新能源發(fā)電方式：地熱發(fā)電

地大熱能：地熱能來(lái)源于地球內部鈾、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(guò)火山噴發(fā)、溫泉、地下水等載體傳遞到地表。每年由地球內部輸送至地表的熱能相當于280億噸標準煤，由于其具有儲量大、分布廣以及清潔環(huán)保和穩定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛利用，目前全球有超過(guò)88個(gè)國家和地區利用地熱能進(jìn)行發(fā)電和供暖。2020年，我國首次提出要在2030年實(shí)現“碳達峰”，2060年實(shí)現“碳中和”，要實(shí)現該目標，清潔能源是不可忽視的一部分。

我國水熱型地熱資源折合標準煤1.25萬(wàn)億噸，年可開(kāi)采資源量折合18.65億噸標準煤，按熱傳遞方式可分為對流型水熱系統、傳導型水熱系統以及傳導-對流復合水熱系統，按溫度可分為高溫地熱（150℃）、中低溫地熱（<150℃）。水熱型中低溫地熱資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，年可開(kāi)采量折合標準煤18.5億噸，主要用于供暖、旅游、工業(yè)干燥等；高溫水熱型地熱能主要分布在我國藏南、滇西、川西等西南地區，年可開(kāi)采量折合標準煤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)巖或結晶巖，因此需要人工壓裂形成地熱儲層才能進(jìn)行開(kāi)采和利用，溫度范圍150℃～650℃。我國埋深不超過(guò)10000 m的干熱巖基礎資源量可折合856萬(wàn)億噸標準煤，主要分布在西藏、云南、廣東、福建等地區。

地熱發(fā)電系統

閃蒸發(fā)電系統

閃蒸發(fā)電系統又稱(chēng)減壓擴容發(fā)電系統，通過(guò)利用不同壓力下水的沸點(diǎn)不同的原理將低壓下地熱水由液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)。其工作過(guò)程如圖2(a）所示，從地熱井開(kāi)采出具有一定壓力的汽水混合物通過(guò)管道輸送至閃蒸器進(jìn)行降壓擴容，經(jīng)擴容后的水通過(guò)管道回灌至地下，擴容后的蒸氣經(jīng)過(guò)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(guò)冷凝器冷凝后輸送至回灌井回灌至地下。根據地熱水通過(guò)閃蒸器的次數不同可將其分為單級閃蒸系統和二級閃蒸系統。其中二級閃蒸系統是基于單級閃蒸系統的改進(jìn)，其工作原理如圖2(b）所示，通過(guò)將擴容后的水再次送入閃蒸器進(jìn)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做功發(fā)電。

閃蒸發(fā)電系統是地熱發(fā)電最常用的發(fā)電系統，該發(fā)電系統在正常運行時(shí)，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(huì )產(chǎn)生較為嚴重的水污染，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(jìn)行回灌，回灌能夠有效恢復儲層中的流體，也能維持儲層的壓力。單級閃蒸發(fā)電系統結構簡(jiǎn)單，便于制造，但是轉換效率低；二級閃蒸發(fā)電系統設備復雜，但轉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)電系統取決于地熱資源特性、地熱電站經(jīng)濟性和設備損耗性等因素。

干蒸汽發(fā)電系統

干蒸汽發(fā)電系統是指從地下開(kāi)采出來(lái)的地熱流體以干蒸汽為主的發(fā)電系統。其工作原理如圖3所示，首先將地熱井抽出的干蒸汽通過(guò)凈化分離器過(guò)濾掉直徑較大的固體顆粒，然后送入汽輪機進(jìn)行做功發(fā)電，最后由汽輪機排出的乏汽經(jīng)過(guò)冷凝器、冷卻塔回灌至地下，其所用設備與常規火力發(fā)電廠(chǎng)相同。該發(fā)電系統主要針對參數較高的干蒸汽地熱田，具有安全可靠，對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，一般適用于高溫地熱能。比較圖2和圖3可以看出，干蒸汽發(fā)電系統與閃蒸發(fā)電系統非常相似，不同之處在于干蒸汽發(fā)電系統使用凈化分離器代替了閃蒸器，發(fā)電過(guò)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。目前，全球共有63座干蒸汽地熱發(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熱總裝機容量的22%。

雙工質(zhì)發(fā)電系統

雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統采用低沸點(diǎn)有機工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，地熱水不直接參與熱力循環(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（organic Rankine cycle,ORC）和Kalina發(fā)電系統。ORC發(fā)電系統是采用低沸點(diǎn)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(diǎn)有機工質(zhì)通過(guò)換熱器與地熱流體進(jìn)行熱量交換完成預熱和蒸發(fā)，再通過(guò)汽輪機做功發(fā)電，最后通過(guò)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(diǎn)有機工質(zhì)多數屬于易燃易爆品，對設備密封性要求更高。

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(huì )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，導致沸點(diǎn)溫度變化。氨水混合物在蒸發(fā)器中與地熱水進(jìn)行熱量交換，產(chǎn)生氣液混合物后進(jìn)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，驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電；分離出來(lái)的氨水送入回熱器回收熱量。汽輪機排出的乏氣送入冷凝器凝結成氨水，在通過(guò)工質(zhì)泵送入蒸發(fā)器進(jìn)行再次循環(huán)。

雙工質(zhì)發(fā)電系統在地熱發(fā)電中應用廣泛，具有設備緊湊、汽輪機尺寸小、運營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。當地熱儲層溫度較低時(shí)使用閃蒸發(fā)電系統投入大、效率低，雙工質(zhì)發(fā)電系統不僅可以利用85℃～170℃的地熱流體，而且在循環(huán)過(guò)程中，由于地熱流體與電力生產(chǎn)設備之間沒(méi)有直接接觸，所以可以有效防止發(fā)電設備腐蝕結垢。該發(fā)電系統能夠利用中低溫地熱資源的低品位能源，推動(dòng)汽輪機做功發(fā)電，合理利用中低溫地熱資源。

增強型地熱系統

增強型地熱系統（Enhanced Geothermal Systems,EGS）指通過(guò)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，完成人工地熱儲層的建造，一般應用于干熱巖地熱資源。EGS發(fā)電過(guò)程是通過(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)階段。2015年5月，中國地質(zhì)調查局組織在福建漳州實(shí)施了我國首個(gè)干熱巖科學(xué)鉆井，這標志著(zhù)我國國家級干熱巖實(shí)踐正式拉開(kāi)序幕。2017年，河北煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊實(shí)施了干熱巖預查項目，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年成功建設一到兩個(gè)干熱巖示范工程，實(shí)現干熱巖發(fā)電。2021年6月河北省唐山市馬頭營(yíng)凸起區干熱巖開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項目實(shí)現了干熱巖試驗性發(fā)電，這是我國首次實(shí)現干熱巖試驗性發(fā)電。

近年來(lái)，我國地熱能利用方式主要以直接利用為主，隨著(zhù)地熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，地熱開(kāi)發(fā)利用逐漸向地熱發(fā)電方向延伸。地熱發(fā)電就是將地下熱能提取出來(lái)轉換成可供使用的電能，在發(fā)電過(guò)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。結合我國地熱資源分布來(lái)看，分布在地中海-喜馬拉雅山地熱帶上的四川、云南、西藏等地是高溫地熱資源主要分布地區，具有非常大的發(fā)電潛力；隨著(zhù)中低溫地熱發(fā)電在技術(shù)手段和設備研發(fā)取得突破，利用中低熱地熱資源發(fā)電持續增長(cháng)；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。中低溫地熱發(fā)電以及增強型地熱發(fā)電系統關(guān)鍵技術(shù)突破，將加快地熱資源的開(kāi)發(fā)利用，為構建我國清潔低碳、安全高效的現代能源體系作出貢獻。