书城科普读物新能源(科学探究丛书)
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第10章 来自地心的能源——地热能(2)

人们要想获得高温地下热水或蒸汽,就得去寻找那些由于某些地质原因,破坏了地壳的正常增温,而使地壳表层的地热增温率大大提高了的“异常地热区”。“异常地热区”的形成,一种是产生在近代地壳断裂运动活跃的地区,另一种则是主要形成于现代火山区和近代岩浆活动区。除此两种之外,也还有由于其他原因所形成的局部“异常地热区”。在“异常地热区”,如果具备良好的地质构造和水文地质条件,就能够形成有大量热水或蒸汽的具有重大经济价值的,“热水田”或“蒸汽田”统称为“地热田”。目前世界上已知的一些地热田中,有的在构造上同火山作用有关,另外也有一些则是产生在火山中心地区的断块构造上。

地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后,把热量从地下深处带至近表层。在有些地方,热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面,自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井,这些热能可以从地下的储层引入水池。房间、温室和发电站。这种热能的储量相当大。据估计,每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW·h。不过,地热能的分布相对来说比较分散,开发难度大。实际上,如果不是地球本身把地热能集中在某些地区(一般来说是那些与地壳构造板块的界面有关的地区),用目前的技术水平是无法将地热能作为一种热源和发电能源来使用的。严格地说,地热能不是一种“可再生的”资源,而是一种像石油一样,可开采的能源,最终的可回采量将依赖于所采用的技术。将水(传热介质)重新注回到含水层中可以提高再生的性能,因为这使含水层不枯竭。然而在这个问题上没有明确的结论,因为有相当一部分地热点可采用某种方式进行开发,让提取的热量等于自然不断补充的热量。实事求是地讲,任何情况下,即使从技术上来说地热能不是可再生能源,但全球地热资源潜量十分巨大,因此问题不在于资源规模的大小,而在于是否有适合的技术将这些资源经济开发出来。

地热能是指贮存在地球内部的热能。其储量比目前人们所利用的总量多很多倍,而且集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度,那么地热能便是可再生的。高压的过热水或蒸汽的用途最大,但它们主要存在于干热岩层中,可以通过钻井将它们引出。

地热能在世界很多地区应用相当广泛。老的技术现在依然富有生命力,新技术业已成熟,并且在不断地完善。在能源的开发和技术转让方面,未来的发展潜力相当大。地热能是天生就储存在地下的,不受天气状况的影响,既可作为基本负荷能使用,也可根据需要提供使用。

地热能的利用自古时候起人们就已将低温地热资源用于浴池和空间供热,近来还应用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热。在商业应用方面,利用干燥的过热蒸汽和高温水发电已有几十年的历史。利用中等温度(100℃)水通过双流体循环发电设备发电,在过去的10年中已取得了明显的进展,该技术现在已经成熟。地热热泵技术后来也取得了明显进展。由于这些技术的进展,这些资源的开发利用得到较快的发展,也使许多国家的经济上可供利用的资源的潜力明显增加。从长远观点来看,研究从干燥的岩石中和从地热增压资源及岩浆资源中提取有用能的有效方法,可进一步增加地热能的应用潜力。地热能的勘探和提取技术依赖于石油工业的经验,但为了适应地热资源的特殊性(例如资源的高温环境和高盐度)要求,这些经验和技术必须进行改进。地热资源的勘探和提取费用在总的能源费用中占有相当大的比例。这些成熟技术通过联合国有关部门(联合国培训研究所和联合国开发计划署)的艰苦努力,已成功地推广到发展中国家。

地热流体的物理化学性质

目前开发地热能的主要方法是钻井,并由所钻的地热井中引出地热流体——蒸汽和水而加以利用;因此地热流体的物理和化学性质对地热的利用至关重要。

地热流体不管是蒸汽还是热水一般都含有CO2、H2S等不凝结气体,其中CO2大占90%。地热流体中还含有数量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO等物质。地区不同,含盐量差别很大,以重量计地热水的含盐量在0.1%到40%之间。

在地热利用中通常按地热流体的性质将其分为以下几大类:

pH值较大,而不凝结气体含量不太大的干蒸汽或湿度很小的蒸汽;

不凝结气体含量大的湿蒸汽;

pH值较大,以热水为主要成分的两相流体;

pH值较小,以热水为主要成分的两相流体。

在地热利用中必须充分考虑地热流体物理化学性质的影响,如对热利用设备,由于大量不凝结气体的存在就需要对冷凝器进行特别的设计;由于含盐浓度高就需要考虑管道的结垢和腐蚀;如含H2S就要考虑其对环境的污染;如含某种微量元素就应充分利用其医疗效应等。

我国地热能发展现状

一、技术现状

已建立了一套比较完整的地热勘探技术方法、评价方法;地热开发利用工程勘探、设计、施工已有资质实体;设备基本配套、国产化、有专业制造厂商;监测仪器基本完备并国产化。

二、产业化现状

概括全国地热开发利用规模、技术、经济分析研究,可以认为:

1.地热发电产业已具有一定基础。国内可以独立建造30兆瓦以上规模的地热电站,单机可以达到10兆瓦。电站可以进行商业运行。

2.地热供热产业。全国已实现800万平方米,在天津地区单个地热供暖小区面积已达80万~100万平方米。开发利用和科学技术水平,经济、社会和环境效益在示范点、示范区可以达到国际90年代水平,但总体上与国际上先进水平相比尚有一定差距,目前正在由粗放转入集约。

3.地热钻井产业。目前已具备施工5000米深度的地热钻探工程条件和水平,在华北地区,从事地热钻探的3200米型钻机就有15台套,形成全国最大的地热钻探群体,具备了大规模开发地热能力,并开始朝着专业化、规范化方向发展。

4.地热监测体系、生产与回灌体系正逐步完善和建立,但当前正处在试验研究阶段,尚没有形成工业化运行。

5.地热法规和标准尚需健全和完善,特别是地下、地面工程设施、施工,需尽快完善和建立技术规程和技术标准。培育专业化施工(从地下到地上)企业,建立企业标准和行业标准。

三、市场需求现状

随着我国市场经济的快速、稳定发展,特别是城市化程度加强和人民生活质量提高,地热市场的需求相当强劲,如在中国北方高纬度寒冷的大庆地区,亟需大规模开发地热,以解决城镇供热为主的开发利用问题,干旱的西北高原和城市地区也急需开发热矿水以开拓市场、发展第三产业以及提高人民生活水平,改善生产、生活条件。

紧密与当地地缘经济发展相结合,每年以10%的速度适度发展地热温室种植、养殖。热矿水医疗保健和旅游产业的发展有重要现实意义。

市场预测情况为:

1.近中期(2001年~2005年):地热发电,15~25兆瓦,累计40~50兆瓦;地热采暖,700~800万平方米,累计1400~1500万平方米;

2.远期(2006年~2010年):地热发电,25~50兆瓦,累积65~100兆瓦;地热采暖,800~1000万平方米,累积2200~2500万平方米。