地熱能——地心熱的開發利用【組圖】zt

地熱能——地心熱的開發利用

白怡然

何謂地熱
　　地球的內部非常熱，其地心溫度大約為4000℃，熱能持續不斷地在流向地麵，從地表輻射出去並消失在太空中。這一表麵的平均熱能量值為82毫瓦/米²，如果地球的表麵積為5.1×10¹⁴米²，那麽，這種連續不斷的熱流失率大約為42兆兆瓦(熱)。





　　到達地表的能量多數是很劣質的熱，很少被搜集後直接使用。然而，在近百萬年間發生火山活動的地區，大量優質熱留存於熔岩或已結晶的2～10公裏深的岩石中，用現代技術(如向岩石鑽探)可有效予以搜集。



　　從地殼岩石中抽取熱量並運至地表，需要熱傳遞介質。自然界是通過地下水實現這一點的。地熱庫下邊熱的熔岩將地下水加熱，熱水通過岩石中相互連接的斷層、裂縫和孔洞浮上來。斷層、裂縫和孔洞中的開放空間隻占岩石體積的2%～5%，但當它們充滿了熱水並且相互連接，將形成一個多孔滲透地熱庫。

　　地熱水的溫度在一處與另一處可相差極大。有的地熱源可產生300℃以上的熱水，有的則產生沸點以下(在海平麵水的沸點為100℃)的水。高於150℃的高溫熱源一般可用以發電，低溫熱源可直接加熱使用，如工業加工、區域供熱、溫室加熱、食品幹燥和水產養殖。

地熱發電
　　地熱發電，實際上是用蒸汽動力發電。通過打井找到正在上噴的天然熱水流。由於水是從1～4公裏的地下深處上來的，所以水是處在高壓下。一眼底部直徑25厘米的井每小時可生產20～80萬公斤的地熱水與蒸汽。由於水溫的不同，5～10眼井產出的蒸汽可使一個發電裝置生產出55兆瓦的電。

　　這種發電裝置有兩類：汽輪機發電和二元發電裝置。為了供給一台汽輪發電機蒸汽，抽出的地熱水(帶壓)在稱為閃蒸罐容器的表麵釋放出來，一部分水(約占35%，取決於它的溫度)閃蒸(沸騰)為蒸汽，進入汽輪發動機進而帶動一台發電機。渦輪的排氣用傳統冷卻塔冷卻。閃蒸罐內剩餘的水在沸騰階段之後又注入熱庫邊緣的地下，它有助於維持熱庫的壓力並補充對流的水熱係統。

　　在二元發電裝置中，不是將熱水閃蒸為蒸汽，而是送至一台熱交換器，用以加熱工作介質，後者通常是有機化合物，如異丁烷或異戊烷。工作介質被氣化，用氣化後的蒸汽驅動渦輪發動機，進而帶動發電機。在離開渦輪後工作介質冷凝為液體，流回熱交換器再次被氣化。地熱流體通過噴射井又回到地下，這一點與汽輪發電機中的情況很相似。由於在二元地熱發電裝置中所用的工作介質是在比水低的溫度下蒸發的，所以它的發電效率比汽輪發電機高。

　　這兩類發電裝置各有其優點。汽輪發電機製造和運行都不太貴，但為了在高效率下操作，它要求水溫在180～200℃以上。二元發電裝置製造和運行費用較高，但它可用100℃或更低溫的水發電。目前世界上多數正在運行的地熱發電裝置屬於汽輪機型，但二元發電裝置越來越普及。

地熱能的可持續性
　　岩漿/火山的地熱活動的典型壽命從最低5000年到100萬年以上。這麽長的壽命使地熱源成為一種再生能源。此外，地熱庫的天然補充率從幾兆瓦到1000兆瓦(熱)以上。

　　人類第一次用地熱水發電是在1904年意大利的拖斯卡納。1958年新西蘭的北島開始用地熱源發電(目前為212兆瓦)；美國加州的噴泉熱田，從1960年就開始發電，目前的輸出功率為1300兆瓦。顯然，地熱資源能夠可靠、安全和可持續性地運行。

　　地熱生產的可持續性也可從存在於熱庫岩石(含熱量85%～95%)中的熱源判斷。在美國加州的噴泉熱田，熱含量保守估計至少相當於燃燒280億桶石油或62億短頓(1短頓=907公斤)煤所得的能量。

地熱能的前景
　　隨著全世界對潔淨能源需求的增長，將會更多地使用地熱。全世界到處都有地熱資源，特別是在許多發展中國家尤其豐富，它們的使用可取代帶來汙染的礦物燃料電站。這是非常重要的，因為一旦對礦物燃料電廠做出投資，在整個電廠的壽命期間，將會發出大氣汙染流，其期限是幾十年的時間。


　　目前在25個國家約有8000兆瓦的地熱發電即將投入使用。此外，在菲律賓、印尼與新西蘭即將新增700兆瓦的地熱發電。到1997年末，全世界地熱發電的裝機容量為7950兆瓦。

1994年部分國家熱能發電和使用情況

國別	發電		直接使用
	裝機容量 兆瓦(電)	年產量 千兆瓦時	裝機容量 兆瓦(電)	年產量 千兆瓦時
中國	28	98	2143	5527
法國	4	24	456	2006
格魯吉亞	—	—	245	2136
匈牙利	—	—	638	2795
愛爾蘭	50	265	1443	5878
印尼	309	1048	—	—
意大利	626	3417	308	1008
日本	299	1722	319	1928
肯尼亞	45	348	—	—
墨西哥	753	5877	28	74
新西蘭	286	2193	264	1837
菲律賓	1051	5470	—	—
波蘭	—	—	63	206
俄羅斯	11	25	210	673
塞爾維亞	—	—	80	660
斯洛伐克	—	—	100	502
瑞士	—	—	110	243
突尼斯	20	68	140	552
美國	2817	16491	1874	3859
其他	7	40	329	1935

　　最新投入使用的地熱田是在美國的蓋瑟斯，將生產1300兆瓦的電，足以滿足130萬加州人的家庭用電。據估計，全世界發展中國家從火山係統可取得80000兆瓦的地熱發電。印尼的地熱潛力就達到19000兆瓦。地熱發電廠的規模大約為300千瓦～55兆瓦(淨電功率)。
　　地熱的直接應用，全世界使用量在9000兆瓦(熱功率)以上。愛爾蘭幾乎全部家庭和大樓都用地熱。美國的幾個城市和新西蘭也在使用地熱進行采暖。許多國家還用地熱加熱溫室。食品加工是另一個成熟的應用。全世界地熱資源直接應用的巨大潛力幾乎尚未開發。
　　對地熱的研究和開發終將使人類能使用含在不同深度的岩石中而不單單是火山地區中的巨大地熱能。一旦進入這一階段，地熱能將供應全世界所需電與熱量的25%～50%。
最大的地熱發電站

 

 

   

 

1935年，美國開始建立地熱發電站。經過幾十年的努力，美國在地熱發電領域取得了極大進展。美國的蓋色爾斯地熱電站是目前世界上最大的一座地熱電站，裝有10台機組，總容量達396000千瓦。各機組（除5、6號機組外）均采用自動控製，無人值班。1974年第11號機組投產，容量為10000千瓦。1976年投產135000千瓦的第13號機組。蓋色爾斯電站的總容量已超過100萬千瓦。據估計，美國到2000年，地熱電站總容量可能達到39500千瓦。