始,温泉就被人类用来沐浴;而早在先秦时期的《山海经》中,便有了关于温泉的记载;秦始皇还在骊山修建了骊山温泉用来治疗冻疮,这个骊山温泉在后来的唐朝,被改建成为了著名的华清池 。
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华清池
把视野放回到现代,根据数据显示,我国地热直接利用量早在2015就超越美国稳占世界第一位了 。在2020年,我国地热直接利用量为40610MW,远超第二名美国的20712MW,几乎是第二名的两倍之多,但是在这其中也存在显著的问题,就是我们的能源利用手段较为低级 。地热直接利用,顾名思义就是直接地利用地热,不涉及如用来发电这种能源的二次转换 。这就决定了当地的地热能只能在当地消化,无法转移到大范围外的其他地区去使用 。
目前我国直接利用地热的形式有以下几种:
- 地热供暖:采取60~100摄氏度的热水为楼宇供暖 。
- 地热工业:将地下热水采集使用在工业生产之中 。
- 地热农业:借用地热搭建温室大棚种植蔬菜 。
- 地热医疗:使用温泉去疗养人体疾病 。
- 地源热泵:使用地源热泵实现地下热水与所需能源的热交换,2017年底的装机容量为20000MW 。
- 浅层地热能:使用浅层地热能去实现供暖与制冷,2019年底实现8.41亿平方米的供配 。
- 水热型地热能:使用水热直接供暖,2018年实现1.65亿平方米的供配 。
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地源热泵原理图
现在再让我们来看看世界各地地热发电装机容量的数据:
目前有26个国家在将地热能用作发电 。而在这其中,美国以3714MW的装机容量排名第一,前五名里依次还有:印度尼西亚、菲律宾、土耳其以及新西兰,而我国则是以26MW的装机容量仅排名第19 。当前,我国仅有西藏羊八井、朗久,广东丰顺,湖南灰汤4座高温地热电站仍在运行,而美国单一个间歇泉地热发电站就贡献了1517MW的装机容量 。
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美国间歇泉地热发电站
为什么我国地热直接利用率排第一,但是地热发电量却只排在全球第十九呢?其实我国很早就开始尝试发展地热发电,1977年我国西藏羊八井地热电站就投入使用,但为何至今我国的地热发电仍没有大的进展呢?其实并不是我们不想发展,相反,我们始终有对于地热发电的相关规划内容 。
至于发展受限的原因,经笔者查阅多种资料,大致可以分为以下几种原因:
- 受限于技术 。一个是勘探技术,第二个是热水的防垢除垢、废水排放与回灌技术还不到位 。但是技术上的问题可以通过大量的实践去突破 。
- 受限于资源 。我国的地热资源虽然分布很广,在西藏、云南、四川、贵州以及东南沿海都有分布,但是地热质量较低,就连我国规模最大的羊八井地热电站使用的也仅是103摄氏度的热水,广东丰顺地热电站甚至只有90度的热水资源,这导致发电效率很低 。而国外例如新西兰的地热电站,甚至可以实现500摄氏度高温以及200个大气压的条件,将水变为超临界流体实现高效率发电 。
- 受限于价格政策 。地热发电也属于对绿色清洁能源的利用,但是没有像光伏、风电等发电形式一样获得相关政策支持 。如果对于地热发电有了价格补贴政策,相信市场会自己做出选择 。
首先,面对我们地热资源质量不高的现状,我们选择了走另外一条新路:干热岩发电 。
干热岩是指一种没有水或蒸汽的热岩体,主要是各种变质岩或结晶岩类岩体 。干热岩埋藏于距地下2000~6000m 的深处,温度为150~650℃ 。而使用干热岩进行发电,则是通过注入井将低温水输入热储水库中, 经过高温岩体加热后, 在临界状态下以高温水、汽的形式通过生产井回收发电 。今年6月,河北省实现了干热岩试验性发电 。这是我国首次实现干热岩试验性发电 。
其次,我国出台了很多政策:
- 我国多地严格管控抽采地热水,这保障了我国地热资源长久可持续地发展下去 。
- 将地热发电纳入可再生能源发电补贴项目清单 。
- 国家能源局征集“十四五”能源发展意见建议,将试图开放能权、碳排放权市场化交易 。
- 健全行业标准规范,助力地热高质量发展 。
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我国干热岩分布示意图
【为什么中国地热发电比例少 目前中国利用地热发电状况】相信在相关技术的突破与政策的引导之下,我们的地热发电产业必将蓬勃发展起来,与地热能直接利用并肩,一同为我国在2030达成碳达峰、2060实现碳中和做出巨大的贡献 。
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