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文章來(lái)源：地大熱能 發(fā)布作者：南雄 發(fā)表時(shí)間：2025-11-11 15:08:46瀏覽次數(shù)：227

0引言

作為綠色低碳、可循環(huán)利用的清潔可再生能源,地?zé)崮?/a>不僅對(duì)于緩解化石能源危機(jī)、減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要作用,也是未來(lái)極具開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略性接替能源。目前構(gòu)建以清潔能源為主的新型電力系統(tǒng)是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型、保障能源安全最關(guān)鍵的一步,而當(dāng)前清潔能源利用以水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能、核能為主,我國(guó)對(duì)地?zé)崮?/a>遠(yuǎn)沒(méi)有做到深層次利用。歷年來(lái),我國(guó)政策一直在推進(jìn)地?zé)崮艿木C合利用和深度開(kāi)發(fā),國(guó)家能源局、科技部于2020年4月印發(fā)的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中更是明確指出地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)與利用技術(shù)研究的路徑。隨著雙碳目標(biāo)的提出,以清潔能源為主的新型電力系統(tǒng)必將朝著因地制宜、 能源供應(yīng)多元化發(fā)展,而地?zé)?/a>的綜合利用及發(fā)展將迎來(lái)新的機(jī)遇。

 

1地熱能概述

地熱能屬于清潔可再生能源,具有儲(chǔ)量大、分布廣、穩(wěn)定性好、可循環(huán)利用等特點(diǎn)。地?zé)?/a>能賦存于地下,不受環(huán)境、天氣狀況的影響,熱流穩(wěn)定連續(xù),地?zé)崮?/a>的利用須本著 “取熱不取水”的原則,采取“以灌定采、采灌均衡、梯階利用”的形式進(jìn)行供暖(冷)和發(fā)電,實(shí)現(xiàn)地?zé)崮?/a>清潔高效可持續(xù)利用。地?zé)岚l(fā)電具有良好的穩(wěn)定運(yùn)行特性,利用率位居可再生能源榜首,但深層地?zé)?/a>受地域限制,投資大,開(kāi)發(fā)過(guò)程存在較大不確定性,目前我國(guó)地?zé)岚l(fā)電在運(yùn)規(guī)模最大的是西藏的羊八井27.2MW地?zé)犭娬?/a>和羊易16MW地?zé)犭娬?/a>。

 

1.1地熱能分類(lèi)

按溫度水平:地熱能可劃分三個(gè)等級(jí),低溫(溫度低于 90℃)、中溫(溫度在90至150℃之間)和高溫地?zé)?/a>(溫度超過(guò)150℃);低溫地?zé)?/a>通常只能用于供熱,中溫地?zé)?/a>適用于供熱、供冷;高溫地?zé)?/a>用于發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)。

 

按儲(chǔ)存狀態(tài):地?zé)豳Y源包括土壤源型、水熱型(又分為熱水型和蒸汽型)、干熱巖型等。

按儲(chǔ)存位置:地?zé)崮芸煞譃?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/淺層地?zé)?html" >淺層地?zé)?/a>(地下200m 內(nèi))、中層地?zé)?地下200-3000m)和深層地?zé)?/a>(地下3- 10km)。

 

1.2地?zé)崮軆?chǔ)量及分布

我國(guó)的地?zé)豳Y源占全球總儲(chǔ)量的7.9%,以中、低溫地?zé)峋佣唷?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/淺層地?zé)崮?html" >淺層地?zé)崮?/a>在我國(guó)的分布非常廣泛,覆蓋了華北地區(qū)、江淮流域、四川盆地、東北和西北地區(qū)南部等,每年可開(kāi)采量預(yù)計(jì)超過(guò)7億噸標(biāo)煤,位于中東部水資源相對(duì)豐富的的平原、盆地等區(qū)域適合大規(guī)模開(kāi)采,包括京津冀、河南等在內(nèi)的13個(gè)省份。淺層地?zé)?/a>溫度水平較低,適用于北方供熱(冷)。

 

全國(guó)水熱型地?zé)崮?/a>按溫度水平分為中低溫型和高溫型地?zé)?我國(guó)水熱型地?zé)崮?/a>的總儲(chǔ)量超過(guò)1.2萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,而每年可開(kāi)采的資源量大約為19億噸左右;中低溫地?zé)豳Y源主要集中于東南沿海地帶、膠東及遼東半島和大型沉積盆地;而高溫地?zé)豳Y源則主要富集于西藏南部、云南西部、四川西部以及臺(tái)灣地區(qū),福建沿海局部也存在較高溫度地?zé)?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/資源.html" >資源。

 

2我國(guó)地?zé)崮芾?/a>現(xiàn)狀

我國(guó)常規(guī)地?zé)豳Y源處于中低溫水平,多用于供熱和制冷,適宜發(fā)電的地?zé)豳Y源有限,目前在運(yùn)的地?zé)岚l(fā)電機(jī)組僅限于西藏羊八井及羊易地?zé)犭娬?/a>。增強(qiáng)型地?zé)?干熱巖) 發(fā)電以溫度水平高、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)成為地?zé)岚l(fā)電未來(lái)趨勢(shì)。我國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源儲(chǔ)量極其豐富,地下3-10km 深處干熱巖儲(chǔ)量相當(dāng)于715-860萬(wàn)億噸標(biāo)煤。2017年, 我國(guó)已于青海共和盆地發(fā)現(xiàn)大規(guī)模、易開(kāi)采的干熱巖,已探測(cè)到地下3705m處溫度236℃。

 

2.1地?zé)峁?/a>(冷)

地?zé)峁┡?/a>和制冷技術(shù)中,淺層低溫地?zé)嵋约爸袑?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/水熱型地?zé)?html" >水熱型地?zé)?/a>能的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。淺層地?zé)崮?/a>的利用主要以水源熱泵和地源熱泵技術(shù)為主,在北方地區(qū)較為常見(jiàn),采用一套設(shè)備,兩種末端的形式冬季供熱,夏季制冷, 基本維持地下土壤換熱平衡;中層水熱型地?zé)?/a>能主要通過(guò)地?zé)峋?/a>開(kāi)采較高溫度熱水供熱為主,經(jīng)板式換熱器和熱泵實(shí)現(xiàn)集中供熱(圖1)。

 

地埋管形式及布置是影響淺層地?zé)崮芾?/a>的重要因素,淺層地埋管一般在200m以內(nèi),埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)性能有直接影響。水平埋管以平鋪的形式置于土壤中,施工簡(jiǎn)單但占地面積較大,受外界因素的影響也較大,比較適合于土地面積寬闊的地方使用。垂直埋管以垂直埋放的方式放置于土壤中取熱,占地面積小,幾乎不受外界因素的影響,使用效果可靠且維護(hù)費(fèi)用低,但垂直埋管所需的工程量較大,資金投入量較多,適合人口密集的地區(qū)使用。垂直埋管在實(shí)際應(yīng)用中成為主導(dǎo)形式,其中 U型管最為常見(jiàn)。

 

水熱型地?zé)峁┡?/a>通過(guò)向中深層(地下200m以下至 3000m以上)巖層鉆井開(kāi)采地?zé)?/a>水,由地面系統(tǒng)完成熱量提取及利用,包括直接供熱、間接供熱、梯階利用耦合熱泵供熱等形式。對(duì)于中深層水熱型供熱技術(shù)的應(yīng)用,須遵守 “取熱不取水”的原則,保證“采灌均衡”,地?zé)峋?/a>造井包括定向井和直井這兩種方式,一般開(kāi)采井與回灌井采取1:1 的比例配置,為確保地?zé)崽?/a>的可持續(xù)利用,兩口開(kāi)采井之間距離不小于1km,同時(shí)為避免出現(xiàn)熱水短路現(xiàn)象,回灌井與開(kāi)采井的距離應(yīng)大于500m。為做好地?zé)崴?/a>的利用及保護(hù),嚴(yán)防地下水污染問(wèn)題,尾水回灌必須做好尾水處理凈化。對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)維,需做尾水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、腐蝕結(jié)垢、回灌堵塞機(jī)理等方向的研究。

 

2.2地?zé)岚l(fā)電

我國(guó)地?zé)岚l(fā)電始于上世紀(jì)70年代,陸續(xù)建成一批發(fā)電機(jī)組,至上世紀(jì)90年代后地?zé)岚l(fā)電陷入停滯狀態(tài)。受限于地?zé)釡囟?/a>和經(jīng)濟(jì)性,大多數(shù)建成機(jī)組也已經(jīng)停運(yùn)。截至 2021年底,我國(guó)地?zé)崮馨l(fā)電裝機(jī)容量約50MW,主要集中在西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電站(25MW)和羊易地?zé)岚l(fā)電站(一期1×16MW)。羊易地?zé)犭娬?/a>兩口地?zé)峋?/a>熱水流量620t/h, 蒸汽流量50t/h,發(fā)電回水不低于65℃,實(shí)現(xiàn)全回灌;發(fā)電機(jī)組設(shè)備采用奧瑪特雙工質(zhì)機(jī)組,發(fā)電效率16%,廠用電率12%,利用小時(shí)數(shù)超過(guò)8000h。

 

地?zé)岚l(fā)電根據(jù)熱源參數(shù)等級(jí)不同,基本常見(jiàn)有干蒸汽發(fā)電、閃蒸(擴(kuò)容)發(fā)電、雙循環(huán)發(fā)電[7,8]三種形式。干蒸汽發(fā)電比較少見(jiàn),要求地?zé)釡囟?/a>高,地?zé)峋?/a>出口全部為蒸汽;閃蒸發(fā)電和雙循環(huán)發(fā)電是我國(guó)常用的發(fā)電技術(shù)。

 

2.3干熱巖利用

干熱巖試驗(yàn)是美國(guó)提出方案最早也是開(kāi)展增強(qiáng)型地?zé)?EGS)工程最多的國(guó)家,全球在建及投運(yùn)EGS工程已達(dá) 30個(gè),法國(guó)蘇爾茨項(xiàng)目是世界上第一個(gè)EGS兆瓦級(jí)發(fā)電工程。EGS開(kāi)采形式上也略有不同,一種是利用干熱巖層的天然裂隙儲(chǔ)層開(kāi)采水熱型地?zé)豳Y源(德國(guó)的蘭道、印希姆電站),另一種是在常規(guī)水熱田邊緣通過(guò)EGS技術(shù)進(jìn)行人工改造,改善地?zé)崽?/a>產(chǎn)出以增加發(fā)電能力。

 

我國(guó)干熱巖實(shí)質(zhì)性研究起始于十一五期間中國(guó)與澳大利亞合作的“中國(guó)工程地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/資源.html" >資源潛力研究”項(xiàng)目,此項(xiàng)目更多的是高溫地?zé)?/a>靶區(qū)的選定與考察,為“十二五”干熱巖科技研究立項(xiàng)做了前期準(zhǔn)備。在“十二五”規(guī)劃期間,我國(guó)啟動(dòng)了“863計(jì)劃”項(xiàng)目,專(zhuān)注于干熱巖能源的開(kāi)發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)的綜合性應(yīng)用研究,開(kāi)展了干熱巖地?zé)岬刭|(zhì)資源評(píng)價(jià)、人工壓裂技術(shù)、干熱巖發(fā)電及能量轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)等研究。

 

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)埋深在3-10km的干熱巖資源按2%可開(kāi)采量預(yù)估,相當(dāng)于我國(guó)2010年能源消耗總量的4400 倍。藏南、云南、東南沿海、華北、鄂爾多斯盆地、東北松遼盆地為我國(guó)干熱巖資源有利開(kāi)發(fā)區(qū),熱儲(chǔ)目標(biāo)溫度150- 250℃。其中青藏高原干熱巖溫度最高,總資源量占中國(guó)大陸地區(qū)的20.5%,華北和東南沿海地區(qū)中生代巖漿活動(dòng)區(qū)的占比分別在8%-9%之間,東北地區(qū)占比超過(guò)5%,云南西部地區(qū)干熱巖資源溫度較高,但分布范圍較小。

 

我國(guó)對(duì)于干熱巖發(fā)電尚處于試驗(yàn)研究階段,干熱巖發(fā)電技術(shù)涉及在高溫、缺水或滲透性低的巖石中創(chuàng)建人造熱儲(chǔ)庫(kù),通過(guò)注入冷水至地下深層進(jìn)行熱交換,從而收集熱能并轉(zhuǎn)化為電能。2021年,在唐山地區(qū)我國(guó)成功完成了干熱巖能源的首次試驗(yàn)發(fā)電。

 

3經(jīng)濟(jì)性分析

地?zé)衢_(kāi)發(fā)過(guò)程影響初投資的最大因素就是鉆井成本，一般占到總初投資的50%-60%，除與地質(zhì)條件有關(guān)外，鉆井成本與鉆井深度成正相關(guān),井深平均每增加1000m單位鉆井成本增加1000元/m。并且需要多次壓裂才能實(shí)現(xiàn)井下連通,壓裂半徑通常在0.5km左右,其中單次壓裂成本不少于250萬(wàn)元。

 

3.1地?zé)?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/供暖.html" >供暖

地?zé)崮芄┡?/a>相對(duì)于其他供暖方式經(jīng)濟(jì)性上有很大優(yōu)勢(shì),中深層供暖每個(gè)采暖季供熱成本在10元/m2以下,初投資在100元/m2左右(表1)。淺層土壤源熱泵供熱的成本比中深層供熱要大,但與其他供熱方式相比也有很大的競(jìng)爭(zhēng)力,一般在冬夏季負(fù)荷均衡地區(qū)應(yīng)用較多。

 

 

3.2地?zé)岚l(fā)電

地?zé)釡囟?/a>、地?zé)崴?/a>流量、載體類(lèi)型和水質(zhì)條件都是影響地?zé)岚l(fā)電的關(guān)鍵因素,此外也受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、地質(zhì)條件和政策等因素影響。地?zé)岚l(fā)電單體規(guī)模小,投資成本高、 差異大,據(jù)國(guó)際可在再生能源機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),地?zé)犭娬窘ㄔO(shè)成本大致在14000-35000元/千瓦(2000-5000 USD/kW,國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者表示造價(jià)在20000-35000元/千瓦之間),平均度電成本在1元/千瓦時(shí)以上。

 

地?zé)岚l(fā)電技術(shù)選擇、發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)收益測(cè)算等會(huì)受到當(dāng)?shù)厮|(zhì)、地質(zhì)、地?zé)釡囟?/a>和流量等影響,其中最重要的因素是地?zé)釡囟燃傲髁俊挝涣髁肯碌膬舭l(fā)電量與系統(tǒng)凈發(fā)電效率會(huì)因采用不同的工質(zhì)和發(fā)電形式而存在較大差別,150℃地?zé)崃黧w的發(fā)電效率在10%-15%之間,地?zé)崃黧w參數(shù)越高,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性越好。地?zé)犭娬镜倪\(yùn)行壽命較長(zhǎng),一般為30年,從系統(tǒng)效率及回收期方面考慮,地熱流體溫度130-150℃以上,流量超過(guò)40t/h才具有較好的開(kāi)發(fā)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益。

 

4結(jié)語(yǔ)

地?zé)崮茉?/a>以其綠色、低碳的特性,被視為一種具有循環(huán)利用潛力的清潔能源,具有分布范圍廣、平均利用率高等特點(diǎn),也是未來(lái)極具開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略性能源。為促進(jìn)地?zé)崮苓M(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用有以下建議供參考:

① 地?zé)崮芨患瘏^(qū)域內(nèi)開(kāi)展地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)區(qū)域優(yōu)選工作,確定區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源的有利開(kāi)發(fā)區(qū)。

② 因地制宜,根據(jù)資源稟賦和需求不同分別進(jìn)行淺層、中層及深層地?zé)崮?/a>開(kāi)發(fā)。

③ 在老舊煤電機(jī)組即將面臨退役區(qū)域,積極開(kāi)展地?zé)崮?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/熱源.html" >熱源替代可行性研究及論證。

④利用地?zé)醿?chǔ)能將風(fēng)、光等可再生能源儲(chǔ)存,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模跨季節(jié)儲(chǔ)能利用,提高可再生能源利用率。

⑤開(kāi)展“地?zé)?”典型應(yīng)用場(chǎng)景研究,如地?zé)嵩?a href="http://www.kcsoundproductions.com/t/園區(qū).html" >園區(qū)綜合能源服務(wù)上的應(yīng)用模式研究,探索地?zé)?干熱巖)發(fā)電與大基地風(fēng)光耦合利用的研究等。