地?zé)岚l(fā)電現(xiàn)狀與展望*

溫柔 趙斌 王善民

（1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；2.西藏地?zé)岙a(chǎn)業(yè)協(xié)會，西藏 拉薩 850000）

地?zé)崮軄碓从诘厍騼?nèi)部鈾、釷和鉀等天然放射性同位素衰變產(chǎn)生的大量熱量，這些熱量通過火山噴發(fā)、溫泉、地下水等載體傳遞到地表［1］。每年由地球內(nèi)部輸送至地表的熱能相當(dāng)于280 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，由于其具有儲量大、分布廣以及清潔環(huán)保和穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點而得到了廣泛利用，目前全球有超過88個國家和地區(qū)利用地?zé)崮苓M行發(fā)電和供暖［2］。2020 年，我國首次提出要在2030 年實現(xiàn)“碳達峰”，2060 年實現(xiàn)“碳中和”，要實現(xiàn)該目標(biāo)，清潔能源是不可忽視的一部分［3］。本文首先介紹了地?zé)豳Y源分類，包括對淺層地?zé)崮?、水熱型地?zé)豳Y源以及干熱巖等地?zé)豳Y源的資源量和分布進行了簡要介紹，其次對不同類型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的特點、原理和結(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點進行了概括，最后通過查閱資料對我國以及美國等其它幾個國家的地?zé)嵫b機容量、在建地?zé)岚l(fā)電項目和地?zé)岚l(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)。

1 地?zé)豳Y源

2015 年國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局調(diào)查評價結(jié)果顯示，我國地?zé)豳Y源可根據(jù)埋深和溫度劃分為淺層地?zé)崮苜Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源三大類［4］，具體如表1所示。

表1 地?zé)豳Y源分類

淺層地?zé)崮馨\層巖體、地下水和地表水所蘊藏的低溫?zé)崮?，由地表以?～200 m處溫度和1.5 m深處溫度之間的溫差形成的能量，一般低于25℃，屬于低品位熱能［5］。主要利用地埋管、地源熱泵或水源熱泵等技術(shù)手段實現(xiàn)熱量交換，一般用于建筑供暖或制冷。我國淺層地?zé)崮苜Y源每年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7億噸，主要分布在東北、華北、江淮流域、四川盆地和西北地區(qū)，2019年底我國地?zé)崮芄┡ㄖ娣e超過11億平方米，隨著開發(fā)技術(shù)手段的不斷提升，我國淺層地?zé)豳Y源開發(fā)利用年均增幅接近30%［6，7］。2020 年世界地?zé)岽髸y(tǒng)計結(jié)果顯示，全球直接利用地?zé)崮艿膰液偷貐^(qū)共有88個，排名前五的國家分別是：中國、美國、瑞典、德國、土耳其［8］，裝機總?cè)萘繛?08 GW，如圖1 所示。據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測，2040 年全球地?zé)嶂苯友b機容量將達到650 GW。

圖1 地?zé)嶂苯永醚b機容量排名前五的國家

我國水熱型地?zé)豳Y源折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.25 萬億噸，年可開采資源量折合18.65 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按熱傳遞方式可分為對流型水熱系統(tǒng)、傳導(dǎo)型水熱系統(tǒng)以及傳導(dǎo)-對流復(fù)合水熱系統(tǒng)，按溫度可分為高溫地?zé)幔ā?50℃）、中低溫地?zé)幔ǎ?50℃）［9，10］。水熱型中低溫地?zé)豳Y源主要分布在我國華北平原、松遼盆地、四川盆地、膠東半島、遼東半島等地區(qū)，年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤18.5 億噸，主要用于供暖、旅游、工業(yè)干燥等；高溫水熱型地?zé)崮苤饕植荚谖覈啬?、滇西、川西等西南地區(qū)，年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.18 億噸，主要用于發(fā)電和工業(yè)利用。

干熱巖是指地表深處3～10km 處不含水或含水少的高溫巖體，主要是各種孔隙度低且裂隙滲透性能差的變質(zhì)巖或結(jié)晶巖，因此需要人工壓裂形成地?zé)醿硬拍苓M行開采和利用，溫度范圍150℃～650℃［11，12］。20世紀(jì)70年代，美國在Fenton Hill最早建立干熱巖開發(fā)試驗項目，隨后英國、法國、日本、德國等也相繼建立了一批干熱巖開發(fā)試驗項目。然而我國在這方面還處于起步階段，很多技術(shù)并不成熟。我國埋深不超過10000 m 的干熱巖基礎(chǔ)資源量可折合856 萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，主要分布在西藏、云南、廣東、福建等地區(qū)。2010年中國啟動了“干熱巖勘察關(guān)鍵技術(shù)研究”項目；2013 年我國國家地質(zhì)調(diào)查局啟動了干熱巖資源潛力評價與示范靶區(qū)研究項目；2014 年啟動863 項目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”；2017年，我國在青海共和盆地3705 m 處鉆獲236℃高溫干熱巖體，實現(xiàn)了我國干熱巖勘察的重大突破。我國在2018年“十三五”規(guī)劃中，明確了開展干熱巖發(fā)電試驗項目，相信在不遠的將來，我國干熱巖開發(fā)會突破現(xiàn)有困境，實現(xiàn)更大進步。

2 地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

2.1 閃蒸發(fā)電系統(tǒng)

閃蒸發(fā)電系統(tǒng)又稱減壓擴容發(fā)電系統(tǒng)，通過利用不同壓力下水的沸點不同的原理將低壓下地?zé)崴梢簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。其工作過程如圖2（a）所示，從地?zé)峋_采出具有一定壓力的汽水混合物通過管道輸送至閃蒸器進行降壓擴容，經(jīng)擴容后的水通過管道回灌至地下，擴容后的蒸氣經(jīng)過除濕器除濕后經(jīng)管道送入汽輪機做功，汽輪機排出的乏氣經(jīng)過冷凝器冷凝后輸送至回灌井回灌至地下。根據(jù)地?zé)崴ㄟ^閃蒸器的次數(shù)不同可將其分為單級閃蒸系統(tǒng)和二級閃蒸系統(tǒng)。其中二級閃蒸系統(tǒng)是基于單級閃蒸系統(tǒng)的改進，其工作原理如圖2（b）所示，通過將擴容后的水再次送入閃蒸器進行二次閃蒸擴容，擴容產(chǎn)生的蒸汽送入汽輪機低壓端繼續(xù)做功發(fā)電。

圖2 閃蒸發(fā)電系統(tǒng)

閃蒸發(fā)電系統(tǒng)是地?zé)岚l(fā)電最常用的發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)在正常運行時，分離出的鹵水包含有一些高濃度溶解性礦物質(zhì)，若是與地表或地下水混合會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的水污染，二級閃蒸發(fā)電站廢棄鹵水濃度一般比單級閃蒸電站更高。為防止水污染需要將廢水進行回灌，回灌能夠有效恢復(fù)儲層中的流體，也能維持儲層的壓力。單級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，但是轉(zhuǎn)換效率低；二級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，但轉(zhuǎn)換效率在相同熱源條件下相比單級閃蒸可以提高20%～30%，使用單級還是二級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)取決于地?zé)豳Y源特性、地?zé)犭娬窘?jīng)濟性和設(shè)備損耗性等因素。

2.2 干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)

干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)是指從地下開采出來的地?zé)崃黧w以干蒸汽為主的發(fā)電系統(tǒng)。其工作原理如圖3 所示，首先將地?zé)峋槌龅母烧羝ㄟ^凈化分離器過濾掉直徑較大的固體顆粒，然后送入汽輪機進行做功發(fā)電，最后由汽輪機排出的乏汽經(jīng)過冷凝器、冷卻塔回灌至地下，其所用設(shè)備與常規(guī)火力發(fā)電廠相同。該發(fā)電系統(tǒng)主要針對參數(shù)較高的干蒸汽地?zé)崽?，具有安全可靠，對環(huán)境影響小等優(yōu)點，一般適用于高溫地?zé)崮堋１容^圖2 和圖3 可以看出，干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)與閃蒸發(fā)電系統(tǒng)非常相似，不同之處在于干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)使用凈化分離器代替了閃蒸器，發(fā)電過程僅使用蒸汽，不產(chǎn)生任何含礦物質(zhì)的鹵水，因此對環(huán)境造成的影響低于閃蒸發(fā)電系統(tǒng)。目前，全球共有63座干蒸汽地?zé)岚l(fā)電站，主要集中在美國、意大利和日本等國家，裝機容量約占全球地?zé)峥傃b機容量的22%［13］。

圖3 干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)

2.3 雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)

雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用低沸點有機工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，地?zé)崴恢苯訁⑴c熱力循環(huán)循環(huán)中，按照循環(huán)工質(zhì)的不同又可分為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)（organic Rankine cycle，ORC）和Kalina 發(fā)電系統(tǒng)。ORC 發(fā)電系統(tǒng)是采用低沸點有機工質(zhì)，如鹵代烴(CFCs)、氫氯氟烴(HCFCS)、氫氟烴(HFCs)、烷烴(HCs)、有機氧化物和環(huán)狀有機化合物等。工作原理如圖4 所示，低沸點有機工質(zhì)通過換熱器與地?zé)崃黧w進行熱量交換完成預(yù)熱和蒸發(fā)，再通過汽輪機做功發(fā)電，最后通過冷凝器冷凝后經(jīng)工質(zhì)泵回到換熱器完成循環(huán)。低沸點有機工質(zhì)多數(shù)屬于易燃易爆品，對設(shè)備密封性要求更高。

圖4 有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

Kalina 循環(huán)采用氨水混合物作為循環(huán)工質(zhì)，在較低溫度下會蒸發(fā)出氨氣使得循環(huán)溶液中氨水混合物組分產(chǎn)生改變，導(dǎo)致沸點溫度變化。氨水混合物在蒸發(fā)器中與地?zé)崴M行熱量交換，產(chǎn)生氣液混合物后進入分離器氣液分離，分離出的飽和氨蒸氣送入汽輪機膨脹做功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；分離出來的氨水送入回?zé)崞骰厥諢崃?。汽輪機排出的乏氣送入冷凝器凝結(jié)成氨水，在通過工質(zhì)泵送入蒸發(fā)器進行再次循環(huán)。

雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)在地?zé)岚l(fā)電中應(yīng)用廣泛，具有設(shè)備緊湊、汽輪機尺寸小、運營成本低等優(yōu)點。當(dāng)?shù)責(zé)醿訙囟容^低時使用閃蒸發(fā)電系統(tǒng)投入大、效率低，雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)不僅可以利用85℃～170℃的地?zé)崃黧w，而且在循環(huán)過程中，由于地?zé)崃黧w與電力生產(chǎn)設(shè)備之間沒有直接接觸，所以可以有效防止發(fā)電設(shè)備腐蝕結(jié)垢［14］。該發(fā)電系統(tǒng)能夠利用中低溫地?zé)豳Y源的低品位能源，推動汽輪機做功發(fā)電，合理利用中低溫地?zé)豳Y源。

2.4 增強型地?zé)嵯到y(tǒng)

增強型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal Systems，EGS）指通過水力壓裂等技術(shù)手段在巖石中建造裂隙，形成巖石與流體的換熱空間，完成人工地?zé)醿拥慕ㄔ?，一般?yīng)用于干熱巖地?zé)豳Y源。EGS 發(fā)電過程是通過注水井將冷水加壓建造人工熱儲，冷水滲透巖層裂縫與高溫巖體接觸吸收熱量，再由生產(chǎn)井將熱水或水蒸氣提取至地面，通過換熱器完成換熱。我國干熱巖資源豐富，但目前僅停留在勘探開發(fā)階段。2015年5 月，中國地質(zhì)調(diào)查局組織在福建漳州實施了我國首個干熱巖科學(xué)鉆井，這標(biāo)志著我國國家級干熱巖實踐正式拉開序幕。2017年，河北煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊實施了干熱巖預(yù)查項目，鉆井井深4000 m，溫度為110℃。隨后，我國在青海共和盆地3705 米深處成功鉆獲236℃高溫干熱巖，有望在2035 年成功建設(shè)一到兩個干熱巖示范工程，實現(xiàn)干熱巖發(fā)電。2021 年6 月河北省唐山市馬頭營凸起區(qū)干熱巖開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項目實現(xiàn)了干熱巖試驗性發(fā)電，這是我國首次實現(xiàn)干熱巖試驗性發(fā)電。

3 地?zé)崮馨l(fā)電現(xiàn)狀

3.1 國外地?zé)崮馨l(fā)電

據(jù)國際地?zé)釁f(xié)會公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止2020 年底，全球地?zé)岚l(fā)電國家共有30 個，地?zé)岚l(fā)電裝機容量達到15.95 GW，全球用于電力項目的地?zé)徙@井總數(shù)為1159 口，總投資103.67 億美元，裝機總?cè)萘肯啾?015年增長約27%［15］。美國是世界上地?zé)豳Y源量和發(fā)電量最大的國家。據(jù)美國地?zé)釁f(xié)會公開的數(shù)據(jù)顯示，2019 年美國共有94 座地?zé)岚l(fā)電廠，地?zé)岚l(fā)電裝機容量為3.7 GW，相比2015 年增長了7%～10%，地?zé)岚l(fā)電裝機容量約占全國可再生能源的2%，發(fā)電量約占全國總發(fā)電量的0.4%［2］。

印度尼西亞地?zé)釢摿s為29 GW，是僅次于美國的世界第二大地?zé)岚l(fā)電國。截止2019年底，地?zé)岚l(fā)電總裝機容量達到2.3 GW，預(yù)計到2025 年總裝機容量將達到7.24 GW，2030年達到10 GW；盡管印度尼西亞政府努力加快地?zé)衢_發(fā)的步伐，但因為回報率不高、高風(fēng)險的購電協(xié)議以及環(huán)境和政策等問題使得預(yù)期目標(biāo)的實現(xiàn)具有很高的不確定性［2,16］。

土耳其是世界上第6 個利用地?zé)岚l(fā)電的國家，自1960 年開始地?zé)峥碧揭詠?，共發(fā)現(xiàn)地?zé)崽?60 個，地?zé)岚l(fā)電潛力約為4.5 GW，截止2020 年12 月，已建成56座以中高溫地?zé)岚l(fā)電為主的發(fā)電廠，總裝機容量為1.66 GW［17，18］。2005 年土耳其的地?zé)岚l(fā)電裝機容量在世界排名第15位，現(xiàn)已位居世界第四，增速突飛猛進。

肯尼亞在2015 年至2019 年間，地?zé)岚l(fā)電總裝機容量增長218 MW，是全球地?zé)岚l(fā)電裝機容量增速最快的國家之一，其總裝機容量為865 MW，占肯尼亞發(fā)電總裝機容量的29%；其中還有裝機容量為188 MW的地?zé)岚l(fā)電項目仍在建設(shè)之中，140 MW 地?zé)岚l(fā)電項目已經(jīng)獲得了資金支持但尚未建設(shè)［19］。

新西蘭有129 個已確定的地?zé)崽?，其?4 個在70℃～140℃范圍內(nèi)，7 個在140℃～220℃范圍內(nèi)，15 個在220℃以上；總裝機容量約1.06 GW，年發(fā)電量7474 GWh，約占全國電力供應(yīng)的18%［20］。

截止2019 年底，意大利共有37 座發(fā)電廠，分布在lardarello、Monteamia 和Travale-Radicondoli 三個主要區(qū)域，地?zé)岚l(fā)電裝機總?cè)萘繛?15.5 MW；在建項目20 MW 蒙泰羅通多發(fā)電廠于2018年完成地面勘探，2019年進行鉆探工作，但尚未找到公開資料證明該電廠已經(jīng)成功并網(wǎng)發(fā)電［21］。

2015—2020年，土耳其、印度尼西亞、肯尼亞等國家?guī)恿巳虻責(zé)岚l(fā)電裝機容量的增長。據(jù)國際能源署可持續(xù)發(fā)展情景（SDS）的發(fā)展目標(biāo)，到2050 年，全球地?zé)岚l(fā)電裝機容量將增至150 GW。表2 為地?zé)岚l(fā)電裝機容量排名前10 的國家，主要數(shù)據(jù)來自2015—2020世界地?zé)岽髸聢蟾妗?/p>

表2 2020年地?zé)岚l(fā)電裝機容量排名前十的國家

3.2 中國地?zé)崮馨l(fā)電

在20 世紀(jì)70 年代初，廣東豐順縣鄧屋村首次使用91℃地?zé)崴l(fā)電成功，中國成為世界上第8 個利用地?zé)岚l(fā)電的國家，之后我國又陸續(xù)建設(shè)了河北懷來、江西宜春、山東招遠等6個中低溫地?zé)犭娬?，但目前只有廣東豐順鄧屋3號機組還在運行中。

1977 年，為解決西藏人民的用電問題，西藏羊八井高溫地?zé)犭娬就懂a(chǎn)，由小型火電機組改裝成第一臺試驗機組，機組容量為1 MW。該地?zé)犭娬静捎瞄W蒸發(fā)電系統(tǒng)，地?zé)崃黧w為濕蒸汽，總裝機容量為25.18 MW，自1977 年開發(fā)利用以來，累計發(fā)電量已達到34.11 億KWh，在拉薩電網(wǎng)中的負荷占比曾高達60%，減少二氧化碳排放340萬噸。羊八井地?zé)犭娬臼俏覈谝粋€利用水熱型地?zé)豳Y源進行直接發(fā)電的大型工業(yè)試驗電站，也是目前我國唯一商業(yè)運營的地?zé)犭娬?，同時還是世界上第一座利用第四系淺層熱儲進行工業(yè)性發(fā)電的電站，被稱為世界屋脊明珠。據(jù)公開資料報道，羊八井地?zé)犭娬舅迷O(shè)備中有88%為國產(chǎn)設(shè)備，該電站建成對于改善西藏電源結(jié)構(gòu)和推動中國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

自羊八井地?zé)犭娬局?，我國地?zé)岚l(fā)電基本處于停滯不前的狀態(tài)，1983 年西藏阿里地區(qū)建成2 臺裝機容量為1 MW 的朗久地?zé)犭娬?，后由于發(fā)電量不足于1988 年停運；1993 年，西藏那曲建成裝機容量為1 MW 的地?zé)岚l(fā)電站，后因為管道結(jié)垢嚴(yán)重于1998 年停運。2018 年10 月，位于西藏自治區(qū)當(dāng)雄縣格達鄉(xiāng)南部羊易地?zé)犭娬疽黄?6 MW 地?zé)岚l(fā)電機組實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電并順利通過72 小時滿負荷試運行。是我國首次實現(xiàn)100%回灌的地?zé)犭娬?，同時也是世界上海拔最高、國內(nèi)單機容量最大的地?zé)犭娬?；年發(fā)電量可達1910.5 MWh，上網(wǎng)結(jié)算電量1677.2 MWh 時，每年可減少二氧化碳排放21萬噸。

近幾年，地?zé)岚l(fā)電也逐漸引起了人們的重視，表3為我國地?zé)犭娬窘y(tǒng)計表，據(jù)公開資料報道顯示，2017年云南瑞麗實現(xiàn)了4臺400 kW 機組發(fā)電，四川康定也新增200 kW 地?zé)岚l(fā)電容量，河北獻縣試驗成功了280 kW 地?zé)岚l(fā)電。合理開發(fā)利用地?zé)豳Y源，不但可以減少化石燃料的使用，還能推動我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

表3 中國地?zé)犭娬窘y(tǒng)計表

4 展望

近年來，我國地?zé)崮芾梅绞街饕灾苯永脼橹?，隨著地?zé)岚l(fā)電關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，地?zé)衢_發(fā)利用逐漸向地?zé)岚l(fā)電方向延伸。地?zé)岚l(fā)電就是將地下熱能提取出來轉(zhuǎn)換成可供使用的電能，在發(fā)電過程中幾乎零排放，相比火力發(fā)電、水力發(fā)電更具有競爭力。結(jié)合我國地?zé)豳Y源分布來看，分布在地中海-喜馬拉雅山地?zé)釒系乃拇?、云南、西藏等地是高溫地?zé)豳Y源主要分布地區(qū)，具有非常大的發(fā)電潛力；隨著中低溫地?zé)岚l(fā)電在技術(shù)手段和設(shè)備研發(fā)取得突破，利用中低熱地?zé)豳Y源發(fā)電持續(xù)增長；我國干熱巖資源豐富，利用干熱巖發(fā)電目前還在研發(fā)階段，與西方國家相比發(fā)展緩慢。中低溫地?zé)岚l(fā)電以及增強型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破，將加快地?zé)豳Y源的開發(fā)利用，為構(gòu)建我國清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系作出貢獻。

5 結(jié)論

（1）我國地?zé)豳Y源豐富，地?zé)岚l(fā)電裝機容量與地?zé)豳Y源量不相符，其主要原因是地?zé)豳Y源受地域影響嚴(yán)重。地?zé)犭娬镜慕ǔ刹粌H需要根據(jù)地?zé)豳Y源類型選擇合適的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，還要結(jié)合當(dāng)?shù)赜秒娦枨?、電源結(jié)構(gòu)等進行綜合分析。

（2）地?zé)豳Y源溫度決定采用地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)類型，我國蒸汽型地?zé)豳Y源比較稀少，干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)很難在我國推廣；可以用來發(fā)電的水熱型地?zé)豳Y源以中低溫為主，高溫為輔，故我國地?zé)豳Y源適合推廣閃蒸發(fā)電系統(tǒng)和雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)；開發(fā)利用干熱巖發(fā)電至今仍處于試驗階段，EGS 發(fā)電系統(tǒng)是未來地?zé)岚l(fā)電研究趨勢之一，開發(fā)潛力巨大。

（3）西藏地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)過發(fā)展，只開發(fā)利用了羊八井地?zé)崽?、羊易地?zé)崽铮Y(jié)合西藏地區(qū)缺煤少電的情況，合理開發(fā)當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源有助于緩解當(dāng)?shù)仉娏π枨竺?，改善電源結(jié)構(gòu)。