來自地球內(nèi)部的本土能源的地?zé)崮苁且环N潔凈的可再生能源。與風(fēng)能、太陽能等可再生能源相比較，地?zé)崮艿淖畲髢?yōu)勢在于能量的穩(wěn)定連續(xù)輸出，報告顯示，2007~2021年，地?zé)岚l(fā)電的能源利用系數(shù)在70%~90%。
“十四五”時期是中國推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和實現(xiàn)“雙碳”階段性目標的關(guān)鍵時期，在加強大氣霧霾治理力度、積極應(yīng)對全球氣候變暖趨勢、主動承擔溫室氣體減排責(zé)任的大環(huán)境下，地?zé)崮芤殉蔀楦鞯貭幭嚅_發(fā)利用的重要新能源之一。
自2010年以來，全球地?zé)崮芾每焖僭鲩L，地?zé)嶂苯永醚b機容量和年利用熱量分別約為108GWt和283580GWh，中國在地?zé)嶂苯永梅矫骈L期保持世界第一。地源熱泵系統(tǒng)在全球地?zé)嶂苯永玫难b機容量和利用熱量中占比分別約為72%和60%。
1995~2020年，熱泵系統(tǒng)呈現(xiàn)每年約16%增長率的指數(shù)增長趨勢，預(yù)計這一趨勢將在未來持續(xù)下去。截止到2020年，全球地?zé)岚l(fā)電的總裝機容量為15.9GWe，年發(fā)電量為73550GWh。2010~2020年，地?zé)岚l(fā)電的年平均增長率約為4%。
本文在綜述全球地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從地?zé)豳Y源分布、地?zé)岚l(fā)電利用、地?zé)嶂苯永煤偷責(zé)?a href="/news/search.php?kw=儲能" target="_blank">儲能等方面入手，對全球地?zé)崮荛_發(fā)利用的發(fā)展趨勢和新技術(shù)研發(fā)方向進行了梳理。
在總結(jié)全球地?zé)衢_發(fā)利用經(jīng)驗的同時，針對中國現(xiàn)有地?zé)崮荛_發(fā)利用的問題與技術(shù)水平，提出有利于推動和促進中國地?zé)崮荛_發(fā)利用的政策建議和未來的發(fā)展方向。
地?zé)豳Y源分布
全球地?zé)豳Y源總量豐富，但空間分布上極不平衡。高溫地?zé)豳Y源主要分布在離散板塊邊界和匯聚板塊邊界，高溫地?zé)豳Y源分布總體受地球的構(gòu)造—熱背景控制，空間分布上與全球板塊邊界、地震帶、火山帶具有相關(guān)性，最為顯著的特征是熱流高、高溫水熱活動強烈、活火山與地震活動頻繁。
4個全球性的高溫地?zé)釒牵涵h(huán)太平洋帶、大西洋中脊帶、東非裂谷帶、地中海—喜馬拉雅帶；而中—低溫地?zé)豳Y源則廣泛分布在板塊內(nèi)部，主要分布于造山帶及山間盆地和中-新生代沉積盆地。
環(huán)太平洋地?zé)釒侨蚍植挤秶顝V的一個地?zé)釒?，沿太平洋板塊與美洲板塊、歐亞板塊的俯沖/碰撞邊界展布。最為顯著的特征是高熱流、年輕造山活動和頻繁活火山活動。按照地理分布進一步分為東太平洋中脊、西太平洋島弧和東南太平洋縫合線3個地?zé)醽啂А?br />
儲層溫度一般在250~300℃，代表性的地?zé)崽镉忻绹w瑟斯（288℃）、墨西哥塞羅普列托（388℃）、中國臺灣大屯（293℃）、日本松川（250℃）以及菲律賓巴克曼（300℃）等。但需要特別指出的是，中國大陸東部地區(qū)并不屬于環(huán)太平洋地?zé)釒В虼?，中國大陸東部高溫地?zé)峥碧綉?yīng)該遵循板內(nèi)地?zé)岢梢蚶碚?，而非板緣地?zé)岢梢蚶碚摗?br />
地中海—喜馬拉雅地?zé)釒в商靥崴箍p合帶組成，位于歐亞板塊與非洲板塊及印度洋板塊碰撞的接合地帶，以地殼增厚、年輕造山運動、現(xiàn)代火山作用、巖漿侵入以及高熱流等為特征。熱儲溫度一般在150~300℃，代表性的地?zé)崽镉兄袊虬司?62℃）、羊易（192℃）、騰沖（250℃）、康定（180℃）、意大利拉德瑞羅（245℃）以及土耳其克澤爾代爾（200℃）等。
大西洋中脊地?zé)釒Т蟛糠衷谘蟮?，出露海面的部分呈南北向展布。熱儲溫度一般?00~300℃，代表性的地?zé)崽镉斜鶏u亨伊爾（230℃）、雷克雅未克（286℃）、納馬菲雅爾（280℃）等。
東非裂谷地?zé)釒е黧w位于非洲板塊內(nèi)，沿大陸裂谷系展布，北端為紅海-亞丁灣洋中脊擴張帶。以高熱流、強烈現(xiàn)代火山作用以及廣泛斷裂活動為特征。熱儲溫度多高于200℃，代表性的地?zé)崽镉邪Ｈ肀葋嗊_洛爾（＞200℃）和肯尼亞奧爾卡利亞（287℃）。
隨著近些年地?zé)豳Y源勘探的進行，除了以上在板塊邊界部位形成的高溫地?zé)崽锿猓诎鍓K內(nèi)部也新發(fā)現(xiàn)了諸多的高溫地?zé)崽?，代表性的有青藏高原東北緣的共和盆地（＞200℃）、德國蘭道（＞160℃）和澳大利亞庫珀盆地（＞200℃）等。
地?zé)岚l(fā)電利用
地?zé)岚l(fā)電是地?zé)崮茏钪饕睦梅绞街弧Ｄ壳?，主流的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)包括背壓式發(fā)電、凝汽式發(fā)電、閃蒸發(fā)電、雙工質(zhì)發(fā)電、全流發(fā)電、閃蒸雙工質(zhì)發(fā)電等，采用何種發(fā)電方式主要取決于當?shù)氐責(zé)豳Y源的稟賦。
地?zé)岚l(fā)電已有百年歷史，1904年，在意大利托斯卡納拉德瑞羅第一次利用地?zé)狎?qū)動小型發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電功率為0.55kW，可提供5個100W的電燈照明用電。1913年，在該地?zé)崽锝ǔ闪巳虻谝蛔責(zé)犭娬?，裝機容量250kW。1958年，新西蘭建成了懷拉基地?zé)岚l(fā)電廠，為第一個熱水型擴容閃蒸式地?zé)犭娬尽?960年，美國第一座裝機量11MW的地?zé)犭娬驹诩永Ｄ醽喼萆w瑟斯地?zé)崽锝ǔ?，順利運行長達30年之久。
截至2021年底，全球地?zé)崮馨l(fā)電總裝機容量15644MW，較2015年新增裝機容量3832MW，全球用于地?zé)岚l(fā)電的主要是中高溫地?zé)豳Y源。
中國高溫地?zé)豳Y源主要分布在西藏地區(qū)。1977年，中國第一座兆瓦級高溫地?zé)犭娬驹谖鞑匮虬司l(fā)電成功，羊八井地?zé)犭娬镜难b機容量最高時達到了27.18MW。2018年底，西藏羊易地?zé)犭娬就瓿梢黄?6MW建設(shè)，2019年2月底完成滿負荷并網(wǎng)發(fā)電。截至目前，中國累計建成的地?zé)岚l(fā)電裝機容量約為59.6MW，然而，由于各種原因目前實際運行的不足20MW。
由于可開采高溫地?zé)豳Y源需進一步探明以及干熱巖發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)仍有待突破，中低溫地?zé)岚l(fā)電有望成為未來地?zé)岚l(fā)電發(fā)展的一個重要方向，但中低溫地?zé)岚l(fā)電應(yīng)與其他地?zé)崂梅绞较嘟Y(jié)合，以提高能源的利用效率和經(jīng)濟性。
冰島將116℃的地?zé)嵊糜诎l(fā)電，裝機容量0.6MW，發(fā)電后產(chǎn)生的76℃的尾水再用于供暖，實現(xiàn)地?zé)豳Y源的梯級利用。美國在阿拉斯加建成的切納地?zé)犭娬?，利?4℃的地?zé)崴M行發(fā)電，地?zé)崴魅胗袡C朗肯循環(huán)發(fā)電機組的蒸發(fā)器，與蒸發(fā)器中的有機工質(zhì)換熱，降低至54℃流入回灌井，機組可以提供250kW的電力。日本利用中低溫地?zé)峤ǔ闪搜b機規(guī)模在100kW~5MW的ORC電站。
20世紀70年代，在中國廣東豐順縣建成的國內(nèi)首座地?zé)犭娬?，其利用的地?zé)崴疁囟葹?2℃，其3號機組連續(xù)運行了近40年，江西宜春曾經(jīng)創(chuàng)造了利用67℃地?zé)崴M行發(fā)電的先例。
地?zé)嶂苯永?/strong>
地?zé)崮苤苯永冒ǖ責(zé)峁┡?、地?zé)嶂评?、地?zé)岣稍铩厝丛『偷卦礋岜玫?。?jīng)過長期的發(fā)展，地?zé)豳Y源的直接利用已經(jīng)從小范圍單一用途利用，逐步演化為大規(guī)模綜合利用工程。目前，全球約有80多個國家直接將地?zé)崮苡糜诮ㄖ┡ɑ蛑评洌?，或用于工農(nóng)業(yè)。
其中，冰島是眾所周知的地?zé)崮芨咝ч_發(fā)利用的典范。雖然緊臨北極圈、全年低溫，但憑借豐富的地?zé)豳Y源，全國有90%以上的家庭用地?zé)峁┡?。冰島首都雷克雅未克市的地?zé)峁┡延邪倌甑臍v史，市區(qū)主要采用地?zé)峁┡?，具?ldquo;無煙城”的美譽。
2019年底，世界范圍內(nèi)88個國家的地?zé)豳Y源直接利用總裝機容量為107727MWt，能量使用約為1020887TJ/年（283580GWh/年）。各種地?zé)嶂苯永梅绞降难b機容量變化趨勢及分布情況，如表1所示，可以看出，各種地?zé)豳Y源直接利用方式的裝機容量均有顯著的增長，尤其是地源熱泵增長十分迅速。
隨著地源熱泵受到越來越多的重視，地?zé)豳Y源應(yīng)用的區(qū)域和規(guī)模不斷擴大。
地?zé)峋C合梯級利用無疑提高了地?zé)豳Y源的利用率和經(jīng)濟效益，許多國家已經(jīng)開始紛紛采用這一技術(shù)，肯尼亞近年來在地?zé)岚l(fā)電方面發(fā)展很快，而其在地?zé)嶂苯永蒙弦埠苡刑厣?，肯尼亞Eburru項目利用2口淺層井中產(chǎn)出的地?zé)豳Y源依次用于干燥農(nóng)產(chǎn)品、溫室加熱、家禽孵化等，另外，冰島、奧地利、德國等也有相關(guān)的地?zé)崽菁壚庙椖俊?br />
1995年首次世界地?zé)岽髸詠?，中國地?zé)嶂苯永玫臒崃恳恢狈€(wěn)居世界第1位。2014年底，中國地?zé)嶂苯永冒l(fā)生了可喜的變化，地?zé)峁┡壤状纬^溫泉洗浴。2019年底，中國地?zé)嶂苯永醚b機規(guī)模40610MW，占世界總裝機的37.7%，年利用能量443492TJ/年，占世界總利用能量的43.4%。地?zé)峁┡浅卦礋岜弥庵袊钪匾牡責(zé)崂梅绞?，年利用熱量約占世界總量的55.6%。
1990年，全國地?zé)峁┡娣e僅190萬m2，2000年為1100萬m2，2019年達到了4.78億m2。2019年，河北省水熱型地?zé)峁┡娣e達到1.6億m2，而雄縣也被打造成地?zé)峁┡?ldquo;無煙城”。在“雙碳”目標的引領(lǐng)下，可以預(yù)見地?zé)豳Y源開發(fā)利用的速度將不斷加快。
地?zé)醿δ芾?/strong>
地?zé)醿δ苁且环N利用地下含水層作為介質(zhì)以存儲熱能的儲能系統(tǒng)。它通過地下水井從含水層中注入和抽取地下水，實現(xiàn)熱能儲存和回收。地?zé)醿δ芸梢詮浹a能源供需在時間/空間分布的不平衡，能夠綜合利用多種可再生能源形式，減少對礦物燃料的依賴，為節(jié)能減排和環(huán)境保護提供了一個很好的解決途徑，也是助力中國實現(xiàn)“雙碳”目標的有力手段。
1. 淺部地?zé)醿δ?，含水層深度?00m以淺，存儲熱水溫度一般低于50℃；
2. 深部地?zé)醿δ?，含水層深度通常?00m以深，存儲熱水溫度一般在50~150℃。
淺部地?zé)醿δ芤驕囟容^低，其最主要的利用方式是建筑的供暖和制冷。國際上對淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的實際利用始于20世紀中葉。中國在利用淺部地下含水層進行儲熱方面的實踐開展較早，20世紀60年代，上海開展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲熱技術(shù)。
截至目前，中國共有6座淺層地?zé)醿δ芟到y(tǒng)已建成并投入使用。近年來，隨著新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，淺部地?zé)醿δ艿睦梅绞揭哺佣嘣?。目前在溫室農(nóng)業(yè)和大型數(shù)據(jù)中心，都有利用淺部地?zé)醿δ艿膶嶋H案例。
深部地?zé)醿δ芸蓛囟容^高，有的甚至超過100℃，主要可用于發(fā)電和供暖。深部地?zé)醿δ苎芯亢屠檬加?0世紀80年代，近年來，隨著能源需求日益增長，深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)又重新受到重視，關(guān)于深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)的研究和工程實踐也越來越多。
2018年，歐盟資助了地下儲熱項目HEATSTORE，總投資達到5000萬歐元，9個國家參與（德國、法國、荷蘭、瑞士、比利時、丹麥、冰島等），項目為期5年（2018~2022年），共資助6個地下儲熱示范項目，其中包括3個深部地?zé)醿δ茼椖?。另外，美國國家科學(xué)基金會（NSF）資助的儲熱項目Geothermal Battery，總投資1000萬美元，由猶他大學(xué)牽頭，愛達荷國家實驗室聯(lián)合多家企業(yè)參與其中。
中國在深部地?zé)醿δ芊较虻难芯块_展較晚，當前以中國科學(xué)院地?zé)釄F隊為主體承擔的深層含水層地下儲熱研究已從理論模型研究進入到技術(shù)研發(fā)和示范工程建設(shè)階段。
地?zé)醿ψ鳛榫薮蟮奶烊荒茉磧?，最適宜在多能互補系統(tǒng)中承擔蓄能和實現(xiàn)熱能穩(wěn)定輸出的功能，可以把風(fēng)能、太陽能等可再生能源儲蓄起來，實現(xiàn)高效規(guī)?；缂竟?jié)儲能利用，提高可再生能源的利用效率并克服可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性等缺點，可以加快中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，助力實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”發(fā)展目標。
據(jù)研究表明，通過對荷蘭74個淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的調(diào)查顯示，從系統(tǒng)中每開采1m3的地下水，可以實現(xiàn)平均CO2減排量為0.46kg。這對于一個小規(guī)模地?zé)醿δ芟到y(tǒng)（功率在0.1~3MW）來說相當于每年可以減少150t/a的CO2排放，而對于一個大規(guī)模系統(tǒng)（功率達到5~30MW）來說每年碳減排多達1500t/a。相比之下，地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)的平均CO2減排量在1.8~4.0t/a。
據(jù)報道，埃因霍溫（荷蘭）科技大學(xué)校園內(nèi)全球最大的淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)每年可減排超過13000t的CO2，這相當于800名美國公民或1300名德國公民的年平均碳排放。
同時，在一定條件下，地?zé)醿δ芟到y(tǒng)與普通地?zé)嵯到y(tǒng)相比，具有更為顯著的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。典型地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的投資回報時間僅為2~10a。用于制冷的地?zé)醿δ芟到y(tǒng)投資回報時間甚至更短，因為儲存的冷量可以直接使用，不需要借助熱泵。據(jù)研究報道表明，地?zé)醿δ芟到y(tǒng)平均使用壽命可達到25~50a。
結(jié)論
目前，全球的淺層地?zé)豳Y源均通過地?zé)岜眉夹g(shù)進行開發(fā)利用，該技術(shù)是全球發(fā)展最快的可再生能源技術(shù)之一，也是地?zé)崂眉夹g(shù)中發(fā)展最快的部分。它們的增長速度驚人，呈指數(shù)級增長。
深部地?zé)豳Y源可以直接利用，例如區(qū)域供暖、沐浴和游泳/保健、工業(yè)、農(nóng)業(yè)（尤其是溫室）和水產(chǎn)養(yǎng)殖。深部地?zé)崮艿母咝б?guī)模化開發(fā)利用已經(jīng)在北方地區(qū)冬季清潔供暖以及緩解大氣霧霾中發(fā)揮了重要作用，地?zé)峁┡夹g(shù)已趨于成熟。
深部高溫水熱系統(tǒng)只存在特定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中，相對稀缺，嚴重制約高溫地?zé)岚l(fā)電的增長。因此，在有條件的地區(qū)發(fā)展各種地?zé)嶂苯永眉夹g(shù)，采用綜合梯級利用提高地?zé)豳Y源利用效率。
雖然地球是一個龐大的熱庫，但地?zé)豳Y源分布極不均勻。往往在有需求的地區(qū)沒有足夠的可開采的地?zé)豳Y源，在需求量較小的地區(qū)地?zé)豳Y源非常豐富。另外，中國西北、東北、華北的部分地區(qū)均見有棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，有些地區(qū)棄風(fēng)率高達50%以上，除此以外，工業(yè)余熱、核能余熱等其他形式的熱量均可以存儲在地球介質(zhì)中，實現(xiàn)高效規(guī)?；缂竟?jié)儲能。
因此，如何將這些廢棄的能量儲存起來并加以充分利用，是擺在地?zé)峤缫灾琳麄€新能源和可再生能源界的大問題。事實上，規(guī)模化跨季節(jié)儲能是能源行業(yè)的重大科學(xué)問題，當前可利用方式主要為抽水蓄能，但抽水蓄能面臨能源利用效率低、場地要求高等難題，亟需探索新的規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)，而地?zé)醿δ芴峁┝藰O大的可能性。
原標題：發(fā)電供暖又儲能：地?zé)崮荛_發(fā)全景圖
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