地熱能生產(chǎn)與應用

01 地熱是什么？

“地熱”（geothermal）一詞的希臘詞根是yη (geo)，意思是地球，θερμos (thermos)，意思是熱。

地熱能是一種從地核提取的可再生能源。它來(lái)自地球原始形成過(guò)程中產(chǎn)生的熱量和物質(zhì)的放射性衰變。這些熱能儲存在地球中心的巖石和流體中。

地核和地表之間的溫差促使熱能從地核持續傳導到地表。

超過(guò)4000°C的高溫導致地球中心的一些巖石融化，形成熾熱的熔融巖石，即巖漿。由于地幔比周?chē)膸r石輕，這些熱量也會(huì )導致地幔表現出可塑性，部分地幔向上對流。

地殼中的巖石和水的溫度可以達到370攝氏度左右。巖石和流體中所含的熱能可以從地表以下淺層和幾英里的深處找到。

在一些國家，地熱已經(jīng)被用于烹飪和加熱系統數千年了。蒸汽和熱水的地下地熱儲層可用于發(fā)電和其他加熱和冷卻應用。

02 地熱能生產(chǎn)

地熱能可以在世界各地找到，其利用的可行性取決于地熱資源的深度、溫度、地質(zhì)環(huán)境、資源類(lèi)型、與能源需求的接近程度等。

今天，地熱能要么被用于發(fā)電(電力)，要么直接以熱能的形式被利用(所謂的“直接利用”)。

資源類(lèi)型和溫度決定了可以利用地下熱量的應用。傳統上，發(fā)電需要150攝氏度以上的溫度才能發(fā)電。盡管有新技術(shù)可以利用溫度低至70攝氏度左右的地熱資源發(fā)電。這在經(jīng)濟上是否可行，取決市場(chǎng)情況。

較低溫度可用于各種用途，用于工業(yè)應用中的加熱，加熱溫室，區域供熱系統或房屋，加熱游泳池，管道，水產(chǎn)養殖，食品脫水等等。加電的地源熱泵和交換系統可以擴大利用地熱能供熱和制冷。

根據美國能源部GeoVision報告中的林達爾圖改編而成

——各國的地熱生產(chǎn)

2023年世界地熱大會(huì )發(fā)布的，目前僅有大約26個(gè)國家使用地熱能發(fā)電、70個(gè)國家用于供暖。隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，地熱能可為全球電力生產(chǎn)及城市供暖和制冷添磚加瓦。

大會(huì )發(fā)布的我國首個(gè)地熱能?chē)抑髦紙蟾妗?a href="http://keyinmall.com/t/中國.html" >中國地熱產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展報告》顯示，在清潔供暖需求的強烈作用下，中國逐漸形成了以供暖（制冷）為主的地熱發(fā)展路徑，為國際地熱發(fā)展提供了新思路。截至2021年底，中國地熱供暖（制冷）能力達到13.3億平方米。未來(lái)幾年，中國北方地區地熱清潔供暖、長(cháng)江中下游地區地熱供暖（制冷）、青藏高原及其周邊地熱發(fā)電仍將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)。

——地熱能發(fā)電

發(fā)布《世界地熱發(fā)電進(jìn)展》權威報告。報告顯示，目前，世界上已有31個(gè)國家有地熱發(fā)電廠(chǎng)在運行。全球地熱發(fā)電總裝機容量已經(jīng)從1980年的2110兆瓦增長(cháng)到如今的16260兆瓦。未來(lái)，隨著(zhù)全球迫切需要保住1.5攝氏度的溫控目標，地熱發(fā)電會(huì )有廣闊前景。

在下圖中，可以看到所選國家的地熱發(fā)電在整個(gè)電力市場(chǎng)中的份額，突出表明地熱發(fā)電不僅在總體電力供應中發(fā)揮了非常重要的作用，而且在這些國家的可再生能源發(fā)電中也發(fā)揮了重要作用。

發(fā)布《世界地熱供暖制冷進(jìn)展》權威報告。報告指出，截至2022年底，全球供熱和制冷熱能裝機容量相當于1.73億千瓦，比2020年增加了60%，最大的應用領(lǐng)域是建筑物的供暖和制冷，其次是健康娛樂(lè )和旅游、農業(yè)和食品加工。其中，中國的增長(cháng)最為顯著(zhù)。

03 地熱直接利用

國際地熱協(xié)會(huì )(IGA)將地熱直接利用定義為直接利用地球的能量(地熱)作為熱能，而不是間接利用熱能發(fā)電。

在地熱文獻中，有一個(gè)區別: 直接使用地熱被定義為使用地熱資源，“使用熱能或地熱資源中的流體，而不使用中間介質(zhì)，而不是將其轉化為其他形式的能量，如電能?！贝蠖鄶抵苯邮褂玫膽每梢赃m用于低至中等溫度范圍20 - 120°C的地熱流體。低溫到中溫地熱資源已經(jīng)使用了很長(cháng)時(shí)間，特別是在第一次用于洗澡，后來(lái)用于空間加熱和農業(yè)應用以及冷卻。

本質(zhì)上的區別是，如果使用水基地熱儲層，或管道/井進(jìn)行地下熱傳導，并直接將其作為熱量或通過(guò)熱泵使用。

如今，地熱主要用于浴池和游泳池的加熱，以及空間和溫室的加熱。其他應用包括利用熱能的工業(yè)用途、水產(chǎn)養殖池塘加熱、農業(yè)干燥、冷卻和融雪。

按應用計算的地熱直接利用產(chǎn)量(2020)

特別是，近年來(lái)使用地熱能為游泳池供暖和為建筑物供暖(空間供暖)的情況有所增加。以下是每年通過(guò)地熱直接利用產(chǎn)生熱量的地理分布(不包括熱泵)

各地區地熱直接利用產(chǎn)量(2020年)

04 地熱熱泵

暖通空調的應用已經(jīng)存在了幾十年。HVAC代表供暖、通風(fēng)和空調。暖通空調熱泵是一種用于加熱和冷卻建筑物的設備，它通過(guò)制冷循環(huán)從較冷或較暖的空間傳遞地下(也包括空氣，例如湖泊)的熱能，類(lèi)似于普通的家用冰箱。隨著(zhù)電力的應用，這些熱泵的性能由系數性能(COP)決定。COP越高，熱泵效率越高，能耗越低。因此，地面溫度越高，將熱能擴展到更高溫度進(jìn)行加熱所需的電力就越少。

——地源熱泵

地源熱泵(也稱(chēng)為地熱泵)是將熱量從地下傳遞到地下，從而利用地球在整個(gè)季節的恒定溫度。這樣的熱泵連接到地熱交換裝置，該裝置可以使用閉環(huán)垂直或水平交換、直接交換，利用池塘，湖泊或海洋中的循環(huán)，立柱井或雙井。它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是制冷劑要通過(guò)那些管道，這些管道用來(lái)將地下的熱量傳遞給熱泵。在冬季，熱泵可以使用收集到的熱能來(lái)加熱建筑物(或較大設置的建筑物)，或者在夏季為建筑物降溫。

——加熱

直接利用地熱能供熱是利用地熱能的最大形式。最經(jīng)典和最廣泛的地熱利用形式可能是用于沐浴的傳統溫泉，比如日本的溫泉，或者可以追溯到羅馬時(shí)代的溫泉浴，但今天，世界各地的游泳池和浴池加熱是地熱直接利用的最大形式。其次是利用地熱能進(jìn)行空間供暖，例如在區域供熱系統中。在冰島的雷克雅未克、法國的巴黎以及中國地熱區域供熱的驚人增長(cháng)中，可以找到最大的地熱區域供熱系統。但我們看到，在歐洲，人們對利用地熱為供暖(和制冷)市場(chǎng)脫碳越來(lái)越感興趣。慕尼黑、赫爾辛基、哥本哈根等城市在利用地熱滿(mǎn)足其供暖需求上押下了重注。

另一個(gè)重要的用途是溫室供暖，這在可持續農業(yè)和食品部門(mén)中越來(lái)越重要。在這方面，荷蘭可能是一個(gè)很好的研究案例。荷蘭是一個(gè)擁有龐大而繁榮的園藝產(chǎn)業(yè)(溫室)的國家，荷蘭的運營(yíng)商一直在尋找替代天然氣的供暖方式，并開(kāi)始探索地熱作為一種選擇，這創(chuàng )造了一個(gè)現在蓬勃發(fā)展的市場(chǎng)，運營(yíng)商和供應商都利用地熱為溫室供暖。類(lèi)似的例子可以在土耳其、希臘、冰島、美國和其他地方找到

——冷卻

雖然聽(tīng)起來(lái)適得其反，但地熱也可以用于冷卻。通過(guò)一種被稱(chēng)為吸收的過(guò)程，地熱資源的熱量被用作熱泵的驅動(dòng)能量，然后為建筑物提供冷卻，甚至通過(guò)區域冷卻系統。

例如，在阿拉伯聯(lián)合酋長(cháng)國的馬斯達爾城，鉆了深地熱井來(lái)提取熱量，用于區域冷卻系統。雖然最初沒(méi)有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，但一個(gè)區域供冷公用事業(yè)公司現在正在改造該項目。

與此同時(shí)，地源熱泵也可以在較冷的溫度下提取熱能，直接用于冷卻，在世界各地都可以找到大大小小的系統。

05 地熱能的工業(yè)利用

發(fā)電是地熱能的常見(jiàn)"工業(yè)"用途，但如上所述，有大量工業(yè)應用是需要中低溫流體的活動(dòng)。例如加工加熱、工業(yè)空間空調和加熱、食品加工、食品和魚(yú)類(lèi)脫水、紙漿和紙張加工、紡織品的洗滌和染色、化學(xué)生產(chǎn)等等。

在“一些工業(yè)過(guò)程和農業(yè)應用的溫度“這張圖中可以找到有趣的概述

地熱的各種用途有很多很好的例子，例如在食品和飲料行業(yè)。

如今，地熱能被用于制鹽、牛奶的巴氏殺菌、奶粉的生產(chǎn)、藻類(lèi)/螺旋藻的生產(chǎn)、溫室蔬菜的生產(chǎn)、魚(yú)類(lèi)脫水、啤酒釀造、白酒生產(chǎn)、魚(yú)子醬生產(chǎn)、養魚(yú)、護膚品的生產(chǎn)等等。

瑞士日內瓦大學(xué)的Luca Guglielmetti提出了一個(gè)很好的概述，展示了地熱能在基于溫度的食品部門(mén)中可以發(fā)揮的作用。