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于280億噸標準煤，由于其具有儲量大、分布廣以及清潔環(huán)保和穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點而得到了廣泛利用，目前全球有超過88個國家和地區(qū)利用地?zé)崮?/a>進行發(fā)電和供暖。2020年，我國首次提出要在2030年實現(xiàn)“碳達峰”，2060年實現(xiàn)“碳中和”，要實現(xiàn)該目標，清潔能源是不可忽視的一部分。

我國水熱型地?zé)豳Y源折合標準煤1.25萬億噸，年可開采資源量折合18.65億噸標準煤，按熱傳遞方式可分為對流型水熱系統(tǒng)、傳導(dǎo)型水熱系統(tǒng)以及傳導(dǎo)-對流復(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)，年可開采量折合標準煤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>主要分布在我國藏南、滇西、川西等西南地區(qū)，年可開采量折合標準煤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?/a>才能進行開采和利用，溫度范圍150℃～650℃。我國埋深不超過10000 m的干熱巖基礎(chǔ)資源量可折合856萬億噸標準煤，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)又稱減壓擴容發(fā)電系統(tǒng)，通過利用不同壓力下水的沸點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行降壓擴容，經(jīng)擴容后的水通過管道回灌至地下，擴容后的蒸氣經(jīng)過除濕器除濕后經(jīng)管道送入汽輪機做功，汽輪機排出的乏氣經(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閃蒸系統(tǒng)和二級閃蒸系統(tǒng)。其中二級閃蒸系統(tǒng)是基于單級閃蒸系統(tǒng)的改進，其工作原理如圖2(b）所示，通過將擴容后的水再次送入閃蒸器進行二次閃蒸擴容，擴容產(chǎn)生的蒸汽送入汽輪機低壓端繼續(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)在正常運行時，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產(chǎn)生較為嚴重的水污染，二級閃蒸發(fā)電站廢棄鹵水濃度一般比單級閃蒸電站更高。為防止水污染需要將廢水進行回灌，回灌能夠有效恢復(fù)儲層中的流體，也能維持儲層的壓力。單級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，但是轉(zhuǎn)換效率低；二級閃蒸發(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閃蒸可以提高20%～30%，使用單級還是二級閃蒸發(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，然后送入汽輪機進行做功發(fā)電，最后由汽輪機排出的乏汽經(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)主要針對參數(shù)較高的干蒸汽地?zé)崽?/a>，具有安全可靠，對環(huán)境影響小等優(yōu)點，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、意大利和日本等國家，裝機容量約占全球地?zé)?/a>總裝機容量的22%。

雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)

雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用低沸點有機工質(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)是采用低沸點有機工質(zhì)，如鹵代烴(CFCs)、氫氯氟烴(HCFCS)、氫氟烴(HFCs)、烷烴(HCs)、有機氧化物和環(huán)狀有機化合物等。工作原理如圖4所示，低沸點有機工質(zhì)通過換熱器與地?zé)崃黧w進行熱量交換完成預(yù)熱和蒸發(fā)，再通過汽輪機做功發(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)。低沸點有機工質(zhì)多數(shù)屬于易燃易爆品，對設(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)致沸點溫度變化。氨水混合物在蒸發(fā)器中與地?zé)崴?/a>進行熱量交換，產(chǎn)生氣液混合物后進入分離器氣液分離，分離出的飽和氨蒸氣送入汽輪機膨脹做功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；分離出來的氨水送入回?zé)崞骰厥諢崃?。汽輪機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、汽輪機尺寸小、運營成本低等優(yōu)點。當地?zé)醿?/a>溫度較低時使用閃蒸發(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，推動汽輪機做功發(fā)電，合理利用中低溫地?zé)豳Y源。

增強型地?zé)嵯到y(tǒng)

增強型地?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，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，中國地質(zhì)調(diào)查局組織在福建漳州實施了我國首個干熱巖科學(xué)鉆井，這標志著我國國家級干熱巖實踐正式拉開序幕。2017年，河北煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊實施了干熱巖預(yù)查項目，鉆井井深4000 m，溫度為110℃。隨后，我國在青海共和盆地3705米深處成功鉆獲236℃高溫干熱巖，有望在2035年成功建設(shè)一到兩個干熱巖示范工程，實現(xiàn)干熱巖發(fā)電。2021年6月河北省唐山市馬頭營凸起區(qū)干熱巖開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項目實現(xiàn)了干熱巖試驗性發(fā)電，這是我國首次實現(xiàn)干熱巖試驗性發(fā)電。

近年來，我國地?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)電更具有競爭力。結(jié)合我國地?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；我國干熱巖資源豐富，利用干熱巖發(fā)電目前還在研發(fā)階段，與西方國家相比發(fā)展緩慢。中低溫地?zé)岚l(fā)電以及增強型地?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)建我國清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系作出貢獻。