地?zé)崮茏鳛橐环N非碳基、清潔能源，具有穩(wěn)定連續(xù)輸出的優(yōu)勢，對實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)具有重要價(jià)值。本文在綜述全球地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從地?zé)豳Y源分布、地?zé)岚l(fā)電利用、地?zé)嶂苯永煤偷責(zé)醿δ艿确矫嫒胧?，對全球地?zé)崮荛_發(fā)利用的發(fā)展趨勢和新技術(shù)研發(fā)方向進(jìn)行了梳理。在總結(jié)全球地?zé)衢_發(fā)利用經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，針對中國現(xiàn)有地?zé)崮荛_發(fā)利用的問題與技術(shù)水平，提出有利于推動(dòng)和促進(jìn)中國地?zé)崮荛_發(fā)利用的政策建議和未來的發(fā)展方向。
來自地球內(nèi)部的本土能源的地?zé)崮苁且环N潔凈的可再生能源。與風(fēng)能、太陽能等可再生能源相比較，地?zé)崮艿淖畲髢?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(bào)告顯示，2007—2021年，地?zé)岚l(fā)電的能源利用系數(shù)在70%~90%。“十四五”時(shí)期是中國推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”階段性目標(biāo)的關(guān)鍵時(shí)期，在加強(qiáng)大氣霧霾治理力度、積極應(yīng)對全球氣候變暖趨勢、主動(dòng)承擔(dān)溫室氣體減排責(zé)任的大環(huán)境下，地?zé)崮芤殉蔀楦鞯貭幭嚅_發(fā)利用的重要新能源之一。
自2010年以來，全球地?zé)崮芾每焖僭鲩L，地?zé)嶂苯永醚b機(jī)容量和年利用熱量分別約為108GWt和283580GWh，中國在地?zé)嶂苯永梅矫骈L期保持世界第一。地源熱泵系統(tǒng)在全球地?zé)嶂苯永玫难b機(jī)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(yù)計(jì)這一趨勢將在未來持續(xù)下去。截止到2020年，全球地?zé)岚l(fā)電的總裝機(jī)容量為15.9GWe，年發(fā)電量為73550GWh。2010—2020年，地?zé)岚l(fā)電的年平均增長率約為4%。
本文在綜述全球地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從地?zé)豳Y源分布、地?zé)岚l(fā)電利用、地?zé)嶂苯永煤偷責(zé)醿δ艿确矫嫒胧?，對全球地?zé)崮荛_發(fā)利用的發(fā)展趨勢和新技術(shù)研發(fā)方向進(jìn)行了梳理。在總結(jié)全球地?zé)衢_發(fā)利用經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，針對中國現(xiàn)有地?zé)崮荛_發(fā)利用的問題與技術(shù)水平，提出有利于推動(dòng)和促進(jìn)中國地?zé)崮荛_發(fā)利用的政策建議和未來的發(fā)展方向。
地?zé)豳Y源分布
全球地?zé)豳Y源總量豐富，但空間分布上極不平衡。高溫地?zé)豳Y源主要分布在離散板塊邊界和匯聚板塊邊界，高溫地?zé)豳Y源分布總體受地球的構(gòu)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(guān)性，最為顯著的特征是熱流高、高溫水熱活動(dòng)強(qiáng)烈、活火山與地震活動(dòng)頻繁。4個(gè)全球性的高溫地?zé)釒牵涵h(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?zé)豳Y源則廣泛分布在板塊內(nèi)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?zé)釒Х植紙D。
圖1 全球地?zé)釒Х植?/span>
環(huán)太平洋地?zé)釒侨蚍植挤秶顝V的一個(gè)地?zé)釒В靥窖蟀鍓K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(dòng)和頻繁活火山活動(dòng)。按照地理分布進(jìn)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(gè)地?zé)醽啂?。儲層溫度一般?50~300℃，代表性的地?zé)崽镉忻绹w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?zé)釒?，因此，中國大陸東部高溫地?zé)峥碧綉?yīng)該遵循板內(nèi)地?zé)岢梢蚶碚?，而非板緣地?zé)岢梢蚶碚摗?/p>
地中海—喜馬拉雅地?zé)釒в商靥崴箍p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(yùn)動(dòng)、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?zé)崽镉兄袊虬司?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?zé)釒Т蟛糠衷谘蟮祝雎逗Ｃ娴牟糠殖誓媳毕蛘共?。熱儲溫度一般?00~300℃，代表性的地?zé)崽镉斜鶏u亨伊爾(230℃)、雷克雅未克(286℃)、納馬菲雅爾(280℃)等。
東非裂谷地?zé)釒е黧w位于非洲板塊內(nèi)，沿大陸裂谷系展布，北端為紅海-亞丁灣洋中脊擴(kuò)張帶。以高熱流、強(qiáng)烈現(xiàn)代火山作用以及廣泛斷裂活動(dòng)為特征。熱儲溫度多高于200℃，代表性的地?zé)崽镉邪Ｈ肀葋嗊_(dá)洛爾(>200℃)和肯尼亞奧爾卡利亞(287℃)。
隨著近些年地?zé)豳Y源勘探的進(jìn)行，除了以上在板塊邊界部位形成的高溫地?zé)崽锿?，在板塊內(nèi)部也新發(fā)現(xiàn)了諸多的高溫地?zé)崽?，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?zé)岚l(fā)電利用
地?zé)岚l(fā)電是地?zé)崮茏钪饕睦梅绞街?。目前，主流的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)包括背壓式發(fā)電、凝汽式發(fā)電、閃蒸發(fā)電、雙工質(zhì)發(fā)電、全流發(fā)電、閃蒸雙工質(zhì)發(fā)電等，采用何種發(fā)電方式主要取決于當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源的稟賦。地?zé)岚l(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?zé)狎?qū)動(dòng)小型發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電功率為0.55kW，可提供5個(gè)100W的電燈照明用電。1913年，在該地?zé)崽锝ǔ闪巳虻谝蛔責(zé)犭娬?，裝機(jī)容量250kW。1958年，新西蘭建成了懷拉基地?zé)岚l(fā)電廠，為第一個(gè)熱水型擴(kuò)容閃蒸式地?zé)犭娬尽?960年，美國第一座裝機(jī)量11MW的地?zé)犭娬驹诩永Ｄ醽喼萆w瑟斯地?zé)崽锝ǔ?，順利運(yùn)行長達(dá)30年之久。根據(jù)國際可再生能源組織(IRNEA)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2021年底，全球地?zé)崮馨l(fā)電總裝機(jī)容量15644MW，較2015年新增裝機(jī)容量3832MW(圖2)，全球用于地?zé)岚l(fā)電的主要是中高溫地?zé)豳Y源。
圖2 全球地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量趨勢
中國高溫地?zé)豳Y源主要分布在西藏地區(qū)。1977年，中國第一座兆瓦級高溫地?zé)犭娬驹谖鞑匮虬司l(fā)電成功，羊八井地?zé)犭娬镜难b機(jī)容量最高時(shí)達(dá)到了27.18MW。2018年底，西藏羊易地?zé)犭娬就瓿梢黄?6MW建設(shè)，2019年2月底完成滿負(fù)荷并網(wǎng)發(fā)電。截至目前，中國累計(jì)建成的地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量約為59.6MW，然而，由于各種原因目前實(shí)際運(yùn)行的不足20MW。
由于可開采高溫地?zé)豳Y源需進(jìn)一步探明以及干熱巖發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)仍有待突破，中低溫地?zé)岚l(fā)電有望成為未來地?zé)岚l(fā)電發(fā)展的一個(gè)重要方向，但中低溫地?zé)岚l(fā)電應(yīng)與其他地?zé)崂梅绞较嘟Y(jié)合，以提高能源的利用效率和經(jīng)濟(jì)性。冰島將116℃的地?zé)嵊糜诎l(fā)電，裝機(jī)容量0.6MW，發(fā)電后產(chǎn)生的76℃的尾水再用于供暖，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的梯級利用。美國在阿拉斯加建成的切納地?zé)犭娬?，利?4℃的地?zé)崴M(jìn)行發(fā)電，地?zé)崴魅胗袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組的蒸發(fā)器，與蒸發(fā)器中的有機(jī)工質(zhì)換熱，降低至54℃流入回灌井，機(jī)組可以提供250kW的電力。日本利用中低溫地?zé)峤ǔ闪搜b機(jī)規(guī)模在100kW~5MW的ORC電站。20世紀(jì)70年代，在中國廣東豐順縣建成的國內(nèi)首座地?zé)犭娬?，其利用的地?zé)崴疁囟葹?2℃，其3號機(jī)組連續(xù)運(yùn)行了近40年，江西宜春曾經(jīng)創(chuàng)造了利用67℃地?zé)崴M(jìn)行發(fā)電的先例。
地?zé)嶂苯永?/strong>
地?zé)崮苤苯永冒ǖ責(zé)峁┡?、地?zé)嶂评?、地?zé)岣稍?、溫泉洗浴和地源熱泵等。?jīng)過長期的發(fā)展，地?zé)豳Y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(gè)國家直接將地?zé)崮苡糜诮ㄖ┡?或制冷)，或用于工農(nóng)業(yè)。其中，冰島是眾所周知的地?zé)崮芨咝ч_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?zé)豳Y源，全國有90%以上的家庭用地?zé)峁┡?。冰島首都雷克雅未克市的地?zé)峁┡延邪倌甑臍v史，市區(qū)主要采用地?zé)峁┡哂?ldquo;無煙城”的美譽(yù)。據(jù)2020年世界低熱大會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年底，世界范圍內(nèi)88個(gè)國家的地?zé)豳Y源直接利用總裝機(jī)容量為107727MWt(圖3能量使用約為1020887TJ/年(283580GWh/年)。各種地?zé)嶂苯永梅绞降难b機(jī)容量變化趨勢及分布情況，如表1所示，可以看出，各種地?zé)豳Y源直接利用方式的裝機(jī)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?zé)豳Y源應(yīng)用的區(qū)域和規(guī)模不斷擴(kuò)大。
圖3 地?zé)嶂苯永媚芰繉Ρ葓D
表1 各種地?zé)嶂苯永梅绞降难b機(jī)容量(單位：MWt)
地?zé)峋C合梯級利用無疑提高了地?zé)豳Y源的利用率和經(jīng)濟(jì)效益，許多國家已經(jīng)開始紛紛采用這一技術(shù)，肯尼亞近年來在地?zé)岚l(fā)電方面發(fā)展很快，而其在地?zé)嶂苯永蒙弦埠苡刑厣夏醽咵burru項(xiàng)目利用2口淺層井中產(chǎn)出的地?zé)豳Y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(guān)的地?zé)崽菁壚庙?xiàng)目。1995年首次世界地?zé)岽髸?huì)以來，中國地?zé)嶂苯永玫臒崃恳恢狈€(wěn)居世界第1位。2014年底，中國地?zé)嶂苯永冒l(fā)生了可喜的變化，地?zé)峁┡壤状纬^溫泉洗浴。2019年底，中國地?zé)嶂苯永醚b機(jī)規(guī)模40610MW，占世界總裝機(jī)的37.7%，年利用能量443492TJ/年，占世界總利用能量的43.4%。地?zé)峁┡浅卦礋岜弥庵袊钪匾牡責(zé)崂梅绞?，年利用熱量約占世界總量的55.6%。1990年，全國地?zé)峁┡娣e僅190萬m2，2000年為1100萬m2，2019年達(dá)到了4.78億m2。2019年，河北省水熱型地?zé)峁┡娣e達(dá)到1.6億m2，而雄縣也被打造成地?zé)峁┡?ldquo;無煙城”。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，可以預(yù)見地?zé)豳Y源開發(fā)利用的速度將不斷加快。
地?zé)醿δ芾?/strong>
地?zé)醿δ苁且环N利用地下含水層作為介質(zhì)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(shí)現(xiàn)熱能儲存和回收(圖4)。地?zé)醿δ芸梢詮浹a(bǔ)能源供需在時(shí)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(hù)提供了一個(gè)很好的解決途徑，也是助力中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有力手段。
圖4 地?zé)醿δ苣Ｊ礁拍?/p>
根據(jù)含水層深度，可將地?zé)醿δ芟到y(tǒng)分為如下2類：(1)淺部地?zé)醿δ?，含水層深度?00m以淺，存儲熱水溫度一般低于50℃;(2)深部地?zé)醿δ?，含水層深度通常?00m以深，存儲熱水溫度一般在50~150℃。
淺部地?zé)醿δ芤驕囟容^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?zé)醿δ芟到y(tǒng)的實(shí)際利用始于20世紀(jì)中葉。中國在利用淺部地下含水層進(jìn)行儲熱方面的實(shí)踐開展較早，20世紀(jì)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(shù)。截至目前，中國共有6座淺層地?zé)醿δ芟到y(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?zé)醿δ艿睦梅绞揭哺佣嘣?。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?zé)醿δ艿膶?shí)際案例。
深部地?zé)醿δ芸蓛囟容^高，有的甚至超過100℃，主要可用于發(fā)電和供暖。深部地?zé)醿δ苎芯亢屠檬加?0世紀(jì)80近年代，近年來，隨著能源需求日益增長，深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)又重新受到重視，關(guān)于深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)的研究和工程實(shí)踐也越來越多。2018年，歐盟資助了地下儲熱項(xiàng)目HEATSTORE，總投資達(dá)到5000萬歐元，9個(gè)國家參與(德國、法國、荷蘭、瑞士、比利時(shí)、丹麥、冰島等)，項(xiàng)目為期5年(2018—2022年)，共資助6個(gè)地下儲熱示范項(xiàng)目，其中包括3個(gè)深部地?zé)醿δ茼?xiàng)目。另外，美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助的儲熱項(xiàng)目Geothermal Battery，總投資1000萬美元，由猶他大學(xué)牽頭，愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多家企業(yè)參與其中。中國在深部地?zé)醿δ芊较虻难芯块_展較晚，當(dāng)前以中國科學(xué)院地?zé)釄F(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的深層含水層地下儲熱研究已從理論模型研究進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)和示范工程建設(shè)階段。
地?zé)醿ψ鳛榫薮蟮奶烊荒茉磧?，最適宜在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中承擔(dān)蓄能和實(shí)現(xiàn)熱能穩(wěn)定輸出的功能，可以把風(fēng)能、太陽能等可再生能源儲蓄起來，實(shí)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(diǎn)，可以加快中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”發(fā)展目標(biāo)。據(jù)研究表明，通過對荷蘭74個(gè)淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的調(diào)查顯示，從系統(tǒng)中每開采1m3的地下水，可以實(shí)現(xiàn)平均CO2減排量為0.46kg。這對于一個(gè)小規(guī)模地?zé)醿δ芟到y(tǒng)(功率在0.1~3MW)來說相當(dāng)于每年可以減少150t/a的CO2排放，而對于一個(gè)大規(guī)模系統(tǒng)(功率達(dá)到5~30MW)來說每年碳減排多達(dá)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(bào)道，埃因霍溫(荷蘭)科技大學(xué)校園內(nèi)全球最大的淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)每年可減排超過13000t的CO2，這相當(dāng)于800名美國公民或1300名德國公民的年平均碳排放。
同時(shí)，在一定條件下，地?zé)醿δ芟到y(tǒng)與普通地?zé)嵯到y(tǒng)相比，具有更為顯著的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。典型地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的投資回報(bào)時(shí)間僅為2~10a。用于制冷的地?zé)醿δ芟到y(tǒng)投資回報(bào)時(shí)間甚至更短，因?yàn)閮Υ娴睦淞靠梢灾苯邮褂?，不需要借助熱泵。?jù)研究報(bào)道表明，地?zé)醿δ芟到y(tǒng)平均使用壽命可達(dá)到25~50a。
結(jié)論
目前，全球的淺層地?zé)豳Y源均通過地?zé)岜眉夹g(shù)進(jìn)行開發(fā)利用，該技術(shù)是全球發(fā)展最快的可再生能源技術(shù)之一，也是地?zé)崂眉夹g(shù)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?zé)豳Y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?zé)崮艿母咝б?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?zé)峁┡夹g(shù)已趨于成熟。深部高溫水熱系統(tǒng)只存在特定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中，相對稀缺，嚴(yán)重制約高溫地?zé)岚l(fā)電的增長。因此，在有條件的地區(qū)發(fā)展各種地?zé)嶂苯永眉夹g(shù)，采用綜合梯級利用提高地?zé)豳Y源利用效率。
雖然地球是一個(gè)龐大的熱庫，但地?zé)豳Y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?zé)豳Y源，在需求量較小的地區(qū)地?zé)豳Y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(fēng)、棄光現(xiàn)象，有些地區(qū)棄風(fēng)率高達(dá)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(zhì)中，實(shí)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?zé)峤缫灾琳麄€(gè)新能源和可再生能源界的大問題。事實(shí)上，規(guī)?；缂竟?jié)儲能是能源行業(yè)的重大科學(xué)問題，當(dāng)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(shù)，而地?zé)醿δ芴峁┝藰O大的可能性。
來源：科技導(dǎo)報(bào) 作者：汪集暘 中國科學(xué)院院士
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