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干热岩发电?还没开始……

2018-01-31 14:11:00 无所不能   作者: 庞名立  
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在我国能源领域内,继可燃冰(天然气水合物)之后,又一热点是地热了。地热之所以引起国人的关注,是因为储量如此巨大无比,还没有一位科学家能够算出有多大的储量。如果说可燃冰是化石燃料的一种,无论燃烧与否都会造成温室效应,而且开采难、费用高;那么地热的优点是可燃冰无法比拟的,地热是可再生能源,价格低,当然没有污染;地热开采稳定并连续,可以作为基载电力。 我国有的媒体报道:热干岩发电将很快排挤燃煤发电,并将取代石油,甚至会使人类放弃高温核聚变—托卡马克(Tokamak)产生能源的努力。而且做了个未来电力的描述“青海地区成为中国的能源基地,源源不断地向全中国输出电力。我们会逐渐放弃燃煤,燃气这种破坏环境取得能量方式”,“我国目前的陆域干热岩资源量能量值,已经达到了惊人的地步,..….可用3900年。日本、加拿大、美国、欧洲等国做不到的,我们做到了,这是一次历史性的飞跃”。甚至吹到是“中国新三大发明”之一。这些内容在网络上持续发酵。 如果热干岩层发电一旦成功,把化石燃料发电,甚至把核聚变发电拿下,这样我国数百万能源产业从业人员的饭碗被敲掉了,可不是个小事情,那么热干岩层发电是个什么东东?真值得关注一下。 地热的基本知识 地热来自于地球内部,地核散发的热量透过地幔的高温岩浆传达至地壳,而这种热能就称为“地热能(Geothermal energy)”,简称“地热”。地球内部的温度高达开氏7000度,而在80至100公里的深度处,温度会降至开氏650~1200度。热量透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1~5公里的地壳,得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热,这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法,就是直接取用这些热源,并抽取其能量。可供开发利用之地热一般发生在地壳破裂处,亦即板块构造边缘;如:环太平洋地震带、大西洋中洋脊、地中海-喜马拉雅交界等。台湾便是位于环太平洋地震带上,因此具有发展地热的良好先天条件。由于地壳板块推挤或扩张,造成火山活动,以致区域性地温升高,大量热能传到浅部地层,目前的技术只能在部分地质适宜的区域,针对集中在地壳浅部的热能予以开发利用,将来若能更进一步开发较深层的地热时,则热能源源不绝,故地热常被称为永不枯竭的资源。
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图1 随着地层深度加深而温度增高 在恒温带以下,每挖深100米,就会增加摄氏3度,这个称为地热梯度(Geothermal Gradient)。由于太阳给与地球的热量巨大,所以人们感受不到地面给人们的温暖。实际上大地有热流,大地热流(Terrestrial Heat Flow)指在单位时间内由地下深处垂直向上传导通过单位地球表面散发的热量。热流单位用HFU(heat flow unit)表示。 1HFU=1µCal/(cm2·s)=41.86mW/m2 其数值大小与地球内部热传导过程、构造作用、浅层构造及地壳和上地幔结构密切相关,见图1。全球热流值变化范围为0.6~3.0HFU,平均为1.47HFU。虽然地表单位面积的每秒热流量很小,但整个地球表面一年释放相当于燃烧300多亿吨煤放出的热量。 地热的储存方式 常见的地热依其储存方式,可约略分为如下两种类型: ▲水热型(又名热液资源):系指地下水在多孔性或裂隙较多的岩层中吸收地热,其所储集的热水及蒸汽,经适当提引后可为经济型替代能源,即现今最常见的开发方式。 ▲干热岩型(又名热岩资源):系指浅藏在地壳表层的熔岩或尚未冷却的岩体,可以人工方法造成裂隙破碎带,再钻孔注入冷水使其加热成蒸汽和热水后将热量引出。 “地热区”,或称“地热田”,泛指具明显地热征兆的区域;举凡温泉、喷泉或喷汽孔地区或高温岩石分布区皆可称之。由于地热与火山活动有直接或间接的关系,因此“地热区”依其成因可分类为火山性地热区和非火山性地热区两种。我国地热分布可见图2。 我国东部地区地壳薄,有利于开发传导型地热,,东部沿海地区如广东、福建等省区位于太平洋板块边缘,是地热利用的有利地区。我国西藏南、滇西、川西属喜马拉雅地热带,钻井2000m 即可获得摄氏200度的高温热水,是地热最有利地区。松辽盆地与渤海湾盆地正里地慢软流圈上涌区,是地慢热能上涌外泄的主要地区,平均地温梯度可达摄氏4度/100米左右。大庆油田龙深1 井,钻深6000米,温度高达摄氏260度,1979 年阳深1 井,深4651米、摄氏192度,2006 年葡深1 井,深5500米,摄氏220度,徐深22 井,深5320米,摄氏210度。
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图2 中国地热分布图 地热资源的两种利用途径 地热能的利用可分为直接利用和地热发电两大类。 1直接利用 地热资源的直接利用是最古老、最实用而最广泛的地热利用。人类早在旧石器时代就有利用温泉沐浴、医疗,在古罗马时代利用地下热水取暖等,中国如句容的小汤山、临潼的华清池;近代有建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等等。可查的最早使用地热的年代是公元前3世纪中国秦朝,见图3。
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图3 公元前3世纪秦朝建造的温泉 地热直接利用有多大的规模?根据2015年在澳大利亚墨尔本召开的世界地热会议上John W.Lund和Tonya L.Boyd发表《Direct Utilization of Geothermal Energy 2015 WorldwideReview(2015年世界直接利用地热能评论)》,把世界各国直接利用地热的状况,如表1,可以看出中国直接利用地热居世界第一。
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2地热资源发电 地热发电(Geothermal power)的基本原理是利用无止尽的地热来加热地下水,使其成为过热蒸汽后,当作工作流体以推动涡轮机旋转发电。换言之,即将地热转换为机械能,再将机械能转换为电能;这种以蒸汽来旋转涡轮的方式,和火力发电的原理是相同的。不过,火力发电推动涡轮机的工作流体必须靠燃烧重油或燃煤来维持,不但费时且过程中易造成污染;相反的,地热发电等于把锅炉和燃料都放在地下,只需将蒸汽取出便能够达到发电的目的。 对于做为工作流体的高温地热水,通常采“闪化蒸汽处理”,也就是让它因压力骤降而迅速汽化,紧接导入低压蒸汽涡轮机产生动力以发电。 工作流体若为干而高温的过热蒸汽,可直接通入涡轮机,若同时含有水蒸气和热水,则须先藉汽水分离装置将二者分离,待水蒸气推转涡轮机后凝结为热水,如果热水温度仍高,则可经闪化处理再利用或另作他途。发电系统末端之冷凝水经适当控温后排入河川,或回注地下以免地层下陷。 1904年由坎梯(Prince PieroGinori Conti)建成了世界上最早的目前是世界上第三大的地热电站—拉德瑞罗地热田(Larderello GeothermalField)。采用地热蒸气发电,其功率为 10kW 的地热发电机组。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶,利用地热来发电。
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图4 坎梯在拉德瑞罗地热电站 中国从20世纪70年代初开始研究地热发电,相继建成一批小地热发电机组:广东丰顺邓屋386kWe;江西宜春温汤50kWe;河北怀来20kW;湖南灰汤300kWe;辽宁熊岳100kWe;西藏那曲1000kWe;西藏朗久2000kWe;台湾清水3000kWe等。 中国于20世纪70年代后期建造的西藏羊八井地热田(YangbajainGeothermal Field),至2006年底共有9台机组,总装机容量为25.18MWe。截止2006年底,累计发电量达2.0TWh(1TWh =10亿千瓦小时)。 全球地热发电情况 现今地热发电的发电技术有四种最主要的应用系统,分别是: 一、地热蒸汽发电系统。可细分为: 1、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; 2、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。 二、炽热岩发电系统。 须先凿通两口深达数千米的深斜井,再将冷水注入其中一井,由炽热岩层所提供的地热加热,使其产生水蒸气从另一井汇集后,推动涡轮机发电;不过由于经济因素,该发电系统较难被大规模推广。最近出现的“热干岩层发电”是另外一种提法。 三、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。 四、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。 全球电力生产仍然是化石燃料发电占主导地位,但是再生能源发电在逐渐崛起并排挤化石燃料发电。再生能源发电以水力发电为主,其次是风力发电、光伏发电和生物质发电,其他如海洋能发电、地热发电等的份额极少。 根据地热能源新闻(ThinkGeoEnergy)和国际地热协会(InternationalGeothermal Association)的报告,中国地热发电占全球份额仅为0.2%,换句客气话说,中国地热发电属于后进的,还得奋力直追。 表2 世界各国地热发电累积装机容量(单位:MW)
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把数据比较一下,给您一个形象的概念,您就可以看出目前地热发电所处的地位。2016年全球地热装机容量为13438MW,相当于巴西和巴拉圭的伊泰普大坝(Itaipu Dam)14000MW,更赶不上我国三峡大坝(Three Gorges Dam)装机容量22500MW。 干热岩体发电步履艰难 再看全球十大地热电站,我国西藏羊八井地热田总装机容量为25.18MWe,仅为位居第六位的印度尼西亚达拉加特地热电站的1/10。这些地热电站都不是采用热干岩层发电,而是采用常规的地热蒸汽发电系统。您可以把表3中的英文标注的地热发电站输入百度或维基百科查询该发电站的情况,可以得到更多的信息。表中位居第三的拉德瑞罗地热田是世界上最早的地热发电站。 表3 全球十大地热电站
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地下干热体有多少资源量?媒体说“我国目前的陆域干热岩资源量能量值,已经达到了惊人的地步,..….可用3900年”。在我国能源界或媒体很容易从资源量计算出可以用多少年,像小学生做算术题一样简单。 仔细想一下,地下干热体的后盾是地心岩浆,当人们把干热体的热量不断抽出后,岩浆会不断补充,所以称干热体的热量是可再生能源。请注意能源的基本知识: 可采储量、可采年限、储采比等这些术语仅用于化石燃料如原煤、原油和天然气,不适用于再生能源如太阳能、风能、海洋能、地热等等。能够计算出我国干热体可用3900年,那是高手忽悠老百姓的。 价格是能源市场的生命线。当找到能源资源,一阵狂欢后,请冷静想一想能够开采吗?当然,决定于很多因素,最终落实在价格上。地下干热体发电研究了半个世纪,至今仍然是不成气候的小规模生产,那就是价格惹的祸。 地热能在世界很多地区应用相当广泛。不过,地热能的分布相对来说比较分散,开发难度大。 地热发电有四种形式,其中地热蒸汽发电系统是目前地热发电最主要的形式。那么干热岩体发电怎么样呢? 干热岩体(Hot dry rock,HDR)发电指利用地下炽热岩层的热量来转化发电。我国对干热岩的定义是指温度大于150摄氏度,埋深6000米以浅,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。 早在20世纪70年代美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos NationalLaboratory)Potter, R. M.,Smith, M. C.and Robinson, E. S就提出利用地下干热岩发电的设想。1972年美国在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井,从一口井中将冷水注入到干热岩体,从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽,功率达2300千瓦,标志着干热岩的开发利用研究从概念模式转入到实验阶段。 此后,这种发电技术引起了世界各国的关注,一些经济发达、能源消耗量大的国家竞相开展干热岩发电技术的研发工作,甚至纳入到国家开发研究计划。通过国际合作和各国不断努力,美国、日本、英国、法国、德国和澳大利亚等国家相继进行了有关方面的实验,基本掌握了干热岩发电各个环节的技术。随着技术的熟练,试验电厂的发电量也逐渐由3MW增大到11MW,更加接近商业开发的规模。目前已有少数国家建有试验性干热岩发电厂,而且规模较小。建造一个干热岩发电厂一般需要5年时间,其使用寿命一般在15~20年左右,但受到经济和技术等条件限制,干热岩发电尚未形成商业规模。
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左日本 右澳大利亚 图5 热干岩发电系统示意图 我国媒体报道“我国在青海共和盆地3705米深处钻获摄氏236度的高温干热岩体。首次钻获温度最高的干热岩体,实现了我国干热岩勘查的重大突破。消息一经传出,在国际上引起了强烈的讨论。西方国家一直在研究,做梦都想要实现的利发国际88lifa,竟然率先被中国突破了,这是一个历史性时刻”。这句话顶多说明首次实验成功,但不能强调“率先被中国突破了…….,日本、加拿大、美国、欧洲等国做不到的,我们做到了,这是一次历史性的飞跃”。 从网络上很容易查到,客观点说,从20世纪70年代起,许多国家一直在研究这种取之不尽、用之不竭的利发国际88lifa。实际上我国继日本、加拿大、美国、德国、澳大利亚等国家之后也开始跨进这个领域。日本甚至把注水井打到地下的高温岩浆试图用以发电,但仍然处于研究阶段。 干热岩体发电有多大能耐 请看这段话,地下干热体发电“很快将结束由燃烧煤炭,石油来取得能源的方法。而且几乎是取之不尽,用之不竭,……由此技术产生的影响,甚至使人类放弃高温核聚变—托卡马克产生能源的努力”,难道真的是这样吗? 先看REN21(Renewable Energy Policy Network forthe 21st Century)2015~2017年的报告汇集成表的数据。截止2016年全球再生能源发电占电力总量的24.5%,其中水力发电最高,占16.6%,其次是风电场占4.0%、生物质发电占2.0%和光伏发电占1.5%,而地热发电、太阳能聚热发电和海洋能发电等三项之和仅占0.4%,见表4。地热发电中干热体发电仍然在研究实验之中,几乎不占份额,也就是说干热体发电价格还不被市场接受。进一步说,地下干热体发电试图打败燃煤发电、核聚变等那是吹牛皮的。 必须说明一下,人均耗电量不是一个常数,随着人们生活质量的提高,年年都在增高。任何单一能源都不可能独霸能源市场,干热岩体发电更加没有能力了。 表4 2009~2016年全球电力生产结构
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就一般的地热发电而言,地热发电也有缺点,如开采技术要求高,钻井费用和抗腐蚀管线会推高投资成本;地热资源的开采受到环境的先决条件的限制颇多,而且在开发过程中易造成环境污染;地热发电仍然有二氧化碳排放,即45g CO2/kWhe。发电时的蒸汽有可能带有毒性气体,热水中也可能溶有重金属等有害物质,从而对环境造成影响;供应源位置掌握不易,且持续供应量的稳定性难以精确计算。如果谈及热干岩层发电,缺点更多了。热干岩层开发应在地球板块裂缝,钻井费用极高而且难以掌握,管线耐热性要求也极高,随之开采费用推高。热力及排放对环境影响更大。 结 语 对热干岩层发电的认识,真是霄壤之别!正确与否,自行判断。笔者认为: 中国在直接利用地热资源居世界首位,但地热发电却在幺鸭子。 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,何时商业化尚未苗头。 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。 本文一点都没有否定热干岩层发电的意思,只是告诉您发展道路不平坦,我国必须加快定热干岩层发电的开发研究,早日解决我国能源短缺的问题。未来的能源发展是以多元(来源)化和多源(渠道)化为特征,以确保国家能源供应安全。任何一种能源试图排挤兄弟能源独占鳌头,即便是热干岩层发电卓越成功,那也是永远不可能的。

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责任编辑: 李颖 标签: 利发国际88lifa 干热岩发电 地热 可再生能源 未来电力
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