热干岩 干热岩发电？还没开始……

在中国能源领域，继可燃冰(天然气水合物)之后，另一个热点是地热。地热能之所以引起人们的关注，是因为储量如此巨大，没有科学家能计算出储量有多大。如果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，开采难度大，成本高；那么地热能的优势是可燃冰无法比拟的。地热能是可再生能源，价格低廉，无污染；地热开采稳定持续，可作为基地动力。

国内部分媒体报道:干热岩发电将很快排挤燃煤发电，将取代石油，甚至让人类放弃高温核聚变-托卡马克发电的努力。并对未来的力量做了描述。“青海已经成为中国的能源基地，不断向全中国输出电力。我们将逐步放弃燃煤和燃气，它们破坏环境以获取能源。”“中国目前干热岩资源的能值已经达到了惊人的水平，可以使用3900年。日本、加拿大、美国、欧洲等国家做不到的，我们做到了，这是历史性的飞跃。甚至是“中国三大新发明”之一。这些内容在网上继续发酵。

如果干热岩发电成功，化石燃料发电甚至核聚变发电都会被拿下来，让中国能源行业百万员工的饭碗被敲掉，这可不是小事。

地热能基础知识

地热能来自地球内部，地核散发的热量通过地幔中的高温岩浆传递到地壳，称为“地热能”。地球内部的温度高达7000开氏度，在80到100公里的深度，温度会降到650到1200开氏度。热量通过地下水和熔岩流向离地面1 ~ 5公里的地壳，可以传递到离地面更近的地方。热熔岩加热了附近的地下水，热水最终会从地下渗出。使用地热能最简单、最具成本效益的方法是直接利用这些热源，提取它们的能量。可供开发利用的地热能一般发生在地壳破裂处，即板块结构的边缘。火山活动是地壳板块推挤或扩张造成的，导致区域地温升高，大量热能传递到浅层。目前的技术只能在一些地质适宜的地区开发利用集中在浅层地壳中的热能。如果将来能进一步开发更深层的地热能，热能将是无穷无尽的，所以地热能常被称为取之不尽的资源。

图1温度随着地层深度的加深而升高

在恒温带以下，每100米深就会增加3摄氏度，这就是所谓的地热梯度。因为太阳给地球很大的热量，人们感受不到地面的温暖。其实地球上有热流，地热流是指单位时间内从地下深处垂直向上通过地表传导的热量。热流单位用HFU(热流单位)表示。

1HFU = 1 Cal/(cm2·s)= 41.86 MW/m2

其数值与地球内部的热传导过程、构造作用、浅层结构、地壳和上地幔结构密切相关，如图1所示。全球热通量从0.6到3.0 hfu不等，平均为1.47HFU，虽然地球表面每单位面积每秒的热通量很小，但每年燃烧300多亿吨煤释放的热量是相当的。

如何储存地热能

常见的地热能按其储存方式大致可分为以下两种:

▲热液型(又称热液资源):指地下水在多孔或裂隙岩层中吸收地热能，其储存的热水和蒸汽经适当提取后可作为一种经济的替代能源，是当今最常见的开发模式。

▲干热岩型(又称热岩资源):是指浅埋藏在地壳表层的熔岩或松散岩体，可以人工制造断裂带，然后钻孔注入冷水加热成蒸汽和热水，再将热量提取出来。

“地热区”按其成因可分为火山地热区和非火山地热区。中国地热分布见图2。

图2中国地热分布图

利用地热能的方法

地热能的利用可分为直接利用和地热发电。

1、直接使用

地热资源的直接利用是最古老、最实用、最广泛的地热利用。早在旧石器时代，人类就用温泉洗澡、治病。可用的最早地热时代是公元前3世纪的中国秦朝，如图3所示。

图3公元前3世纪建于秦朝的温泉

地热能的直接利用有多大？从表1可以看出，中国直接利用地热能居世界首位。

表1 2015年地热直接利用装机容量

国家

使用率/MWt

国家

使用率/MWt

中国

17870.00

泰国

128.51

美国

17415.91

宜郎

81.50

土耳其

2886.30

葡萄牙

35.20

德国

2848.60

肯尼亚

22.40

法国

2346.90

澳大利亚

16.09

日语版

2186.17

萨尔多瓦

3.36

浮冰岛

2040.00

菲律宾

3.30

意大利

1014.00

危地马拉

2.31

奥地利

903.40

印度尼西亚

2.30

新西兰

487.45

埃塞俄比亚

2.20

俄罗斯

308.20

科斯塔·尼加

1.00

墨西哥

155.82

巴比亚-新几内亚

0.10

2.发电用地热资源

地热能发电的基本原理是利用无穷无尽的地热能加热地下水，将其转化为过热蒸汽，作为工作流体，带动涡轮旋转发电。换句话说，地热能转化为机械能，然后机械能转化为电能；这种通过蒸汽使涡轮机旋转的方式与热发电的原理相同。但火力发电驱动的汽轮机工作流体必须靠燃烧重油或煤来维持，不仅费时，而且在过程中容易造成污染；相反，地热发电相当于把锅炉和燃料放在地下，只有取出蒸汽才能达到发电的目的。

高温地热水作为工作流体，通常采用“闪蒸汽处理”的方法进行处理，即由于压力突然下降而迅速汽化，然后引入低压汽轮机发电发电。

如果工作流体是干燥的高温过热蒸汽，可以直接引入汽轮机。如果同时含有蒸汽和热水，必须用汽水分离器进行分离。蒸汽推动汽轮机后，凝结成热水。如果热水温度仍然很高，可以通过闪蒸处理重新使用或用于其他目的。发电系统末端的冷凝水经过适当的温度控制后排入河流，或者回注到地下，避免地层下沉。

全球地热发电形势

目前，地热发电技术主要有四种应用系统，它们是:

1.地热蒸汽发电系统。可以细分为:

1.干蒸汽发电:是最简单有效的工作流体，只要通过管道直接引入汽轮机就能发电；

2.闪蒸汽发电:即高温地热水在一个或多个阶段闪变成蒸汽，然后通过汽水分离装置去除热水，蒸汽带动汽轮机发电。该系统的应用技术已经成熟，安全可靠，是目前最重要的地热发电形式。

二、热岩发电系统。

必须先钻两口深度几公里的深斜井，然后在其中一口井中注入冷水，冷水被热岩层提供的地热加热，使其产生的蒸汽从另一口井中收集，然后带动涡轮发电；然而，由于经济因素，发电系统难以大规模推广。最近出现的“干热岩地层发电”是另一种提法。

3.双循环发电系统。

又称“双循环”发电或中型发电系统。低沸点物质(如丁烷等。)作为介质(即工作流体)，由热交换器用地热井产生的热流体加热，气化驱动涡轮发电，工作流体可循环使用。值得注意的是，可以作为介质的氟利昂，由于《蒙特利尔公约》已经被完全禁止。

4.全流式发电系统。

也被称为“全流”发电，地热井产生的热流体包括蒸汽和热水的两相混合物，引入专门设计的涡轮，传动轴由动能和压力能驱动，与发电机连接发电。

全球电力生产仍以化石燃料发电为主，但可再生能源发电正逐渐兴起，并挤占化石燃料发电。水电是主要的可再生能源发电，其次是风力发电、光伏发电和生物质发电。其他如海洋发电和地热发电的份额很小。我国地热发电落后，要迎头赶上。

表2世界各国地热发电累计装机容量(单位:兆瓦)

2016年全球地热装机13438兆瓦，相当于巴西和巴拉圭伊泰普大坝14000兆瓦，甚至低于中国三峡大坝22500兆瓦的装机容量。

干热岩体发电困难

纵观全球十大地热电站，西藏羊八井地热田总装机容量为25.18兆瓦，仅为排名第六的印尼大拉加特地热电站的1/10。这些地热发电站不使用热的干燥岩石发电，而是使用常规的地热蒸汽发电系统。排名第三的拉德里罗地热田是世界上最早的地热发电站。

表3世界十大地热发电厂

地下干热体有多少资源？媒体称“我国干热岩资源的能值已经达到惊人的水平，可以使用3900年”。在中国的能源行业或者媒体上，从资源量上很容易计算出可以用多少年，简单到小学生做数学题。

仔细想想。地下干热体以地心岩浆为后盾。当人们泵出干热体的热量时，岩浆就会不断得到补充。因此，干热体的热量称为可再生能源。

可采储量、可采年限和储采比等术语仅用于原煤、原油和天然气等化石燃料，不适用于太阳能、风能、海洋能和地热能等可再生能源。可以算算，中国的干热体可以用3900年，被大师忽悠了。

价格是能源市场的生命线。找到能源资源后，经过一场狂欢，请冷静思考是否可以开采。当然要看很多因素，最后归结到价格。地下干热发电研究了半个世纪，还是没有气候的小规模生产，价格原因。

地热能在世界许多地方被广泛使用。但地热能分布相对分散，难以开发。

地热发电有四种形式，其中地热蒸汽发电系统是目前最重要的地热发电形式。干热岩体发电怎么样？

干热岩(HDR)发电是指利用地下热岩的热量发电。在我国，干热岩的定义是指温度高于150℃，埋深浅于6000米，内部无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 National Laboratory)的波特(Potter)，R.M .，史密斯(Smith)，M.C .，Robinson)和E.S .就提出了利用地下干热岩发电的想法。

目前有几个国家建设了实验性的干热岩电厂，规模较小。建设一座干热岩电厂一般需要5年，使用寿命一般在15 ~ 20年左右。然而，由于经济和技术的限制，干热岩发电尚未形成商业规模。

左日本右澳大利亚

图5干热岩发电系统示意图

中国媒体报道说，“中国在青海省共和盆地3705米深处钻了一个236摄氏度的干热岩体。首次钻遇温度最高的干热岩体，实现了我国干热岩勘探的重大突破。消息一出，就在全世界引起了强烈的讨论。西方国家一直在研究，中国率先突破他们梦想实现的新能源是一个历史性的时刻。这句话顶多说明第一次实验成功了，但不能强调“中国率先突破……，日本、加拿大、美国、欧洲等国家失败了，我们做到了，这是历史性的飞跃”。

事实上，在日本、加拿大、美国、德国、澳大利亚等国家之后，中国也开始涉足这一领域。日本甚至试图利用注入注水井的高温岩浆发电，但仍处于研究阶段。

干热岩体发电能力

地下干热发电将很快结束燃烧煤和石油获取能源的方法。而且几乎取之不尽，...这项技术的影响甚至让人类放弃了高温核聚变——托卡马克产生能量的努力。“真的是这样吗？

首先看一下任21(21世纪可再生能源政策网)2015-2017年的报告中整理的数据。截至2016年，全球可再生能源发电占总发电量的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%，光伏发电占1.5%，而地热发电、太阳能热发电和海洋能发电之和仅占0.4%，如表4所示。地热发电中，干热发电还处于研究和试验阶段，几乎不占份额，也就是说干热发电的价格不被市场接受。再者，地下干热发电试图打败燃煤发电，核聚变等等，这是吹牛。

必须说明的是，人均用电量不是一个常数，随着人们生活质量的提高，每年都在增加。任何单一能源都不可能主导能源市场，更不可能利用干热岩体发电。

表4 2009-2016年全球电力生产结构

就一般地热发电而言，地热发电也有缺点，如开采技术要求高，钻井成本和防腐管道会推高投资成本；地热资源的开采受到环境前提条件的限制，在开发过程中容易造成环境污染。地热发电仍有二氧化碳排放，即45g CO2/kWhe。发电时的蒸汽可能含有有毒气体，热水也可能含有重金属等有害物质，从而影响环境；供给源的位置很难掌握，连续供给的稳定性也很难精确计算。如果我们谈论在炎热干燥的岩层中发电，会有更多的缺点。干热岩层的发育应该是在土板的裂缝中，所以钻探成本极高，难以掌握，管道热阻要求也极高，开采成本也相应推高。热量和排放对环境的影响更大。

结论

对干热岩层发电的理解真的不一样！自己判断是否正确。

中国地热资源直接利用居世界第一，地热发电却在野外。

地热蒸汽发电系统仍是世界上主要的发电系统，而干热岩发电的发展由来已久，一直处于研究阶段，商业化尚未显现迹象。

中国的干热岩发电只是欧美国家之后的一次成功研发，离商业化发电还很远。

本文完全不否认热干岩发电的意义，只是告诉你发展道路并不平坦，我国必须加快固定热干岩发电的开发研究，尽快解决我国能源短缺的问题。未来能源发展的特点是多样化(来源)和多源(渠道)，以确保国家能源供应安全。任何一种能源都试图排挤兄弟能源的领先，即使热干岩发电是出类拔萃的，成功的，也永远不可能。