地?zé)豳Y源開發(fā)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?zé)嵴{(diào)查所，北京 102218；2.自然資源部淺層地?zé)崮苤攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102218；3.北京市華清地?zé)衢_發(fā)集團(tuán)有限公司，北京 102218）

地?zé)崮苁菑牡貧の恢贸槿〉囊环N天然能源，是一種由熱力形式散發(fā)出來的能量。這種能量可以說是地球誕生之初就存在的，規(guī)模數(shù)量龐大，是火山爆發(fā)、地震等自然災(zāi)害發(fā)生的主要原因。在全球能源危機(jī)的大背景下，新能源是眾多國家科技發(fā)展的重要課題。地?zé)崮茏鳛橐环N純天然的清潔能源，也成為了能源研究的新方向。合理應(yīng)用地?zé)崮茉?，可以緩解?dāng)前國家石油、煤炭等傳統(tǒng)能源緊缺的問題，同時(shí)也可以作為產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的契機(jī)。結(jié)合可持續(xù)發(fā)展需求，探索地?zé)崮茉撮_發(fā)利用技術(shù)就顯得十分重要。

1 地?zé)豳Y源開發(fā)利用的戰(zhàn)略意義

地球地心溫度最高可以達(dá)到7 000 ℃，極高的溫度也代表了其中蘊(yùn)含極大的能量，但是由于溫度過高，人類當(dāng)前的科技很難直接應(yīng)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(dòng)，這些熱能會被傳遞離地面較近的地殼層，這也使得開發(fā)利用地?zé)崮艹蔀榱丝赡?。其?shí)人類在古代時(shí)就已經(jīng)嘗試?yán)玫責(zé)崮芰耍缃柚鷾厝逶?、采集地下熱水來取暖、通過區(qū)域特性建造溫室、進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖等。

地?zé)崮芏鄶?shù)來源于地球深處的可再生熱能，借助地下水循環(huán)及熔巖流動(dòng)，將熱量傳遞到近地面。地?zé)醿α渴铸嫶?，且是清潔能源，如果合理提取，可以產(chǎn)生源源不斷的熱能。在能源危機(jī)和環(huán)保意識增強(qiáng)的情況下，地?zé)崮苓@種清潔能源也備受人們關(guān)注。相較于太陽能、風(fēng)能等新能源，地?zé)崮艿膬?yōu)勢在于其穩(wěn)定性和連續(xù)性。聯(lián)合國發(fā)布的世界能源報(bào)告文件中也提到關(guān)于可再生能源的研究對比，地?zé)岚l(fā)電的可利用系數(shù)達(dá)到了70%左右，明顯高于太陽能、風(fēng)能的25%左右利用率，同時(shí)地?zé)崮苡脕硖峁├?、熱?fù)荷也較為穩(wěn)定。我國發(fā)展地?zé)崮軐ι鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

（1）可以應(yīng)用到建筑節(jié)能方面，淺層產(chǎn)生的地?zé)崮?，可以通過地源熱泵技術(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過在地?zé)崮茇S富的地區(qū)建設(shè)，可以一定程度上替代傳統(tǒng)的市政供暖系統(tǒng)，成為冬季供暖的來源。如東北地區(qū)由于冬季供暖以火電廠燒煤為主，造成嚴(yán)重空氣、水源污染，如果能合理應(yīng)用地?zé)崮?，顯然能有效緩解環(huán)境污染。

（2）從分布式發(fā)電角度來看，有條件的地區(qū)可以借助高溫水熱型地?zé)豳Y源來采集能量，建設(shè)分布性地?zé)崮茉措娬?，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(fā)利用的地?zé)崮軈^(qū)域較多，合理開發(fā)可以有效帶動(dòng)我國能源科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

（3）目前我國雖然在大力發(fā)展地?zé)崮艿刃滦湍茉?，但是總體的利用效率并不高。因?yàn)榻柚責(zé)崮軄碇茻帷⒅评?、建設(shè)地源熱泵等技術(shù)對溫度的要求都有差異。如果借助地?zé)豳Y源，可以有效推動(dòng)技術(shù)融合發(fā)展，提高資源利用率。地區(qū)通過發(fā)展地?zé)崽菁壚眉夹g(shù)，可以優(yōu)化當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)布局，形成新型能源供應(yīng)鏈，對調(diào)整國家總體能源結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著積極影響。

2 地?zé)崮茉捶植技皯?yīng)用潛力

我國地理面積廣袤，地?zé)豳Y源也相當(dāng)豐富。地球內(nèi)部的地?zé)豳Y源大多數(shù)都集中在構(gòu)造活動(dòng)帶和盆地當(dāng)中。分析國內(nèi)地質(zhì)、水文、城市、地?zé)岬刭|(zhì)等信息，國土資源局也對地?zé)崮茉吹臐摿M(jìn)行新的評價(jià)。我國淺層土地中的地?zé)崮茉聪喈?dāng)于100億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。而通過轉(zhuǎn)換以后每年可以利用的地?zé)崮茉聪喈?dāng)于4億噸左右的標(biāo)準(zhǔn)煤。如果通過合理的開發(fā)利用，就可以為國家每年節(jié)約大概2.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，極大減少二氧化碳、化工污水、廢料殘?jiān)呐欧?；而國?nèi)沉積盆地的地?zé)豳Y源儲量相當(dāng)于8 500億噸，可以利用的地?zé)豳Y源相當(dāng)于6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。如果再深入地層3～10 km，地?zé)豳Y源更加豐富。

比如中西部地區(qū)、西南地區(qū)的地?zé)崮茌^多，集中在西藏、云南、四川盆地等區(qū)域，這些地區(qū)的面積較廣，人口密度較小，即使大量建設(shè)地?zé)岚l(fā)電站，對當(dāng)?shù)孛癖姷挠绊懸膊粫艽?，而且面積大也便于電力輸送，可以緩解中西部區(qū)域的用電壓力。而東南沿海地區(qū)因?yàn)槠骄鶜鉁馗?，夏季時(shí)間長，每年制冷能耗較大，可以借助華北盆地、江漢盆地區(qū)域的地?zé)崮軄磉M(jìn)行制冷。東北地區(qū)的地?zé)崮芤草^為豐富，通過發(fā)展地源熱泵技術(shù)，建設(shè)地?zé)崮茉凑?，可以緩解東北地區(qū)冬季供暖的壓力。東北地區(qū)冬季供暖主要依靠火電廠燃煤供暖，冬季空氣污染嚴(yán)重，通過發(fā)展地?zé)崮埽瑢徑饪諝馕廴居兄己脦椭?/p>

3 我國地?zé)崮芗夹g(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國中西部地區(qū)戰(zhàn)略開發(fā)任務(wù)的持續(xù)推進(jìn)，中西部地區(qū)的地?zé)崮茉唇ㄔO(shè)工作也在有條不紊地進(jìn)行，并取得了一些成效，比如在地?zé)岚l(fā)電、采暖、溫室種植、醫(yī)療建設(shè)、溫泉旅游等方面都在陸續(xù)建設(shè)。我國對地?zé)崮艿睦梅矫?，如熱力泵、熱處理技術(shù)、雙流體循環(huán)發(fā)電設(shè)備發(fā)電等技術(shù)，這類地?zé)崮艿募夹g(shù)應(yīng)用開發(fā)已經(jīng)逐漸走向成熟，今后還會逐步研究如何從巖漿、地?zé)嵩鰤嘿Y源中獲取地?zé)崮?，這些技術(shù)研究增大了地?zé)豳Y源的應(yīng)用潛力。當(dāng)然國內(nèi)在地?zé)崮芸碧?、提取技術(shù)方面還需要進(jìn)一步深入研究。

3.1 地?zé)岚l(fā)電技術(shù)

地?zé)豳Y源是一種統(tǒng)稱，其實(shí)地?zé)豳Y源種類是比較多的，這也導(dǎo)致地?zé)崮茉崔D(zhuǎn)換、發(fā)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(jìn)行發(fā)電；而一些中溫?zé)崴偷責(zé)崽?，目前會采用擴(kuò)容發(fā)電或者是雙工質(zhì)的方式來進(jìn)行發(fā)電轉(zhuǎn)換。近年來，雙工質(zhì)發(fā)電技術(shù)是國際上較為先進(jìn)的一種方式，裝機(jī)數(shù)量較多的有美國、印度尼西亞、菲律賓等，我國雖然也在持續(xù)推進(jìn)，但近年來地?zé)嵫b機(jī)容量的整體進(jìn)展還不太明顯。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的雙工質(zhì)循環(huán)技術(shù)主要是采用了ORC循環(huán)技術(shù)，后來kalina循環(huán)也逐漸被應(yīng)用到雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)中，歐美地區(qū)在建設(shè)地?zé)犭娬緯r(shí)也陸續(xù)采用的這種循環(huán)方式。采用kalina循環(huán)可以讓能量在循環(huán)過程中，讓熱源和冷源有一個(gè)較好的循環(huán)匹配關(guān)系，優(yōu)點(diǎn)在于提升了能量循環(huán)效率。

（1）干蒸汽發(fā)電。地?zé)岚l(fā)電中，干蒸汽發(fā)電站是技術(shù)最為簡單，也是最早的設(shè)計(jì)。當(dāng)然現(xiàn)在這種類型的發(fā)電站已經(jīng)十分少見，因?yàn)樵诩夹g(shù)方面需要使用一種可以產(chǎn)生干蒸汽的資源。干蒸汽發(fā)電直接使用150 ℃以上的地?zé)嵴羝麃眚?qū)動(dòng)渦輪機(jī)，通過渦輪旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力能源。過程中產(chǎn)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(dòng)回深井，等待之后的循環(huán)利用。

（2）閃蒸發(fā)電。閃蒸發(fā)電是利用高壓熱水導(dǎo)入低壓罐子，然后借助其中產(chǎn)的閃蒸蒸汽來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。過程中的流體溫度需要達(dá)到180 ℃以上。目前作為廣泛應(yīng)用的地?zé)岚l(fā)電站，技術(shù)要求較高。

3.2 地?zé)嶂苯永眉夹g(shù)

目前在地?zé)崮茉吹闹苯討?yīng)用方面，地源熱泵技術(shù)是最為廣泛的。地源熱泵技術(shù)最早被瑞士發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)中葉被逐步重視起來，尤其到了20世紀(jì)末期，能源危機(jī)、環(huán)境污染問題逐漸嚴(yán)重，世界各國越發(fā)重視起地?zé)徇@種清潔能源。對地源熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用，當(dāng)前國際上應(yīng)用較多的地區(qū)在歐洲、北美等國家，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。如奧地利、丹麥等國家，地源熱泵技術(shù)在居民供暖方面的應(yīng)用已經(jīng)占據(jù)較大比例。地?zé)崮艿膽?yīng)用在于制冷、制熱方面，制冷是通過利用高溫地?zé)崴畞眚?qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，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?zé)嶂评涞男枨笳急炔⒉桓?，且地?zé)嶂评浼夹g(shù)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(qū)對制冷要求較高，地?zé)嶂评滹@然還達(dá)不到要求。

3.3 高溫、中低溫地?zé)崮馨l(fā)電

我國采用高溫地?zé)崮馨l(fā)電的地區(qū)，主要集中在羊八井、那曲、云南騰沖等地區(qū)。但是目前來看，運(yùn)行情況較為良好的只有羊八井地?zé)犭娬荆渌貐^(qū)的地?zé)犭娬径家驗(yàn)樾?、技術(shù)、維護(hù)成本等因素陸續(xù)停運(yùn)。西藏的羊八井地?zé)犭娬灸壳斑\(yùn)行較為穩(wěn)定，且能獲得一定的效益。羊八井屬于地?zé)嵴魵馓?，區(qū)域內(nèi)有數(shù)十個(gè)地?zé)犸@示區(qū)，借助沸騰的熱泉水，地下噴氣孔等能量來進(jìn)行發(fā)電。羊八井從建設(shè)到如今已經(jīng)經(jīng)過了40余年，平均每年的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了6 000 h以上，年均發(fā)電量也達(dá)到了1.2億度，為當(dāng)?shù)氐碾娏δ茉垂┙o提供了良好支持。而且羊八井借助區(qū)域優(yōu)勢，還建設(shè)了地?zé)釡厥襾磉M(jìn)行種植，為當(dāng)?shù)靥峁┬迈r蔬菜。

我國中低溫地?zé)岚l(fā)電站建設(shè)大多數(shù)集中在20世紀(jì)70年代，建設(shè)區(qū)域分布在廣東、江西、湖南、山東、遼寧等地區(qū)，主要是利用100 ℃以下的中低溫地?zé)崃黧w來進(jìn)行發(fā)電，裝機(jī)容量并不大，基本都在300 kW左右。經(jīng)過了幾十年的運(yùn)行，上述地區(qū)的中低溫地?zé)岚l(fā)電站基本都已停運(yùn)。雖然這些地?zé)岚l(fā)電站建設(shè)運(yùn)行時(shí)間并不長，裝機(jī)容量也較小，但是建設(shè)工作都是當(dāng)時(shí)科研工作者通過因地制宜總結(jié)的科學(xué)成果，總結(jié)下來的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)也能夠?yàn)槲覈窈蟮牡責(zé)崮茉醇夹g(shù)發(fā)展提供參考。

4 我國地?zé)崮馨l(fā)展應(yīng)用前景思考

總的來看，當(dāng)前地?zé)崮芗夹g(shù)發(fā)展，主要面臨的問題在于資金投入不足，技術(shù)研發(fā)遇到瓶頸，所以導(dǎo)致整體的發(fā)展速度較為緩慢?，F(xiàn)在對地?zé)豳Y源的開發(fā)利用還多數(shù)集中在地?zé)峁┡逶?、溫室養(yǎng)殖等方面，而在地?zé)嶂评?、地?zé)岚l(fā)電等領(lǐng)域的技術(shù)研究一直沒有較大的突破。

因此要解決地?zé)峒夹g(shù)停滯不前的問題，首先還需要重視地?zé)豳Y源的勘探，同時(shí)加大市場推廣力度，吸引更多資本力量進(jìn)入來解決資金問題。通過讓市場投資者認(rèn)識到地?zé)豳Y源的發(fā)展前景，才能得到更多支持來推動(dòng)技術(shù)研發(fā)，打破當(dāng)前的技術(shù)瓶頸；然后重點(diǎn)是需要突破當(dāng)前地?zé)嶂评?、供暖、發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，改變地?zé)峒夹g(shù)較為落后的問題。只有不斷提高地?zé)豳Y源的利用率，才能讓地?zé)豳Y源在經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展中發(fā)揮出更大作用。

4.1 大力發(fā)展高溫地?zé)岚l(fā)電

從當(dāng)前的地?zé)豳Y源儲備區(qū)域和分布情況來看，我國的地?zé)豳Y源優(yōu)勢較大，在地?zé)豳Y源開發(fā)過程中，通過因地制宜、合理建設(shè)，就可以帶來一定成果。比如在中西部、西南地區(qū)，通過建設(shè)地?zé)岚l(fā)電站。東北、華北地區(qū)建設(shè)地?zé)峁┡?。沿海地區(qū)建設(shè)地?zé)嶂评涞?。結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)發(fā)展地?zé)崽菁壖夹g(shù)，建設(shè)大規(guī)模地源熱泵來提升地?zé)豳Y源利用率。我國150 ℃以上的高溫溫泉區(qū)域超過了100處，都可以進(jìn)行合理建設(shè)。高溫地區(qū)的熱蒸汽可以主要用作發(fā)電，在發(fā)電過程中產(chǎn)生的地?zé)嵛菜€可以通過建設(shè)輸水管道來為建筑供暖，可以實(shí)現(xiàn)高溫地?zé)岚l(fā)電到尾水供暖的梯級應(yīng)用，顯然應(yīng)用得當(dāng)可以在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面取得良好效益。目前西藏地區(qū)在高溫地?zé)峤ㄔO(shè)方面有著良好優(yōu)勢，同時(shí)也有羊八井的成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。所以要打破地?zé)崮苜Y源豐富但是利用率不高的現(xiàn)狀，通過不斷開發(fā)羊八井等區(qū)域的熱能，深入研究地?zé)岚l(fā)電站的技術(shù)，加快高溫地?zé)釁^(qū)域的建設(shè)開發(fā)，以此來逐步帶動(dòng)中西部、西南地區(qū)的地?zé)崮茉撮_發(fā)。

4.2 逐步改進(jìn)中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)

雖然早年建設(shè)的中低溫地?zé)岚l(fā)電站多已停運(yùn)，但是也證明了中低溫地?zé)岚l(fā)電的可行性，未來的開發(fā)利用模式，就是進(jìn)一步研究中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，讓其在經(jīng)濟(jì)層面更加有競爭力。太陽能光伏發(fā)電目前是10萬元裝機(jī)1 kW，年運(yùn)行2 000 h，而中低溫地?zé)岚l(fā)電1萬元裝機(jī)1 kW，年運(yùn)行6 000 h，具備一定的優(yōu)勢。只需要進(jìn)一步研究能量轉(zhuǎn)換效率，以及優(yōu)化機(jī)器維護(hù)成本，從長遠(yuǎn)角度來看，顯然更具有優(yōu)勢。

4.3 通過建設(shè)中低溫地?zé)岚l(fā)電，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

礦山、燃煤、油田生產(chǎn)中排放的80 ℃以上的廢水，可以采用雙流體系統(tǒng)來發(fā)電，物盡其用。在油氣田生產(chǎn)過程中，伴生的中低溫地?zé)豳Y源總量也很大，如果合理利用也能給地?zé)崮茉唇ㄔO(shè)帶來機(jī)遇。如當(dāng)前很多油田區(qū)域會注水采油，含水率較高。地?zé)岚l(fā)電成本的前期投資在于鑿井費(fèi)用，如果借助油氣田的井口，就可以節(jié)省一部分的打井費(fèi)用。所以今后地?zé)衢_發(fā)利用的一個(gè)方向，可以思考借助油氣田來建設(shè)中低溫地?zé)岚l(fā)電站。

4.4 重視政策支持和技術(shù)推廣

雖然政策對地?zé)峒夹g(shù)開發(fā)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(tài)。政府層面只有將政策落到實(shí)處，比如像太陽能、風(fēng)能發(fā)電，明確具體的補(bǔ)貼力度，或者明確具有一定收益的電價(jià)，才能吸引更多資本，促進(jìn)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

技術(shù)推廣層面，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)科研機(jī)構(gòu)與供熱企業(yè)的合作，重視對供電系統(tǒng)的研究和優(yōu)化，然后發(fā)展地源熱泵技術(shù)來進(jìn)行大區(qū)域供熱系統(tǒng)示范工程，最終的應(yīng)用范圍可以集中在城鎮(zhèn)居民冬季供暖，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的溫室建設(shè)和種植養(yǎng)殖；而高溫?zé)岜眉夹g(shù)，要大力發(fā)展熱泵系統(tǒng)技術(shù)，重視高溫?zé)岜脵C(jī)組模塊化研究，通過將高溫?zé)岜脵C(jī)組進(jìn)行模塊化生產(chǎn)、建設(shè)，才能進(jìn)一步推動(dòng)地源熱泵技術(shù)在市場上推廣，并應(yīng)用到工業(yè)節(jié)能方面。

5 結(jié)語

雖然地?zé)崮茉撮_發(fā)建設(shè)在我國持續(xù)了幾十年時(shí)間，但是基本都是市場自由發(fā)展，缺少長遠(yuǎn)規(guī)劃。綜合來看，地?zé)崮茉淳哂薪?jīng)濟(jì)、環(huán)保等多種優(yōu)勢，通過政府與市場合作建設(shè)的方式，來全面規(guī)劃部署生產(chǎn)建設(shè)，制定合理發(fā)展計(jì)劃與配套政策，這樣才能促進(jìn)地?zé)崮茉搭I(lǐng)域的有序發(fā)展。