地热能开发利用与市场前景综述-一种新型可再生能源
1 何为地热能？
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1.1 地热能定义
地热能（英语：geothermal energy）是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达摄氏7000度，而在80至100公里的深度处，温度会降至摄氏650度至1200度。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。
地热能按照其赋存形式可以分为三类（《地热能开发利用》）：
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水热型：指地下水在多孔隙性或裂隙较多的岩层中吸收地热，其所储集的热水及蒸汽。该给性的储层可以经提引后成为经济型替代能源，也是现今最常见的开发方式。
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浅层地温能：指温度在25℃以下，蕴藏在浅层地表层的土壤、岩石、水源中的可再生能源。将这种能源利用于建筑空调领域的技术，称之为地温技术。
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干热岩型（又名热岩资源）：系指浅藏在地壳表层的熔岩或尚未冷却的岩体，可以人工方法造成裂隙破碎带，再钻孔注入冷水使其加热成蒸汽和热水后将热量引出，其开发方式尚在研究中。
中国地热资源是比较丰富的，据粗略计算，主要沉积盆地小于2000米的深度中储存的地热资源总量约4.0184×1019kJ，相当于1.3711×1012吨标准煤的发热量，以其1％作为可开采量计算，可开采地热资源总量为4.0184×1017kJ，约相当于1.3711×1010吨标准煤的发热量。
1.2 地热能分布
地热资源主要分布在地质活跃地区，其在全球的分布主要集中在3个地带：
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环太平洋带，东边是美国西海岸，南边是新西兰，西边有印尼、菲律宾、日本还有中国台湾；
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大西洋中脊带，大部分在海洋，北端穿过冰岛；
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地中海—喜马拉雅带，包括意大利和我国西藏。
中国的地热资源分布也有比较明显的规律性和地带性，其分布规律如下：
1.2.1 水热型地热能资源分布
我国水热型地热能资源分布具有明显的规律性和地带性, 但受构造、岩浆活动、地层岩性、水文地质条件等因素的控制总体分布不均匀。高温、中低温地热资源分布特点如下：
表格 1 水热型地热资源分布表
| 地热资源类型 | 分布特征 | 典型地域 | |
|---|---|---|---|
| 高温（>150℃/国内标准征求 意见稿已将高温定为>180℃） | 藏南、滇西、川西和台湾地区 | ||
| 中低温 （25~150℃） | 沉积盆地型 | 地热资源储集条件好、储层多、厚度大、分布广, 热储温度随深度增加, 地热资源储量大 | 东部地区、琼雷盆地、松辽盆地和环鄂尔多斯断陷盆地等 |
| 隆起山地型 | 一般规模较小 | 东南沿海、台湾、藏南、川西、滇西和胶辽半岛等 |
有上图可知，目前国内水热型地热资源无论是从储量还是从分布上，沉积盆地型无疑是最为优质的。
沉积盆地地温梯度最高值主要分布在云南腾冲、北部湾盆地、厦门与汕头、华北平原(南部)大部分地区、渤海最南端与天津地区、海拉尔盆地、柴达木盆地西边与松辽盆地, 其值为 3.0～4.0℃/m，占全国沉积盆地面积的10%。
图表 1 中国沉积盆地分布
1.2.2 浅层地热能资源分布
浅层地热能资源的分布遍及全球, 世界大陆的浅部地下都分布着浅层地热能资源。第四系松散岩层是开发浅层地热能资源的理想场所。
浅层低温能开发需要对当地恒温带顶板埋深和温度有一定了解，一般来说中温带(高寒区)气温低、恒温带顶板埋深大、深部温度高, 供暖周期长, 可视地质条件用深孔; 南方地区气温高, 地层上部温度低,以夏季排热利用为主, 可施浅孔。
1.2.3 干热岩分布
干热岩开发利用潜力最大的地方, 还是那些新的火山活动区, 或地壳较薄的地区, 这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。藏南、滇西、琼北、长白山等地区分布有范围较大的火山岩体，是潜在的干热岩开发区域。
我国主要干热岩分布：
图表 2 中国大陆地区干热岩分布
2 如何利用地热能？
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2.1 地热发电
地热发电的基本原理乃利用源源不绝的地热来加热地下水，使其成为过热蒸汽后，当作工作流体以推动涡轮机旋转发电。换言之，即将地热转换为机械能，再将机械能转换为电能；这种以蒸汽来旋转涡轮的方式，和火力发电的原理是相同的。
对于做为工作流体的高温地热水，通常采“闪化蒸汽处理”，也就是让它因压力骤降而迅速汽化，紧接导入低压蒸汽涡轮机产生动力以发电。工作流体若为干而高温的过热蒸汽，可直接通入涡轮机，若同时含有水蒸气和热水，则须先藉汽水分离装置将二者分离，待水蒸气推转涡轮机后凝结为热水，如果热水温度仍高，则可经闪化处理再利用或另作他途。发电系统末端之冷凝水经适当控温后排入河川，或回注地下以免造成地下水资源枯竭。
地热发电可分为如下几个类型：
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一次蒸汽法：一次蒸汽法直接利用地下的干饱和（或稍具过热度）蒸汽，或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。
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二次蒸汽法：通过换热器汽化洁净水，再利用洁净蒸汽（二次蒸汽）发电。
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混合蒸汽法：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。
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双循环发电：也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。
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全流发电系统：本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。
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增强型地热系统（EGS）：从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽。
2.2 直接利用
地热直接利用（geothermal direct use）是指不需进行热、电能量转换的地热利用，即地热非电利用。地热资源除发电利用外，更为大量的地热资源直接用于加热、冷却和各种形式的工农业利用以及医疗、旅游等方面。
2.2.1地源热泵
地源热泵系统是一种利用地球（土壤、地表或地下水）所储藏的太阳能资源为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，由地能换热系统、热泵机组和室内采暖空调末端系统所组成。热泵是先进的热能利用设备，可以将低品位热能提高到高品位热能。地源热泵可以为供暖/制冷、烘干、制药以及其他工业用热提供较为稳定的热源。
2.2.2 地热农业
地热能的农业利用主要集中在地热温室种植和水产养殖方面，地热灌溉、地热孵化禽类、地热烘干蔬菜、地热水加温沼气池与牲畜洗浴池等其他方式也有较多应用。
2.2.3 地热能医疗利用技术
地热流体具有比较高的温度、含有特殊的化学成分与少量的生物活性离子、放射性物质等，对人体有一定的医疗、保健作用。
2.2.4 娱乐和旅游
温泉旅游将温泉与旅游相结合，是我国发展较快的地热开发领域。
3 地热能市场前景
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地热能的市场前景十分广泛，既可以通过温泉开发、地热供暖、地热农业进行直接利用，也可以进行地热发电，转化为高品位能源，甚至终将转化为移动能源。分析认为地热能在未来的发展中，有四个主要利用利用，终将成为地热能市场中的四大支柱。
3.1 温泉地产
温泉地产并非单纯的温泉沐浴类的旅游项目，而是将温泉作为一个地产的核心项目，对温泉资源进行全面规划，多方位开发，综合利用，全面经营。将温泉的疗养、健身、休闲、娱乐、社交、生活用水等多方面功能，集中到温泉地产项目中，将温泉景区变成一个生活化的高品位体验区域。地大热能认为温泉地产开发致力于实现温泉旅游项目与周边地产的和谐配套，是一种复合型旅游地产开发模式，提出合理的温泉项目区域规划，不断开发温泉在地产行业中的价值。
3.2 地热供暖
利用地热能进行供暖，是未来城市发展和环境保持的需要。燃煤型锅炉供暖因消耗化石能源及造成污染，必将逐渐退出历史舞台，而新能源中，地热能是进行都市建筑集中供暖最具优势的绿色能源。同时，采用地热井与燃气调峰、热泵联合供热设计方案，降低地热排水温度，可以使地热利用率就达到90%以上，在这种情况下，地热水的使用量大大缩减，达到了节省能源的效果，同时也减少了对环境的污染。
3.3地热发电
地热发电是地热能间接利用的主要形式，目前，世界各国都在积极开发地热发电。地热发电在这些国家的发展，已经不仅仅是一种经济需要，更是一种对未来几十年甚至更长远的关键能源投资。中国的地热发电沉寂了20多年，目前除了羊八井地热发电站闻名世界外，其他改革开放初期建设的地热电站已经因种种原因停产了，这既受当时经济环境影响，也受地热发电技术限制。经过多年来的地热技术发展，中国已经具备了地热发电的各方面优良条件。
2014年，美国利用地热发电的总量达到了352.5万千瓦。紧随其后的是菲律宾和印尼等国。
中国的地热发电，正处在一个“爆发式”发展的前夜，各地的地热发电项目都在酝酿成长，未来中国的地热发电，必将有迅猛的发展，与国际接轨，与国际地热发电大国比肩。
3.4 地热农业
中国的地热农业虽然起步较早，但基本是试点经营，并未形成规模，但近几年来，地热农业逐渐开拓了新的利用经营模式，并创造巨大的经济利润，随着地热勘察和地热钻井技术的进一步发展，地热资源的开发得到进一步扩大，地热农业也将随之发展起来。地热农业所需要的地热水温度并不高，很多地热尾水都可以利用。
与此同时，地热农业的应用范围也很广泛，地热养殖热带鱼、地热种植蔬菜、花卉、重要、养殖场进行地热孵化。在近期的《粮食和农业领域地热能的利用》中，还鼓励发展中国家利用地热能进行粮食烘干和贮藏。
