地热能——地心热的开发利用

  何谓地热

    地球的内部非常热，其地心温度大约为4000℃，热能持续不断地在流向地面，
从地表辐射出去并消失在太空中。这一表面的平均热能量值为82毫瓦/米2，如果
地球的表面积为5.1×1014米2，那么，这种连续不断的热流失率大约为42兆兆瓦
(热)。

    到达地表的能量多数是很劣质的热，很少被搜集后直接使用。然而，在近百
万年间发生火山活动的地区，大量优质热留存于熔岩或已结晶的2～10公里深的
岩石中，用现代技术(如向岩石钻探)可有效予以搜集。

    从地壳岩石中抽取热量并运至地表，需要热传递介质。自然界是通过地下水
实现这一点的。地热库下边热的熔岩将地下水加热，热水通过岩石中相互连接的
断层、裂缝和孔洞浮上来。断层、裂缝和孔洞中的开放空间只占岩石体积的2%～
5%，但当它们充满了热水并且相互连接，将形成一个多孔渗透地热库。

    地热水的温度在一处与另一处可相差极大。有的地热源可产生300℃以上的热
水，有的则产生沸点以下(在海平面水的沸点为100℃)的水。高于150℃的高温热
源一般可用以发电，低温热源可直接加热使用，如工业加工、区域供热、温室加
热、食品干燥和水产养殖。

    地热发电

    地热发电，实际上是用蒸汽动力发电。通过打井找到正在上喷的天然热水流。
由于水是从1～4公里的地下深处上来的，所以水是处在高压下。一眼底部直径25
厘米的井每小时可生产20～80万公斤的地热水与蒸汽。由于水温的不同，5～10
眼井产出的蒸汽可使一个发电装置生产出55兆瓦的电。

    这种发电装置有两类：汽轮机发电和二元发电装置。为了供给一台汽轮发
电机蒸汽，抽出的地热水(带压)在称为闪蒸罐容器的表面释放出来，一部分水
(约占35%，取决于它的温度)闪蒸(沸腾)为蒸汽，进入汽轮发动机进而带动一台
发电机。涡轮的排气用传统冷却塔冷却。闪蒸罐内剩余的水在沸腾阶段之后又注
入热库边缘的地下，它有助于维持热库的压力并补充对流的水热系统。

    在二元发电装置中，不是将热水闪蒸为蒸汽，而是送至一台热交换器，用以
加热工作介质，后者通常是有机化合物，如异丁烷或异戊烷。工作介质被气化，
用气化后的蒸汽驱动涡轮发动机，进而带动发电机。在离开涡轮后工作介质冷凝
为液体，流回热交换器再次被气化。地热流体通过喷射井又回到地下，这一点与
汽轮发电机中的情况很相似。由于在二元地热发电装置中所用的工作介质是在比
水低的温度下蒸发的，所以它的发电效率比汽轮发电机高。

    这两类发电装置各有其优点。汽轮发电机制造和运行都不太贵，但为了在高
效率下操作，它要求水温在180～200℃以上。二元发电装置制造和运行费用较高，
但它可用100℃或更低温的水发电。目前世界上多数正在运行的地热发电装置属于
汽轮机型，但二元发电装置越来越普及。

    地热能的可持续性

    岩浆/火山的地热活动的典型寿命从最低5000年到100万年以上。这么长的寿
命使地热源成为一种再生能源。此外，地热库的天然补充率从几兆瓦到1000兆瓦
(热)以上。

    人类第一次用地热水发电是在1904年意大利的拖斯卡纳。1958年新西兰的北
岛开始用地热源发电(目前为212兆瓦)；美国加州的喷泉热田，从1960年就开始发
电，目前的输出功率为1300兆瓦。显然，地热资源能够可靠、安全和可持续性地
运行。

    地热生产的可持续性也可从存在于热库岩石(含热量85%～95%)中的热源判断。
在美国加州的喷泉热田，热含量保守估计至少相当于燃烧280亿桶石油或62亿短顿
(1短顿=907公斤)煤所得的能量。

    地热能的前景

　随着全世界对洁净能源需求的增长，将会更多地使用地热。全世界到处都有
地热资源，特别是在许多发展中国家尤其丰富，它们的使用可取代带来污染的矿
物燃料电站。这是非常重要的，因为一旦对矿物燃料电厂做出投资，在整个电厂
的寿命期间，将会发出大气污染流，其期限是几十年的时间。

    目前在25个国家约有8000兆瓦的地热发电即将投入使用。此外，在菲律宾、
印尼与新西兰即将新增700兆瓦的地热发电。到1997年末，全世界地热发电的装机
容量为7950兆瓦。

    最新投入使用的地热田是在美国的盖瑟斯，将生产1300兆瓦的电，足以满足
130万加州人的家庭用电。据估计，全世界发展中国家从火山系统可取得80000兆
瓦的地热发电。印尼的地热潜力就达到19000兆瓦。地热发电厂的规模大约为300
千瓦～55兆瓦(净电功率)。

    地热的直接应用，全世界使用量在9000兆瓦(热功率)以上。爱尔兰几乎全部
家庭和大楼都用地热。美国的几个城市和新西兰也在使用地热进行采暖。许多国
家还用地热加热温室。食品加工是另一个成熟的应用。全世界地热资源直接应用
的巨大潜力几乎尚未开发。

    对地热的研究和开发终将使人类能使用含在不同深度的岩石中而不单单是火
山地区中的巨大地热能。一旦进入这一阶段，地热能将供应全世界所需电与热量
的25%～50%。