黃 璜，劉 然，李 茜，湯夢(mèng)陽(yáng)，諶海云，張安安

（1.西南石油大學(xué)智能電網(wǎng)與智能控制南充市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637001；2.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500；3.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

在化石燃料不斷減少與能源需求不斷增長(zhǎng)的今天，能源問(wèn)題已越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)重視[1]。提升當(dāng)前能源利用率和探索可再生能源成為解決未來(lái)能源問(wèn)題的2 個(gè)重要途徑。地?zé)崮苡捎诃h(huán)境影響度低、不受氣象限制等優(yōu)勢(shì)，成為21世紀(jì)最具潛力的可持續(xù)能源之一。研究表明，到2050年地?zé)豳Y源可以為全球提供3.9%的能量，并降低800 Mt的CO2排放[2-3]。近年來(lái)，地?zé)豳Y源受到世界各國(guó)政府和私營(yíng)部門(mén)廣泛重視與開(kāi)發(fā)利用。2015年底，美國(guó)在7 個(gè)州建有地?zé)岚l(fā)電站，發(fā)電總量接近168 億kW·h，占美國(guó)發(fā)電總量的0.4%[4]；土耳其地?zé)岚l(fā)電上網(wǎng)量從2006年的0.05%增加到了2012年的0.38%，6年內(nèi)增長(zhǎng)近8 倍[5]；日本政府自2011年福島核事故后大力實(shí)行可再生能源計(jì)劃，截至2018年底共擁有17 個(gè)地?zé)岚l(fā)電站，裝機(jī)容量約525 MW[6]；中國(guó)政府于2017年1月發(fā)布了《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，明確規(guī)定將地?zé)崮茏鳛橹虚L(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)與方向，正式開(kāi)啟對(duì)地?zé)豳Y源的全面探索[7]。

根據(jù)鉆井深度不同，地?zé)豳Y源可以分為3種，即淺層地?zé)幔? 000～2 000 m）、深層地?zé)幔? 000～5 000 m）和接近熔巖的超臨界地?zé)醄8]。淺層地?zé)豳Y源主要面向商業(yè)進(jìn)行發(fā)電或直接利用，按溫度可以分為低溫地?zé)嵯到y(tǒng)（<100 ℃）、中溫地?zé)嵯到y(tǒng)（100～200 ℃）、高溫地?zé)嵯到y(tǒng)（200～300 ℃）；深層地?zé)豳Y源較少用于商業(yè)開(kāi)發(fā)，通常使用溫度范圍在100～300 ℃的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（enhanced geothermal systems，EGS）進(jìn)行發(fā)電；超臨界地?zé)崂眉夹g(shù)尚不成熟，目前還處于開(kāi)發(fā)研究階段[9]。

地?zé)豳Y源是未來(lái)可再生能源的重要組成部分，因此研究地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用技術(shù)對(duì)未來(lái)增強(qiáng)安全能源供應(yīng)與環(huán)境保護(hù)有著重要作用。本文在全球地?zé)嵫b機(jī)容量不斷擴(kuò)展以及地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用研究不斷推進(jìn)的背景下，對(duì)地?zé)崮軕?yīng)用進(jìn)行了概述，對(duì)地?zé)崮苤苯永?、發(fā)電與綜合利用的相關(guān)研究進(jìn)行了梳理，并對(duì)地?zé)崮艿暮侠黹_(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了討論。最后，在總結(jié)當(dāng)前研究的基礎(chǔ)上，對(duì)地?zé)崮芪磥?lái)研究的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 地?zé)崮芾酶攀?/h2>

1.1 地?zé)崮芾冒l(fā)展

由于早期開(kāi)發(fā)技術(shù)等原因，地?zé)崮鼙恢苯討?yīng)用于天然溫泉、烹飪等領(lǐng)域[10]。19世紀(jì)初，熱力學(xué)的發(fā)展幫助人們將熱蒸汽中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后通過(guò)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，致使世界上? 個(gè)地?zé)岚l(fā)電站在意大利誕生[11-12]。1913年，Tosi公司設(shè)計(jì)并建造了第1 個(gè)名為L(zhǎng)arderello I 的商業(yè)地?zé)岚l(fā)電站。該發(fā)電站從2 口200～250 ℃的地?zé)峋刑崛〕龈邷氐責(zé)崃黧w，再利用熱交換器產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽進(jìn)入到渦輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能[13]。在不同地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)當(dāng)中，普遍的觀點(diǎn)是EGS 可以提供更多的低溫?zé)崮躘14-16]。全球有關(guān)EGS的研究始于1974年美國(guó)芬頓山，之后英國(guó)、德國(guó)、日本、瑞典、法國(guó)、瑞士、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入有關(guān)研究。2006年，麻省理工學(xué)院歷時(shí)3年完成了EGS 對(duì)美國(guó)影響的研究報(bào)告，中國(guó)、韓國(guó)、印度等發(fā)展中國(guó)家相繼開(kāi)展EGS 相關(guān)研究[17]。通過(guò)向地?zé)峋凶⑷胨毫岩旱姆绞?，澳大利亞?013年率先建成了第1 個(gè)名為Habanero 的大規(guī)模商業(yè)EGS 發(fā)電站[18]。隨著目前多能源耦合系統(tǒng)的建立與發(fā)展，地?zé)崮芤脖粦?yīng)用于其他能源系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)整體熱利用效率和改善流體循環(huán)溫度[19-21]。

1.2 地?zé)崮芾眯问?/h3>

不同溫度梯度下的地?zé)崮?，其利用形式也多種多樣。對(duì)于溫度低于150 ℃的淺層地?zé)豳Y源，開(kāi)發(fā)利用形式基本以直接利用為主，各種常見(jiàn)的地?zé)崮苤苯永眯问郊皩?duì)應(yīng)溫度范圍如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)地?zé)崮苤苯永眯问紽ig.1 Common direct uses of geothermal energy

在中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)（90～150 ℃）開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，地?zé)崃黧w中的熱能通常會(huì)轉(zhuǎn)換為其他形式的能量而導(dǎo)致自身溫度逐漸降低。為了提升能量的整體熱效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出對(duì)地?zé)崮苓M(jìn)行梯級(jí)利用[22]，即在地?zé)崮軕?yīng)用過(guò)程中，將出口處的地?zé)崃黧w應(yīng)用于下一溫度梯級(jí)的能量系統(tǒng)。圖2 展示了一個(gè)典型的地?zé)崮芴菁?jí)利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)中地?zé)崮鼙粦?yīng)用于發(fā)電、制冷和直接使用。首先，中等焓地?zé)崃黧w從生產(chǎn)井中提取并進(jìn)入第一梯級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電；隨后進(jìn)入第二梯級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行制冷；在第二梯級(jí)利用完之后，低溫地?zé)崃黧w在第三梯級(jí)系統(tǒng)被直接使用。

圖2 典型地?zé)崮芴菁?jí)利用系統(tǒng)Fig.2 Typical geothermal energy cascade utilization system

由于絕大多數(shù)商用型熱轉(zhuǎn)換器（即有機(jī)朗肯循環(huán)模塊）的平均最低溫度要求為93 ℃，因此該溫度被確定為第一梯級(jí)產(chǎn)生電能的最小閾值[23]。第二梯級(jí)要求地?zé)崃黧w溫度高于為80 ℃，利用吸收制冷機(jī)（熱活化技術(shù)）制冷。最后，高于70 ℃的地?zé)崃黧w被直接使用。在實(shí)際應(yīng)用中，地?zé)崮芴菁?jí)利用的具體形式通常需要根據(jù)各梯級(jí)出口溫度來(lái)確定[24]。

2 地?zé)崮苤苯永脻摿?/h2>

直接利用是地?zé)崮茏罟爬稀⒆钇胀ê妥畛Ｒ?jiàn)的利用形式之一。2018年全球約有82 個(gè)國(guó)家正在直接利用地?zé)崮?，總熱裝機(jī)功率約70.88 GW，年增長(zhǎng)率為7.9%，負(fù)載利用系數(shù)約為0.265[25]。地?zé)崮苤苯永猛ǔ?305 m 及以下的地?zé)峋秀@取10～150 ℃的地?zé)崃黧w，其利用方式包括地?zé)釤岜?、地暖、溫室加熱、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)干燥、工業(yè)用途、溫泉、制冷/融雪和其他[26-31]。圖3 分別展示了以上9 種地?zé)崮芾梅绞皆?015年底的裝機(jī)容量與使用總能量百分比。其中，裝機(jī)容量前3 位的分別是地?zé)釤岜茫?0.90%）、溫泉（12.90%）和地暖（10.72%），使用總能量前3 位的分別是地?zé)釤岜茫?5.15%）、溫泉（20.18%）和地暖（14.96%）。

圖3 9 種方式地?zé)崮苤苯永醚b機(jī)容量與使用總能量百分比Fig.3 The installed capacities and percentages of total energy used of nine types of direct use of geothermal energy

目前，中國(guó)、美國(guó)、瑞典、土耳其和德國(guó)分別是地?zé)崮苤苯邮褂昧颗琶? 的國(guó)家，裝機(jī)容量約占世界總量的65.8%[32]。最近的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，地?zé)崮艿闹苯永脦椭蚬?jié)省了約5.25 億t 石油消耗并降低了1.48 億t CO2的排放[25]。盡管地?zé)崮苤苯永媚軌驇?lái)較為理想的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益，但由于投資初期成本較高，目前該技術(shù)在大多數(shù)國(guó)家仍舊發(fā)展緩慢。

3 地?zé)崮馨l(fā)電站技術(shù)

由于技術(shù)或地理位置等原因，目前世界上的地?zé)岚l(fā)電站大多數(shù)為對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)（即水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)）發(fā)電站。地?zé)崮馨l(fā)電站技術(shù)通過(guò)生產(chǎn)井將地?zé)崃黧w提取到地表，再逐級(jí)轉(zhuǎn)換成電能。同時(shí)，為了維持地?zé)峋漠a(chǎn)出率，再將利用后的地?zé)崃黧w注回入地下儲(chǔ)層。從歷史的長(zhǎng)期實(shí)踐得出，所利用的地?zé)崃黧w溫度越高，地?zé)岚l(fā)電所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性也越好。世界上已開(kāi)發(fā)出了3 種較為成熟的地?zé)崮苌虡I(yè)化發(fā)電技術(shù)，即干蒸汽技術(shù)、閃蒸技術(shù)以及雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

3.1 干蒸汽技術(shù)

干蒸汽技術(shù)以蒸汽系統(tǒng)為主導(dǎo)，是最古老、發(fā)電成本最低的地?zé)岚l(fā)電站技術(shù)。當(dāng)?shù)叵颅h(huán)境溫度高于240 ℃時(shí)，地?zé)崃黧w以過(guò)熱蒸汽的形式存在[33]，通常采用干蒸汽技術(shù)方式進(jìn)行發(fā)電。目前，全球共有63 座地?zé)岚l(fā)電站采用這種技術(shù)發(fā)電，其中大部分集中在美國(guó)、意大利、印度尼西亞和日本等國(guó)家，發(fā)電量約占世界地?zé)嵫b機(jī)容量的22%[34]。圖4 展示了一種利用干蒸汽技術(shù)的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制閥、渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)完成發(fā)電，由冷凝器和冷卻塔進(jìn)行冷卻。干蒸汽技術(shù)將過(guò)熱蒸汽從地?zé)嵘a(chǎn)井中開(kāi)采出來(lái)，再送入除濕器中去除掉過(guò)熱蒸汽中含有的水蒸氣，之后直接進(jìn)入渦輪機(jī)提供發(fā)電所需的動(dòng)力。發(fā)電后的蒸汽離開(kāi)渦輪機(jī)經(jīng)過(guò)冷凝器和冷卻塔的循環(huán)冷卻，最后再注入回注井中[35-38]。

圖4 干蒸汽技術(shù)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)Fig.4 Schematic diagram of the dry steam technology geothermal power generation system

3.2 閃蒸技術(shù)

當(dāng)?shù)叵颅h(huán)境溫度超過(guò)210 ℃時(shí)，地?zé)醿?chǔ)層中地?zé)崃黧w形態(tài)主要為氣體與液體的混合物，通常采取閃蒸的技術(shù)用于發(fā)電。基于地?zé)崃黧w混合物的熱力學(xué)特性，閃蒸分離過(guò)程通常有1 個(gè)或2 個(gè)階段，分別稱之為單閃蒸技術(shù)和雙閃蒸技術(shù)。

3.2.1 單閃蒸技術(shù)

單閃蒸技術(shù)是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的地?zé)崮?電能轉(zhuǎn)換技術(shù)。圖5 為一種簡(jiǎn)單的單閃蒸汽地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，基于氣-液混合物的密度差異，將地?zé)崃黧w混合物送到分離器進(jìn)行氣液分離，隨后主蒸汽被送入除濕器中進(jìn)行干燥。干燥后的氣體（干燥率約99.995%）進(jìn)入蒸汽渦輪機(jī)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從分離器獲得的剩余液體（也稱為鹽水）將被送到回注井以循環(huán)利用。

圖5 一種簡(jiǎn)單單閃蒸汽地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)Fig.5 Schematic diagram of a simple single flash steam geothermal power generation system

1 個(gè)功率約為30 MW 的單閃蒸地?zé)岚l(fā)電站通常需要分布在地?zé)醿?chǔ)層中的5～6 個(gè)生產(chǎn)井和2～3 個(gè)注入井。在單閃蒸地?zé)岚l(fā)電站發(fā)電過(guò)程中，如何減少管道摩擦導(dǎo)致的蒸汽氣壓下降是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，會(huì)直接影響能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率，進(jìn)而影響發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)效益[39]。因此，需要進(jìn)一步考慮管道直徑、管道長(zhǎng)度、管道中蒸汽密度與管道流量等變量之間的相關(guān)性。

3.2.2 雙閃蒸技術(shù)

與單閃蒸技術(shù)相比，雙閃蒸技術(shù)的區(qū)別主要在于增加了低壓分離器和雙進(jìn)氣渦輪機(jī)[40]。雙閃蒸汽地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)如圖6所示。地?zé)崃黧w在第一級(jí)分離器中進(jìn)行第1 次壓降（閃蒸），隨后進(jìn)入第二級(jí)分離器中進(jìn)行第2 次閃蒸產(chǎn)生低壓蒸汽，低壓蒸汽與高壓渦輪機(jī)出口的高壓蒸汽混合后進(jìn)入低壓渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖6 雙閃蒸汽地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)Fig.6 Schematic diagram of the double-flash steam geothermal power generation system

在相同溫度等級(jí)地?zé)崃黧w下，相比于單閃蒸發(fā)電站，利用雙閃蒸技術(shù)的地?zé)岚l(fā)電站電能轉(zhuǎn)換輸出效率可達(dá)25%以上。盡管利用雙閃蒸技術(shù)的地?zé)岚l(fā)電站有更高的?效率，但該類(lèi)型發(fā)電站的安裝成本也更高，需要更多的操作與維護(hù)[41-42]。

3.3 雙循環(huán)技術(shù)

在地?zé)豳Y源溫度較低時(shí)（低于150 ℃），流體中存在的氣體壓強(qiáng)無(wú)法滿足渦輪機(jī)的最低運(yùn)行要求，通常采用雙循環(huán)技術(shù)進(jìn)行發(fā)電[43]。利用雙循環(huán)技術(shù)的地?zé)岚l(fā)電站也稱為二元地?zé)岚l(fā)電站（binary geothermal power plant，B-GPP）。類(lèi)似于傳統(tǒng)的化石核電站，B-GPP 通過(guò)利用低溫地?zé)崃黧w的熱能加熱其他具有低沸點(diǎn)的流體來(lái)產(chǎn)生高壓氣體，再利用高壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電[44-45]。雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)如圖7所示。地?zé)崃黧w從生產(chǎn)井中提取并進(jìn)入熱交換器，在熱交換器中完成換熱后流入回注井。在熱交換器中，低溫地?zé)崃黧w通過(guò)與低沸點(diǎn)的介質(zhì)流體進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生飽和熱蒸汽，然后產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖7 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)Fig.7 Schematic diagram of the binary cycle geothermal power generation system

在B-GPP 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，大量學(xué)者通過(guò)對(duì)熱交換器中介質(zhì)流體熱穩(wěn)定性的研究得出，B-GPP 可以利用85～170 ℃的地?zé)崃黧w[46-48]。當(dāng)熱交換器中介質(zhì)流體熱為有機(jī)物時(shí)（如正丁烷、正戊烷或戊烷[49]等），雙循環(huán)也被稱為有機(jī)朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）。1982年Kalina Al 使用氨水混合物代替有機(jī)物介質(zhì)，將該循環(huán)命名為Kalina 循環(huán)（Kalina cycle，KC）并獲取專利。KC 能有效提升地?zé)崃黧w的循環(huán)效率，其熱效率比典型的B-GPP高出30%～40%[50-51]。表1 展示了不同介質(zhì)的臨界溫度與臨界壓力[52]。

表1 雙循環(huán)介質(zhì)臨界溫度與臨界壓力Tab.1 Critical temperature and critical pressure of the binary circulating medium

從表1 中可以看出，用于熱交換的介質(zhì)流體臨界溫度與臨界壓力遠(yuǎn)低于水。由于雙循環(huán)過(guò)程中地質(zhì)流體與電力生產(chǎn)設(shè)備沒(méi)有直接接觸，因此雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)可以防止管道結(jié)垢和腐蝕效應(yīng)。

3.4 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

當(dāng)?shù)責(zé)豳Y源溫度范圍在100～300 ℃時(shí)，地?zé)豳Y源開(kāi)采需要用到EGS。在過(guò)去40年中，EGS 在歐盟、日本、韓國(guó)、澳大利亞和美國(guó)相繼開(kāi)發(fā)起來(lái)。EGS也被稱為工程地?zé)嵯到y(tǒng)，這是比水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)更復(fù)雜、難度更大的一種地?zé)衢_(kāi)采系統(tǒng)[53-55]。

傳統(tǒng)水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)雖然不會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，但地?zé)崃黧w當(dāng)中存在較多的地底有害物質(zhì)，比如H2S 氣體等，會(huì)對(duì)空氣造成一定污染。而EGS能有效減少有害物質(zhì)的排放，是一種更環(huán)保的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)[56]。理論上用于開(kāi)采高溫地?zé)豳Y源的EGS發(fā)電過(guò)程通常與雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)所描述的相同，不同的是為了開(kāi)采這種地?zé)嵯到y(tǒng)，需要額外增加地下巖石滲透的過(guò)程，既可以通過(guò)打開(kāi)巖石中已有的裂縫，也可以通過(guò)形成新的巖石來(lái)創(chuàng)建人工儲(chǔ)層[57]。通過(guò)將水或其他適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)流體（例如CO2）注入到熱巖石裂隙（或人造儲(chǔ)層）中激發(fā)強(qiáng)烈的熱交換，來(lái)提取巖石中可用的大部分熱能。隨著地?zé)徙@井技術(shù)的發(fā)展，有時(shí)也將巖層中已有流體作為循環(huán)介質(zhì)，將熱流體從生產(chǎn)井中的提取泵送到建立在地面上的發(fā)電站發(fā)電，然后再回注入地下[58-60]。

4 地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)

地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)通常輸入1 個(gè)或多個(gè)能源產(chǎn)生多種能量輸出，其目的是進(jìn)一步提升地?zé)崮艿睦脙r(jià)值，并降低能量生產(chǎn)成本。同時(shí)，利用某些地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)還可以降低環(huán)境影響，增強(qiáng)能源利用的可持續(xù)性。

4.1 地?zé)崮?天然氣系統(tǒng)

利用熱交換器并尋找能量最優(yōu)交換點(diǎn)建立地?zé)崮?天然氣系統(tǒng)，可以綜合利用地下流體中的熱能與天然氣系統(tǒng)中的冷能[61]。圖8 為一種地?zé)崮?天然氣混合系統(tǒng)發(fā)電流程。圖8 中ORC-1 主要用于回收液態(tài)天然氣中的冷量，在該循環(huán)中產(chǎn)生膨脹的乙烷介質(zhì)氣體；KC 和ORC-2 主要用于提取地?zé)崃黧w中的熱能以及產(chǎn)生膨脹的異丁烷和氨氣等介質(zhì)氣體。將液化天然氣與地?zé)崃黧w作為熱交換器中的冷凝循環(huán)液，在KC 與ORC 中產(chǎn)出膨脹介質(zhì)氣體輸入渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，最大化提高了能量的利用效率。

圖8 地?zé)崮?天然氣混合系統(tǒng)發(fā)電流程Fig.8 Power generation process flow of the geothermal energy-natural gas hybrid system

地?zé)崮?天然氣系統(tǒng)的另一個(gè)應(yīng)用是地?zé)崮転樘烊粴庹{(diào)壓升溫。在天然氣調(diào)壓過(guò)程中，壓力下降會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸管口出現(xiàn)不凝結(jié)氣體，進(jìn)而阻礙天然氣運(yùn)輸。通常采取的措施是燃燒化石燃料對(duì)天然氣管道口進(jìn)行預(yù)熱[62-63]。這種做法不僅加大了化石燃料的消耗，同時(shí)還產(chǎn)生了大量有害氣體。通過(guò)建立地?zé)崮?天然氣系統(tǒng)，利用熱交換器提取地?zé)崃黧w中的熱能對(duì)天然氣管道口進(jìn)行預(yù)熱，可顯著減少燃料的消耗[64]，同時(shí)減少對(duì)天然氣管道的損傷。

4.2 地?zé)崮?太陽(yáng)能系統(tǒng)

單一太陽(yáng)能發(fā)電存在成本高、發(fā)電不連續(xù)、發(fā)電量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，單一中低溫系統(tǒng)發(fā)電存在難度高、發(fā)電效率低、能源品位低等缺點(diǎn)，而地?zé)崮?太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)可以很好地解決上述問(wèn)題[65]。地?zé)崮?太陽(yáng)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，旨在利用低成本的太陽(yáng)能集熱器來(lái)提升地?zé)崃黧w溫度，以增加低溫地?zé)嵯到y(tǒng)的發(fā)電量。圖9 展示了一個(gè)典型的地?zé)崮?太陽(yáng)能系統(tǒng)[66]。該系統(tǒng)由液態(tài)低溫地?zé)崃黧w、太陽(yáng)能集熱器和ORC 組成。系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器吸收陽(yáng)光中的熱能后，可將低溫地?zé)崃黧w從95 ℃加熱到130 ℃，再通過(guò)ORC 模塊產(chǎn)生電能。

圖9 典型地?zé)崮?太陽(yáng)能系統(tǒng)Fig.9 A typical geothermal energy-solar system

相比于其余地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)，地?zé)崮?太陽(yáng)能系統(tǒng)擁有更高的可靠性與環(huán)保性，可以在沒(méi)有任何環(huán)境污染的前提下提升地?zé)崮馨l(fā)電量[67]。隨著近幾年太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能器件的成本不斷降低，地?zé)崮?太陽(yáng)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也不僅僅局限于提升電力產(chǎn)量，還包括空間加熱、工業(yè)用熱和熱水綜合應(yīng)用。在能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷發(fā)展下，目前地?zé)崮?太陽(yáng)能系統(tǒng)能量利用效率最高可提升到36.6%[68]。

4.3 其他地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)

在目前的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)發(fā)出了其他地?zé)崮芫C合利用系統(tǒng)，包括地?zé)崮?化石燃料系統(tǒng)、地?zé)崮?廢棄油氣井轉(zhuǎn)化技術(shù)和地?zé)崮?生物質(zhì)能系統(tǒng)等。

對(duì)于低焓地?zé)豳Y源，地?zé)崮?化石燃料混合發(fā)電站可以大幅度降低化石燃料的消耗并減少溫室氣體排放[69]。研究表明，1 個(gè)500 MW 的混合型地?zé)?煤發(fā)電站每年可以節(jié)省超過(guò)30 萬(wàn)t 煤[70]。此外，相比于單獨(dú)的地?zé)岚l(fā)電站，混合型地?zé)?煤發(fā)電站的電力成本可降低33%～87%；與單獨(dú)的燃煤發(fā)電站相比，混合型地?zé)?煤發(fā)電站電力增產(chǎn)約19%[71]。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不斷考察后發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采后的廢棄油氣井中存在巨大地?zé)釢摿ΑＴ谝豁?xiàng)研究中得出：新西蘭的349 個(gè)廢棄石油和天然氣井可以為電力網(wǎng)增加1.7×109kW·h 電能[72]；美國(guó)得克薩斯州南部地區(qū)廢棄油井可以產(chǎn)生高達(dá)3 MW 功率的電力[73]。

有關(guān)地?zé)崮芘c生物質(zhì)能綜合利用系統(tǒng)旨在通過(guò)地?zé)醽?lái)提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的效率，實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。最近的一項(xiàng)研究得出，相比于彼此獨(dú)立發(fā)電的2 個(gè)系統(tǒng)，地?zé)崮?生物質(zhì)能系統(tǒng)可提升32%的凈功率[74]。

5 地?zé)崮芾门c開(kāi)發(fā)主要因素

普遍的觀點(diǎn)將地?zé)崮苷J(rèn)作是一種可再生能源[75-76]。為了實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，地?zé)豳Y源在過(guò)去的幾十年間被大規(guī)模開(kāi)采[77]。然而，地?zé)豳Y源的開(kāi)采和恢復(fù)往往是不平衡的。例如，美國(guó)在加利福尼亞州的Geysers 地?zé)崽锝ㄔ炝?2 座地?zé)岚l(fā)電站，在沒(méi)有相關(guān)規(guī)劃與限制下不斷開(kāi)采，導(dǎo)致地?zé)崃黧w不斷消耗，1999年發(fā)電功率下降了約77 MW[78]。盡管后來(lái)發(fā)電站向地?zé)峋凶⑷肓舜罅课鬯幚韽S的污水以解決電量下降問(wèn)題，但發(fā)電功率仍然從最初設(shè)計(jì)的2 000 MW 下降到了1 500 MW。因此，為了使地?zé)崮芨玫乇婚_(kāi)發(fā)利用，必須考慮政策、地?zé)峤?jīng)濟(jì)學(xué)和地?zé)嵩僮⑷氲榷喾矫嬉蛩亍?/p>

5.1 政策制定

以發(fā)達(dá)國(guó)家為首，世界各國(guó)制定了多種地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用政策以更合理地開(kāi)發(fā)地?zé)崮?。在美?guó)，除了國(guó)家能源政策法案外，各州還通過(guò)了與地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)相關(guān)的24 個(gè)州級(jí)法案[79]。歐盟建立了1 項(xiàng)專門(mén)針對(duì)歐盟成員國(guó)的國(guó)家級(jí)地?zé)岱ò福婕暗膰?guó)家包括奧地利、法國(guó)和意大利等。此外，其他具有地?zé)衢_(kāi)發(fā)潛力的國(guó)家，如中國(guó)，正在努力制定與地?zé)岵膳偷卦礋岜孟嚓P(guān)的扶持政策。盡管各國(guó)正加大地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)并努力制定了相應(yīng)政策，但目前在國(guó)際上還沒(méi)有1 套可以被廣泛使用的地?zé)崮芗夹g(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 地?zé)峤?jīng)濟(jì)學(xué)分析

與其他可再生能源相比，地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的初期投入成本更高并且投資回收周期更長(zhǎng)。同時(shí)，由于在開(kāi)采前無(wú)法完全掌握地?zé)豳Y源質(zhì)量和儲(chǔ)量大小，使得地?zé)嵬顿Y更具有風(fēng)險(xiǎn)性。因此，在地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的各項(xiàng)階段需要進(jìn)行合理的地?zé)峤?jīng)濟(jì)學(xué)分析，以降低地?zé)衢_(kāi)發(fā)的不確定性，并保障運(yùn)營(yíng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益最大化。圖10 展示了地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的8 個(gè)階段，要實(shí)現(xiàn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用經(jīng)濟(jì)性，需要嚴(yán)格控制每個(gè)階段的成本。

圖10 地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用8 個(gè)階段Fig.10 The eight stages of geothermal energy development and utilization

5.3 地?zé)嵩僮⑷爰夹g(shù)

任何地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，都需要用到再注入技術(shù)[80]。地?zé)嵩僮⑷胱铋_(kāi)始旨在簡(jiǎn)單處理生產(chǎn)或發(fā)電后剩余的地?zé)崃黧w，現(xiàn)已成為地?zé)衢_(kāi)采過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。地?zé)嵩僮⑷刖哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

1）可以防止廢棄的地?zé)崃黧w污染淺層地下水；

2）可以維持儲(chǔ)層壓力，穩(wěn)定生產(chǎn)率；

3）有助于減少和管理大規(guī)模地?zé)崃黧w抽取引起的沉降。

再注入技術(shù)也有以下缺點(diǎn)和困難：

1）回注井的選址困難；

2）處理流體量大，再注入壓力大；

3）地表膨脹；

4）可能誘發(fā)地震。

地?zé)嵯到y(tǒng)再注入策略的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要考慮多個(gè)參數(shù)的影響。例如：廢液處理，成本，油藏溫度，油藏壓力，注入流體溫度，二氧化硅結(jié)垢，儲(chǔ)層流體化學(xué)變化，沉降和注入位置的選擇等。合理的再注入計(jì)劃是地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的保障，也是提升地?zé)崮芙?jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。因此，應(yīng)當(dāng)制定健全的再注入計(jì)劃，確保地?zé)崮芎侠砀咝У拈_(kāi)發(fā)利用。

6 地?zé)崮芾眉夹g(shù)展望

與風(fēng)能和太陽(yáng)能相比，地?zé)崮懿皇芗竟?jié)、氣候和地理等條件的影響，被認(rèn)為是一種可靠的能源。如果得到合理的開(kāi)發(fā)利用，地?zé)崮軐⒂锌赡鼙ＷC全人類(lèi)未來(lái)1 000年的電力供應(yīng)。本文結(jié)合目前全球不同類(lèi)型地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用研究現(xiàn)狀及應(yīng)用實(shí)際，介紹并歸納了不同等級(jí)地?zé)崮艿闹苯永眉夹g(shù)，發(fā)電站技術(shù)和綜合利用技術(shù)。從政策、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)性3 個(gè)方面對(duì)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了討論，并根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)了未來(lái)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用進(jìn)一步可能的研究方向，為地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用提供了理論支持與價(jià)值參考。

1）地球上大約 68%的地?zé)豳Y源溫度低于130 ℃，這類(lèi)地?zé)豳Y源可被用于各種形式的直接利用，例如地?zé)釤岜?、溫泉和地暖等。未?lái)地?zé)崮苤苯永眉夹g(shù)將向著更詳細(xì)、更全面的多梯度方向發(fā)展，以追求地?zé)崮苣芰康淖畲罄寐省?/p>

2）對(duì)于溫度更高的地?zé)豳Y源，地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)無(wú)疑是未來(lái)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵。目前，世界上地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)主要面向水熱型地?zé)豳Y源，采用的技術(shù)以干蒸汽技術(shù)與閃蒸技術(shù)居多。然而，這2 類(lèi)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的鉆井深度通常小于2 000 m 且鉆井范圍僅限于靠近地殼構(gòu)造板塊的邊界的地區(qū)，因此地?zé)崮芾镁哂幸欢ň窒扌?。為了避免上述限制并進(jìn)一步提升地?zé)崮苻D(zhuǎn)換效率，未來(lái)高溫地?zé)豳Y源利用將向著更高利用率的雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)方向發(fā)展。在雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)中，一個(gè)關(guān)鍵影響因素是熱交換效率，因此未來(lái)對(duì)熱轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是一項(xiàng)極具意義的研究方向。

3）資源循環(huán)效率、政府扶持力度和環(huán)境友好度等因素將成為未來(lái)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用過(guò)程的主要限制因素。對(duì)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用將需要更為細(xì)致的規(guī)劃，必須充分考慮對(duì)人類(lèi)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)的影響。地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用整個(gè)過(guò)程包括鉆井、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和退役階段，各階段對(duì)環(huán)境的影響都需要進(jìn)行評(píng)估，以確保對(duì)人類(lèi)社會(huì)的影響最小，效益最大化。