地大熱能：地?zé)崮?/a>來源于地球內(nèi)部鈾、釷和鉀等天然放射性同位素衰變產(chǎn)生的大量熱量，這些熱量通過火山噴發(fā)、溫泉、地下水等載體傳遞到地表。每年由地球內(nèi)部輸送至地表的熱能相當(dāng)于280億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，由于其具有儲(chǔ)量大、分布廣以及清潔環(huán)保和穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛利用，目前全球有超過88個(gè)國(guó)家和地區(qū)利用地?zé)崮?/a>進(jìn)行發(fā)電和供暖。2020年，我國(guó)首次提出要在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，清潔能源是不可忽視的一部分。

我國(guó)水熱型地?zé)豳Y源折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.25萬億噸，年可開采資源量折合18.65億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按熱傳遞方式可分為對(duì)流型水熱系統(tǒng)、傳導(dǎo)型水熱系統(tǒng)以及傳導(dǎo)-對(duì)流復(fù)合水熱系統(tǒng)，按溫度可分為高溫地?zé)?/a>（150℃）、中低溫地?zé)?/a>（<150℃）。水熱型中低溫地?zé)豳Y源主要分布在我國(guó)華北平原、松遼盆地、四川盆地、膠東半島、遼東半島等地區(qū)，年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤18.5億噸，主要用于供暖、旅游、工業(yè)干燥等；高溫水熱型地?zé)崮?/a>主要分布在我國(guó)藏南、滇西、川西等西南地區(qū)，年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.18億噸，主要用于發(fā)電和工業(yè)利用。

干熱巖是指地表深處3～10km處不含水或含水少的高溫巖體，主要是各種孔隙度低且裂隙滲透性能差的變質(zhì)巖或結(jié)晶巖，因此需要人工壓裂形成地?zé)醿?chǔ)層才能進(jìn)行開采和利用，溫度范圍150℃～650℃。我國(guó)埋深不超過10000 m的干熱巖基礎(chǔ)資源量可折合856萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，主要分布在西藏、云南、廣東、福建等地區(qū)。

地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

閃蒸發(fā)電系統(tǒng)

閃蒸發(fā)電系統(tǒng)又稱減壓擴(kuò)容發(fā)電系統(tǒng)，通過利用不同壓力下水的沸點(diǎn)不同的原理將低壓下地?zé)崴?/a>由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。其工作過程如圖2(a）所示，從地?zé)峋?/a>開采出具有一定壓力的汽水混合物通過管道輸送至閃蒸器進(jìn)行降壓擴(kuò)容，經(jīng)擴(kuò)容后的水通過管道回灌至地下，擴(kuò)容后的蒸氣經(jīng)過除濕器除濕后經(jīng)管道送入汽輪機(jī)做功，汽輪機(jī)排出的乏氣經(jīng)過冷凝器冷凝后輸送至回灌井回灌至地下。根據(jù)地?zé)崴?/a>通過閃蒸器的次數(shù)不同可將其分為單級(jí)閃蒸系統(tǒng)和二級(jí)閃蒸系統(tǒng)。其中二級(jí)閃蒸系統(tǒng)是基于單級(jí)閃蒸系統(tǒng)的改進(jìn)，其工作原理如圖2(b）所示，通過將擴(kuò)容后的水再次送入閃蒸器進(jìn)行二次閃蒸擴(kuò)容，擴(kuò)容產(chǎn)生的蒸汽送入汽輪機(jī)低壓端繼續(xù)做功發(fā)電。

閃蒸發(fā)電系統(tǒng)是地?zé)岚l(fā)電最常用的發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，分離出的鹵水包含有一些高濃度溶解性礦物質(zhì)，若是與地表或地下水混合會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的水污染，二級(jí)閃蒸發(fā)電站廢棄鹵水濃度一般比單級(jí)閃蒸電站更高。為防止水污染需要將廢水進(jìn)行回灌，回灌能夠有效恢復(fù)儲(chǔ)層中的流體，也能維持儲(chǔ)層的壓力。單級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，但是轉(zhuǎn)換效率低；二級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，但轉(zhuǎn)換效率在相同熱源條件下相比單級(jí)閃蒸可以提高20%～30%，使用單級(jí)還是二級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)取決于地?zé)豳Y源特性、地?zé)犭娬?/a>經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備損耗性等因素。

干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)

干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)是指從地下開采出來的地?zé)崃黧w以干蒸汽為主的發(fā)電系統(tǒng)。其工作原理如圖3所示，首先將地?zé)峋?/a>抽出的干蒸汽通過凈化分離器過濾掉直徑較大的固體顆粒，然后送入汽輪機(jī)進(jìn)行做功發(fā)電，最后由汽輪機(jī)排出的乏汽經(jīng)過冷凝器、冷卻塔回灌至地下，其所用設(shè)備與常規(guī)火力發(fā)電廠相同。該發(fā)電系統(tǒng)主要針對(duì)參數(shù)較高的干蒸汽地?zé)崽?/a>，具有安全可靠，對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，一般適用于高溫地?zé)崮?/a>。比較圖2和圖3可以看出，干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)與閃蒸發(fā)電系統(tǒng)非常相似，不同之處在于干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)使用凈化分離器代替了閃蒸器，發(fā)電過程僅使用蒸汽，不產(chǎn)生任何含礦物質(zhì)的鹵水，因此對(duì)環(huán)境造成的影響低于閃蒸發(fā)電系統(tǒng)。目前，全球共有63座干蒸汽地?zé)岚l(fā)電站，主要集中在美國(guó)、意大利和日本等國(guó)家，裝機(jī)容量約占全球地?zé)?/a>總裝機(jī)容量的22%。

雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)

雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，地?zé)?/a>水不直接參與熱力循環(huán)循環(huán)中，按照循環(huán)工質(zhì)的不同又可分為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)（organic Rankine cycle,ORC）和Kalina發(fā)電系統(tǒng)。ORC發(fā)電系統(tǒng)是采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)，如鹵代烴(CFCs)、氫氯氟烴(HCFCS)、氫氟烴(HFCs)、烷烴(HCs)、有機(jī)氧化物和環(huán)狀有機(jī)化合物等。工作原理如圖4所示，低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)通過換熱器與地?zé)崃黧w進(jìn)行熱量交換完成預(yù)熱和蒸發(fā)，再通過汽輪機(jī)做功發(fā)電，最后通過冷凝器冷凝后經(jīng)工質(zhì)泵回到換熱器完成循環(huán)。低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)多數(shù)屬于易燃易爆品，對(duì)設(shè)備密封性要求更高。

Kalina循環(huán)采用氨水混合物作為循環(huán)工質(zhì)，在較低溫度下會(huì)蒸發(fā)出氨氣使得循環(huán)溶液中氨水混合物組分產(chǎn)生改變，導(dǎo)致沸點(diǎn)溫度變化。氨水混合物在蒸發(fā)器中與地?zé)崴?/a>進(jìn)行熱量交換，產(chǎn)生氣液混合物后進(jìn)入分離器氣液分離，分離出的飽和氨蒸氣送入汽輪機(jī)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；分離出來的氨水送入回?zé)崞骰厥諢崃?。汽輪機(jī)排出的乏氣送入冷凝器凝結(jié)成氨水，在通過工質(zhì)泵送入蒸發(fā)器進(jìn)行再次循環(huán)。

雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)在地?zé)岚l(fā)電中應(yīng)用廣泛，具有設(shè)備緊湊、汽輪機(jī)尺寸小、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)地?zé)醿?chǔ)層溫度較低時(shí)使用閃蒸發(fā)電系統(tǒng)投入大、效率低，雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)不僅可以利用85℃～170℃的地熱流體，而且在循環(huán)過程中，由于地熱流體與電力生產(chǎn)設(shè)備之間沒有直接接觸，所以可以有效防止發(fā)電設(shè)備腐蝕結(jié)垢。該發(fā)電系統(tǒng)能夠利用中低溫地?zé)豳Y源的低品位能源，推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電，合理利用中低溫地?zé)豳Y源。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal Systems,EGS）指通過水力壓裂等技術(shù)手段在巖石中建造裂隙，形成巖石與流體的換熱空間，完成人工地熱儲(chǔ)層的建造，一般應(yīng)用于干熱巖地?zé)豳Y源。EGS發(fā)電過程是通過注水井將冷水加壓建造人工熱儲(chǔ)，冷水滲透巖層裂縫與高溫巖體接觸吸收熱量，再由生產(chǎn)井將熱水或水蒸氣提取至地面，通過換熱器完成換熱。我國(guó)干熱巖資源豐富，但目前僅停留在勘探開發(fā)階段。2015年5月，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織在福建漳州實(shí)施了我國(guó)首個(gè)干熱巖科學(xué)鉆井，這標(biāo)志著我國(guó)國(guó)家級(jí)干熱巖實(shí)踐正式拉開序幕。2017年，河北煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)實(shí)施了干熱巖預(yù)查項(xiàng)目，鉆井井深4000 m，溫度為110℃。隨后，我國(guó)在青海共和盆地3705米深處成功鉆獲236℃高溫干熱巖，有望在2035年成功建設(shè)一到兩個(gè)干熱巖示范工程，實(shí)現(xiàn)干熱巖發(fā)電。2021年6月河北省唐山市馬頭營(yíng)凸起區(qū)干熱巖開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電，這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電。

近年來，我國(guó)地?zé)崮芾?/a>方式主要以直接利用為主，隨著地?zé)岚l(fā)電關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，地?zé)衢_發(fā)利用逐漸向地?zé)岚l(fā)電方向延伸。地?zé)?/a>發(fā)電就是將地下熱能提取出來轉(zhuǎn)換成可供使用的電能，在發(fā)電過程中幾乎零排放，相比火力發(fā)電、水力發(fā)電更具有競(jìng)爭(zhēng)力。結(jié)合我國(guó)地?zé)豳Y源分布來看，分布在地中海-喜馬拉雅山地?zé)釒?/a>上的四川、云南、西藏等地是高溫地?zé)豳Y源主要分布地區(qū)，具有非常大的發(fā)電潛力；隨著中低溫地?zé)岚l(fā)電在技術(shù)手段和設(shè)備研發(fā)取得突破，利用中低熱地?zé)豳Y源發(fā)電持續(xù)增長(zhǎng)；我國(guó)干熱巖資源豐富，利用干熱巖發(fā)電目前還在研發(fā)階段，與西方國(guó)家相比發(fā)展緩慢。中低溫地?zé)岚l(fā)電以及增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破，將加快地?zé)豳Y源的開發(fā)利用，為構(gòu)建我國(guó)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系作出貢獻(xiàn)。