地心熱的“力量”——地熱能

  地球的內部非常熱，其地心溫度大約為4000℃，熱能持續不斷地在流向地面，從地表輻射出去并消失在太空中。這一表面的平均熱能量值為82毫瓦/米2，如果地球的表面積為5.1×1014米2，那么，這種連續不斷的熱流失率大約為42兆兆瓦(熱)。

 

  何謂地熱

 

  地球的內部非常熱，其地心溫度大約為4000℃，熱能持續不斷地在流向地面，從地表輻射出去并消失在太空中。這一表面的平均熱能量值為82毫瓦/米2，如果地球的表面積為5.1×1014米2，那么，這種連續不斷的熱流失率大約為42兆兆瓦(熱)。

 

  到達地表的能量多數是很劣質(zhì)的熱，很少被搜集后直接使用。然而，在近百萬(wàn)年間發(fā)生火山活動(dòng)的地區，大量?jì)?yōu)質(zhì)熱留存于熔巖或已結晶的2～10公里深的巖石中，用現代技術(shù)(如向巖石鉆探)可有效予以搜集。

 

  從地殼巖石中抽取熱量并運至地表，需要熱傳遞介質(zhì)。自然界是通過(guò)地下水實(shí)現這一點(diǎn)的。地熱庫下邊熱的熔巖將地下水加熱，熱水通過(guò)巖石中相互連接的斷層、裂縫和孔洞浮上來(lái)。斷層、裂縫和孔洞中的開(kāi)放空間只占巖石體積的2%～5%，但當它們充滿(mǎn)了熱水并且相互連接，將形成一個(gè)多孔滲透地熱庫。地熱水的溫度在一處與另一處可相差極大。有的地熱源可產(chǎn)生300℃以上的熱水，有的則產(chǎn)生沸點(diǎn)以下(在海平面水的沸點(diǎn)為100℃)的水。高于150℃的高溫熱源一般可用以發(fā)電，低溫熱源可直接加熱使用，如工業(yè)加工、區域供熱、溫室加熱、食品干燥和水產(chǎn)養殖。地熱發(fā)電地熱發(fā)電，實(shí)際上是用蒸汽動(dòng)力發(fā)電。通過(guò)打井找到正在上噴的天然熱水流。由于水是從1～4公里的地下深處上來(lái)的，所以水是處在高壓下。一眼底部直徑25厘米的井每小時(shí)可生產(chǎn)20～80萬(wàn)公斤的地熱水與蒸汽。由于水溫的不同，5～10眼井產(chǎn)出的蒸汽可使一個(gè)發(fā)電裝置生產(chǎn)出55兆瓦的電。

 

  這種發(fā)電裝置有兩類(lèi)：汽輪機發(fā)電和二元發(fā)電裝置。為了供給一臺汽輪發(fā)電機蒸汽，抽出的地熱水(帶壓)在稱(chēng)為閃蒸罐容器的表面釋放出來(lái)，一部分水(約占35%，取決于它的溫度)閃蒸(沸騰)為蒸汽，進(jìn)入汽輪發(fā)動(dòng)機進(jìn)而帶動(dòng)一臺發(fā)電機。渦輪的排氣用傳統冷卻塔冷卻。閃蒸罐內剩余的水在沸騰階段之后又注入熱庫邊緣的地下，它有助于維持熱庫的壓力并補充對流的水熱系統。

 

  在二元發(fā)電裝置中，不是將熱水閃蒸為蒸汽，而是送至一臺熱交換器，用以加熱工作介質(zhì)，后者通常是有機化合物，如異丁烷或異戊烷。工作介質(zhì)被氣化，用氣化后的蒸汽驅動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機。在離開(kāi)渦輪后工作介質(zhì)冷凝為液體，流回熱交換器再次被氣化。地熱流體通過(guò)噴射井又回到地下，這一點(diǎn)與汽輪發(fā)電機中的情況很相似。由于在二元地熱發(fā)電裝置中所用的工作介質(zhì)是在比水低的溫度下蒸發(fā)的，所以它的發(fā)電效率比汽輪發(fā)電機高。這兩類(lèi)發(fā)電裝置各有其優(yōu)點(diǎn)。汽輪發(fā)電機制造和運行都不太貴，但為了在高效率下操作，它要求水溫在180～200℃以上。二元發(fā)電裝置制造和運行費用較高，但它可用100℃或更低溫的水發(fā)電。目前世界上多數正在運行的地熱發(fā)電裝置屬于汽輪機型，但二元發(fā)電裝置越來(lái)越普及。地熱能的可持續性巖漿/火山的地熱活動(dòng)的典型壽命從最低5000年到100萬(wàn)年以上。這么長(cháng)的壽命使地熱源成為一種再生能源。此外，地熱庫的天然補充率從幾兆瓦到1000兆瓦(熱)以上。

  人類(lèi)第一次用地熱水發(fā)電是在1904年意大利的拖斯卡納。1958年新西蘭的北島開(kāi)始用地熱源發(fā)電(目前為212兆瓦)；美國加州的噴泉熱田，從1960年就開(kāi)始發(fā)電，目前的輸出功率為1300兆瓦。顯然，地熱資源能夠可靠、安全和可持續性地運行。

 

  地熱生產(chǎn)的可持續性也可從存在于熱庫巖石(含熱量85%～95%)中的熱源判斷。在美國加州的噴泉熱田，熱含量保守估計至少相當于燃燒280億桶石油或62億短頓(1短頓=907公斤)煤所得的能量。地熱能的前景隨著(zhù)全世界對潔凈能源需求的增長(cháng)，將會(huì )更多地使用地熱。全世界到處都有地熱資源，特別是在許多發(fā)展中國家尤其豐富，它們的使用可取代帶來(lái)污染的礦物燃料電站。這是非常重要的，因為一旦對礦物燃料電廠(chǎng)做出投資，在整個(gè)電廠(chǎng)的壽命期間，將會(huì )發(fā)出大氣污染流，其期限是幾十年的時(shí)間。

 

  目前在25個(gè)國家約有8000兆瓦的地熱發(fā)電即將投入使用。此外，在菲律賓、印尼與新西蘭即將新增700兆瓦的地熱發(fā)電。到1997年末，全世界地熱發(fā)電的裝機容量為7950兆瓦。1994年部分國家熱能發(fā)電和使用情況國別發(fā)電直接使用FONTface=宋體size=3>裝機容量兆瓦(電)年產(chǎn)量千兆瓦時(shí)裝機容量兆瓦(電)年產(chǎn)量千兆瓦時(shí)中國289821435527法國4244562006格魯吉亞--2452136匈牙利--6382795愛(ài)爾蘭5026514435878印尼3091048--意大利62634173081008日本29917223191928肯尼亞45348--墨西哥75358772874新西蘭28621932641837菲律賓10515470--波蘭--63206俄羅斯1125210673塞爾維亞--80660斯洛伐克--100502瑞士--110243突尼斯2068140552美國28171649118743859其他7403291935最新投入使用的地熱田是在美國的蓋瑟斯，將生產(chǎn)1300兆瓦的電，足以滿(mǎn)足130萬(wàn)加州人的家庭用電。據估計，全世界發(fā)展中國家從火山系統可取得80000兆瓦的地熱發(fā)電。印尼的地熱潛力就達到19000兆瓦。地熱發(fā)電廠(chǎng)的規模大約為300千瓦～55兆瓦(凈電功率)。地熱的直接應用，全世界使用量在9000兆瓦(熱功率)以上。愛(ài)爾蘭幾乎全部家庭和大樓都用地熱。美國的幾個(gè)城市和新西蘭也在使用地熱進(jìn)行采暖。許多國家還用地熱加熱溫室。食品加工是另一個(gè)成熟的應用。全世界地熱資源直接應用的巨大潛力幾乎尚未開(kāi)發(fā)。對地熱的研究和開(kāi)發(fā)終將使人類(lèi)能使用含在不同深度的巖石中而不單單是火山地區中的巨大地熱能。一旦進(jìn)入這一階段，地熱能將供應全世界所需電與熱量的25%～50%。