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研究院科研成果
地热能的利用历史与方法
来源:地大热能 2015-08-28
  1、应用历史
  人类很早以前就开始利用地热能,例如利用温泉沐浴、医疗,利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。地热资源较大规模的开发利用始于20世纪中叶。
  1904年意大利的皮也罗?吉诺尼?康蒂王子在拉德雷罗首次把天然的地热蒸气用于发电。1958年新西兰的北岛开始用地热源发电。
  1960年,美国加州的喷泉热田开始发电。
  1990年安装的发电能力达到6000MW,直接利用地热资源的总量相当于4.1Mt油当量。
  20世纪90年代中期,以色列奥玛特(Ormat)公司把上述地热蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一,设计出一个新的被命名为联合循环地热发电系统,该机组已经在世界一些国家安装运行,效果很好。
 
  2、利用现状
  据2010年世界地热大会统计,全世界共有78个国家正在开发利用地热技术,27个国家利用地热发电,总装机容量为10715MW,年发电量67246GW·h,平均利用系数72%。目前世界上最大的地热电站是美国的盖瑟尔斯地热电站,其第一台地热发电机组(11MW)于1960年启动,以后的10年中,2号(13MW)、3号(27MW)和4号(27MW)机组相续投入运行。20世纪70年代共投产9台机组,80年代以后又相续投产一大批机组,其中除13号机组容量为135MW外,其余多为110MW机组。
  2010年世界地热大会在印度尼西亚巴厘岛召开。大会有85个国家的2500名与会者,达到了历史最大规模。同时,世界地热利用,尤其是地源热泵的利用,也达到了历史最大规模。大会主题是“地热——改变世界之能源”。大会发表了“巴厘岛宣言”,号召世界各国加大对地热资源的投入,开发利用这一可再生清洁能源,以应对全球气候变化。巴厘岛宣言也会进一步促进我国在地热能方面的利用,进一步推动地热能,特别是浅层地热能在我国的普及应用。
  地热发电在27个国家,总装机容量达到了10751MWe,年发电利用67246GWh,平均利用系数为72%(一年中有72%的时间在工作)。近五年内增长最大的是美国530MWe、印尼400MWe、冰岛373MWe、新西兰193MWe。地热发电装机容量和发电量的世界排名前十位的是:美国、菲律宾、印尼、墨西哥、意大利、冰岛、新西兰、日本、萨尔瓦多、肯尼亚。印尼近5年的快速发展使其排名从2005年的第四位升为第三位,与墨西哥对换了位置。地热直接利用在78个国家,总设备容量达到了50583MWt,年利用热能121696GWh,平均利用系数0.27。利用热能量的世界排名前十位的是:中国、美国、瑞典、土耳其、日本、挪威、冰岛、法国、德国和荷兰。在2005年世界地热大会统计中,瑞典因大力发展地源热泵,从2000年的第十位一下跃升至第二位;这五年其热泵发展减缓,与美国对换了位置,美国升为第二名。
  2009年世界地热直接利用的总设备容量50583MWt,比2005年世界地热大会的数据(统计截止至2004年)增长了78.9%。这五年的平均年增长率是12.33%。地热直接利用总设备容量的最大份额是地源热泵占69.7%,其次是洗浴游泳占13.2%,再次是常规地热供暖占10.7%,其余温室、水产、工业、融雪等所占比例很小。
  2009年世界地热直接利用的能量是438071TJ(121696GWh),比2005年世界地热大会的数据(2004年)增长了60.2%。近五年的平均年增长率是9.89%。地热直接利用的能量最大份额是地源热泵占49.0%,其次是洗浴游泳占24.9%,再次是常规地热供暖占14.4%,其余温室、水产、工业、融雪等所占比例很小。
  全球平均的地热直接利用的利用系数为0.27,即在每年8760小时中的运行小时数为2365小时。这个数字比2005年的0.31和2000年的0.40均有下降,这是因为地源热泵利用的迅速增长,而地源热泵的利用系数2009年世界平均值为0.19%。
  世界地源热泵的增长远远超出了地热直接利用和高温地热发电的发展速度,这是由于地源热泵节能、减排的优势被认知和普及,因此吸引了投资商和客户的眼球。
  2010年世界地热大会的统计数据,地源热泵的年利用能量达到了214782TJ(1012焦耳),与2005年世界地热大会的统计数据相比,五年内增长了2.45倍,平均年增长率达到了19.7%。2010年世界地热大会的统计的地源热泵的设备容量为35236MWt(兆瓦热量),其在五年间增长了2.29倍,平均年增长率为18.0%。总之,这是社会和客户更好地认可了地源热泵的能力而产生的效果。
  世界地源热泵的应用集中在北美、欧洲和中国。向世界地热大会报告地源热泵利用的国家,2000年是26国,2005年是33国,这次2010年是43个国家。
  按美国和西欧典型家用机组的平均容量12kW计算,2010年世界累计装机294万套,是2005年的2倍,是2000年的4倍。实际使用的家用机组,有的小至5.5kW,而商业和公用建筑的机组可大至150kW甚至更高,中国生产的特大型单体机组已大于4000kW。
  美国的绝大多数机组按制冷荷载的峰值设计,可以涵盖全部供热需求(除北部的州),其平均运行2000小时供暖,利用系数0.23。欧洲的绝大部分机组按供暖基础荷载设计,并常考虑用化石燃料补充峰值荷载,这样的机组在北欧国家一年可运行6000小时,利用系数达0.68。但欧洲国家的平均利用约为2200小时。
  地源热泵的平均能效系数(COP)按3.5考虑,它消耗一份电能(例1kW)的同时,利用了2.5倍(即2.5kW)的浅层地热能,总输出3.5kWt热能,这样其额定容量(设计效率)是(COP-1)/COP=0.71,即在其输出功率中利用了71%的浅层地热能。地源热泵的制冷应用不作为地热利用考虑,因为这是将热量排入了地下岩土体或地下水,但制冷应用替代了化石燃料,减少了温室气体排放。
  世界地源热泵应用的前5个国家是美国、中国、瑞典、挪威和德国。
  另外,地源热泵的制冷利用还节省了1.013亿桶或1520万吨石油,这相当于另节省碳1345万吨,相当于减排二氧化碳4872万吨。这样,2009年世界地源热泵利用总计节省碳2688万吨,相当于减排二氧化碳9744万吨。当这214782×1012J热能作供热利用时,算得的数据略小。

 
  3、利用范围
  地热能因温度不同可能利用的范围如下:
  (1)200~400℃直接发电及综合利用;
  (2)150~200℃双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工;
  (3)100~150℃双循环发电,供暖,制冷,工业干燥,脱水加工,回收盐类,罐头食品;
  (4)50~100℃供暖,温室,家庭用热水,工业干燥;
  (5)20~50℃沐浴,水产养殖,饲养牲畜,土壤加温,脱水加工。
  许多国家为了提高地热利用率,而采用梯级开发和综合利用的办法,如热电联产联供,热电冷三联产,先供暖后养殖等。
  地热能利用包括深层地热应用和浅层地热能应用。深层地热能应用包括地热发电和直接利用。浅层地热应用主要是地源热泵和水源热泵的应用。
 
  4、利用方式
  (1)地热发电
  地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。地热发电和火力发电的原理是一样的,都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能,然后带动发电机发电。所不同的是,地热发电不象火力发电那样要装备庞大的锅炉,也不需要消耗燃料,它所用的能源就是地热能。地热发电的过程,就是把地下热能首先转变为机械能,然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能,首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体,主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同,可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。
  1)蒸汽型地热发电
  蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电,但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单,但干蒸汽地热资源十分有限,且多存于较深的地层,开采技术难度大,故发展受到限制(参考《资源》栏目有关文章)。主要有背压式和凝汽式两种发电系统。
  2)热水型地热发电
  热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统:a、闪蒸系统。当高压热水从热水井中抽至地面,于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽,蒸汽送至汽轮机做功;而分离后的热水可继续利用后排出,当然最好是再回注人地层。 b、双循环系统。双循环系统的流程如图2所示。地热水首先流经热交换 器,将地热能传给另一种低沸点的工作流体,使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器,再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注人地层。
  (2)地热供暖
  将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。因为这种利用方式简单、经济性好,备受各国重视,特别是位于高寒地区的西方国家,其中冰岛开发利用得最好。该国早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统,现今这一供热系统已发展得非常完善,每小时可从地下抽取7740t80℃的热水,供全市11万居民使用。由于没有高耸的烟囱,冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。此外利用地热给工厂供热,如用作干燥谷物和食品的热源,用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿酒、制糖等生产过程的热源也是大有前途的。目前世界上最大两家地热应用工厂就是冰岛的硅藻土厂和新西兰的纸桨加工厂。我国利用地热供暖和供热水发展也非常迅速,在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。
  (3)种植养殖
  地热在农业养殖业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉农田,可使农作物早熟增产;利用地热水养鱼,在28℃水温下可加速鱼的育肥,提高鱼的出产率;利用地热建造温室,育秧、种菜和养花;利用地热给沼气池加温,提高沼气的产量等。将地热能直接用于农业在我国日益广泛,北京、天津、西藏和云南等地都建有面积大小不等的地热温室。各地利用地热大力发展养殖业,如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏沼虾等。
  (4)医疗保健
  地热在医疗领域的应用有诱人的前景,目前热矿水就被视为一种宝贵的资源,世界各国都很珍惜。由于地热水从很深的地下提取到地面,除温度较高外,常含有一些特殊的化学元素,从而使它具有一定的医疗效果。如含碳酸的矿泉水供饮用,可调节胃酸、平衡人体酸碱度;含铁矿泉水饮用后,可治疗缺铁贫血症;氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地貌条 件,使温泉常常成为旅游胜地,吸引大批疗养者和旅游者。在日本就有1500多个温泉疗养院,每年吸引1亿人到这些疗养院休养。我国利用地热治疗疾病的历史悠久,含有各种矿物元素的温泉众多,因此充分发挥地热的医疗作用,发展温泉疗养行业是大有可为的。
  未来随着与地热利用相关的高新技术的发展,将使人们能更精确地查明更多的地热资源;钻更深的钻井将地热从地层深处取出,因此地热利用也必将进入一个飞速发展的阶段。
  地热能在应用中要注意地表的热应力承受能力,不能形成过大的覆盖率,这会对地表温度和环境产生不利的影响。

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