科普|地热资源及其发电应用
发布时间:2022-05-27 栏目:科普宣传

GO


地热是来自地球内部核裂变产生的一种能量资源,透过地幔的高温岩浆传达至地壳。地表浅层以干型(干热岩、岩浆)和湿型(地下水)两种形式赋存地热发电是较重要也很有前景的利用方式。地热发电系统主要包括四种形式:地热蒸汽发电系统、双循环发电系统、热干岩发电系统、全流发电系统。


01 地热概念、规模及利用


什么是地热?


地热资源是一种可再生的清洁能源,是来自地球内部核裂变产生的一种能量资源。地表浅层以干型(干热岩、岩浆)和湿型(地下水)两种形式赋存。与风能、太阳能等相比,不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰的新能源。


1653553272278032592.jpg


地热资源按其属性可分为三种类型:

高温(>150℃)对流型地热资源,这类资源主要分布在西藏、腾冲现代火山区及台湾,前二者属地中海地热带中的东延部分,而台湾位居环太平洋地热带中。

中温(90-150℃)、低温(〈90℃)对流型地热资源,主要分布在沿海一带如广东、福建、海南等省区;

中低温传导型地热资源


地热规模及利用方式

地球内部是一个高温高压的世界,是一个巨大的“热库”,蕴藏着无比巨大的热能。地热能约为世界上油气资源能量的5万倍。壳浅部5 km内储存的天然热量相当于标准煤5000亿吨,其热流总量巨大,相当于标准煤5亿t吨。

直接利用:取暖、温泉沐浴、医疗、农作物温室、水产养殖及烘干谷物等等。

间接利用:地热发电、旅游、工业应用(如提取稀有元素、放射性元素)

1653553322668069031.jpg



02 地热发电历史


点亮第一盏地热电灯


1904年意大利在Larderello地热田首次利用干蒸汽发电试验,点亮第一盏地热电灯,标志着地热发电正式进入历史。意大利成为世界上从事地热发电的国家。


中国70年代开始利用地热发电


我国拥有150℃以上的高温温泉区近百处,集中分布在藏南、滇西和川西地区,成为我国开发利用高温地热能资源最有远景的地区。著名的羊八井地热田是我国兴建的第一座地热电站,自1977年9月建成试验发电以来,装机容量已达25.15兆瓦,占拉萨电网总装机容量的41.5%,在冬季枯水季节,地热发电量占拉萨电网的60.0%,成为其主力电网之一。


1653553368546002215.jpg



当下21国利用地热发电


近年来世界地热发电发展迅速,全球地热发电国家达到25个之多,总装机容量达13200MW。


1653553594537015103.jpg



地热发电重要发展时期


20世纪70年代初期,全球出现石油危机,再加上自然环境口趋恶化,常规能源储量口渐减少,许多国家为了寻找可替代能源,掀起了一个以开发新能源和可再生能源的热潮。地热能以资源覆盖面广,对生态环境污染小,运营成本低等优势而受到人们的青睐。




03 地热发电方式



地热蒸汽发电系统


可细分为干蒸汽式发电和闪化蒸汽式发电。

干蒸汽式发电:是最简便而有效的工作流体,只要由管线直接导入蒸汽涡轮机就可产生电力;

闪化蒸汽式发电:即高温地热水经单段或多段闪化成为蒸汽,再由汽水分离装置去除热水,以蒸汽推动涡轮机发电。该系统之运用技术已趋成熟且安全可靠,是目前地热发电最主要的形式。

单一的蒸汽朗肯循环发电技术循环效率较低,仅为20% 以下;尾水排放温度较高,一般在 100℃ 以上,地热能利用不够充分。



1653553392592026407.jpg


双循环发电系统


又称“双循环式”发电或介质发电系统。系以低沸点的物质(如:丁烷等)作为介质(即工作流体),与地热井产生的热流体借由热交换器达到加热,使其气化以推动涡轮机产生电力,且工作流体可循环使用。值得注意的是,其中可作为介质的氟氯昂(Freon)因“蒙特利尔公约”之故,已全面禁用。

双工质循环和卡琳娜循环发电技术系统较为复杂,涉及到两套工质系统,但循环效率高,尾水排放温度可以降至 60℃ 以下。


1653553699175094704.jpg


全流发电系统


又称“总流式”发电,地热井产生的热流体,包括蒸汽及热水的两相混合体,同时导入特殊设计的涡轮机,由动能及压力能带动传动轴连接发电机以产生电力


干岩发电系统


须先凿通两口深达数千米的深井,再将冷水注入其中一井,由干热岩层所提供的地热加热,创造出新的地热资源,可以获得更高温度的地热资源,可以达到175~225℃,使其产生水蒸气从另一井汇集后,推动涡轮机发电。

美国的 Fenton EGS、法国的 SoultzEGS、英国的 Rosemanowes EGS、日本的 Hijiori EGS、澳大利亚的 Cooper EGS等经过40年的野外试验研究,已经在钻井探测、水力压裂、人造热储和采热循环等方面获得了技术成就。在干热岩领域,中国前期投入较小,主要资助开展学术交流、探索研究,并未形成国家层面的干热岩技术研发基地和装备条件。


1653553724280065131.jpg


全球地热发电仍然以地热蒸汽发电系统为主,热干岩层发电发展道路漫漫,一直处于研究阶段,我国热干岩层发电只是继欧美国家之后的一次研发成功,离商业化发电的距离甚远。


04 地热发电前景分析



具有绝对的商业化优势


火力发电不是未来方向,水力发电成本一直高居不下,季节性强,而水资源困乏、水污染严重的现状。其它新能源,比如风力、太阳能、燃料电池、潮汐能等发电方式,在其稳定性和商业价值方面扩大不是一个短期的问题,其发电成本经济也不是很快在技术上所能解决的。地热发电不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰,只要在热显示区,准确勘测地热田内部结构情况,完善目前的地热发电技术便可大规模复制


地热发电技术发展趋势


未来的地热发电技术中,可以采用联合循环的方式。在地热水的高温阶段,采用扩容式蒸汽发电系统,利用地热能的高温部分;在地热水温度不能满足扩容发电方式运行条件时,采用双工质循环或卡琳娜循环技术,充分利用地热能的低温部分,最大限度地提高地热发电循环的效率


文章来源:地质论坛