【高考地理】全球地热能开发现状与趋势分析

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　　地热能具有储集量大、可再生性、清洁低碳、安全可靠等优势。合理开发利用地热能能有效缓解当前过度依赖化石能源对资源环境造成的压力。本文分析了我国地热能开发利用的现状，以及目前资源开发中存在的技术瓶颈、人才缺乏、资料数据不足等问题，提出应大力加强专业技术的研究，培养高素质的专业人才，切实做好地热资源的勘探和详查，给予地热开发利用项目更多的优惠政策，同时，加强环境监管，实现我国地热行业快速健康发展。

　　人类文明的发展进步与能源利用息息相关，人类对能源的利用经历了火的发现与利用，风力、畜力、水力等自然动力的利用，化石燃料的勘探、开发与利用，电能的发现及利用，原子核能的发现及利用等历史阶段。其中，煤炭及化石燃料的开发利用使人类的生活水平产生了质的飞跃。但是人类对于化石能源的过分依赖，不仅造成了全球能源的紧缺和国家之间的能源战争，还对生态环境造成了严重影响。如大气污染、温室效应等。开发利用清洁低碳、安全的能源已经成为了世界各国能源发展的共识和目标。

　　地热能是在当前技术经济和地质环境条件下地壳内能够科学合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。地热能已存在45亿年，在数亿年之后仍将存在，无论天气好坏，不分昼夜，永生永世永不停息。地热能作为一种高效清洁的可再生能源备受全世界关注，在世界上很多国家都得到了广泛的应用。

　　我国地热资源丰富，分布广泛。据国土资源部2015年的统计报告：我国水热型地热资源量折合标准煤12500亿吨，每年可开采量折合标准煤18.65亿吨(不包括浅层)，相当于2015年煤炭消耗的70%，地热资源开发利用每年可减排二氧化碳23.9亿吨，相当于我国年排放总量30%;干热岩资源量初步评估折合标煤856万亿吨，开发利用潜力巨大。

　　一是储集量大。据中投顾问发布的《2016—2020年中国地热能行业投资分析及前景预测报告》 估计，仅地壳最外层10公里范围内，拥有1254亿焦热量，相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍。如果计算地热能的总量，则相当于煤炭总储量的1.7亿倍。二是可再生性。地热是地球内部的能量资源，具可再生性。三是清洁和低碳。较传统化石能源(煤、石油)具有更好的环境友好性，能源利用系数高，排放小，清洁低碳。四是安全可靠性高。相对于核能及核反应产生的核废料来说，地热能更加安全;相对于依赖天气环境的风能和太阳能，地热能更加可靠。

　　地热资源按储热体属性可将地热资源分为浅层地热能、水热型地热资源(储存于水中， 以热水的形式存在)和干热岩型地热资源(储存于4000～10000米岩石中， 以热能的形式存在)。干热岩型地热资源的开发示意图见下图。按热流体温度水热型地热资源可分为低温地热资源(温度在25℃～90℃，以热水的形式存在)、 中深层地热资源(温度在90℃～150℃， 以热水或水蒸气的形式存在)、 高温地热资源(温度大于150℃， 以水蒸气的形式存在)。中低温地热资源主要被直接用于温室大棚、 、 烘干、 建筑供暖等;高温地热资源主要用于发电。随着技术的进步， 中低温地热资源也逐步被用于发电， 近年来， 中低温发电技术在美国发展较快。

　　干热岩一般指温度大于150℃，埋深数千米， 内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。干热岩地热资源主要用于发电， 目前在德国、

　　日本等国家已经开展了试验项目。此外， 地热能梯级利用也被广泛关注，“发电+供暖+工业应用+现代农业” 可以最大限度地提高能效， 大大降低碳排放总量。

　　在全球范围内，地热能依然算一种“小众”能源。但由于其独特的优势，业内对地热能发展潜力抱有很大期待。历经多年研究，地热能技术不断取得突破，产业得到长足发展。同时，干热岩、增强型地热系统、超临界流体等非常规地热技术走入大众视野，吸引着投资者的目光。

　　3月19日，美国大型研究机构R&M发布了《2018年地热能分析》报告。这份报告提供了地热能技术发展、对经济和环境影响的详细评估，进一步探讨了地热能在社会环境中的应用，肯定了地热是一种简单、安全的化石燃料替代方法。

　　报告指出，目前多种勘探、获取地热能的研发活动正在活跃建设中，对一些地热资源丰富的国家来说，该技术有望满足未来几代人的能源供给需求。

　　2015年备受瞩目的巴黎气候大会上达成了多项成果，里面包含一项鲜为人知的成果：全球地热联盟成立。该联盟的目标是到2030年，全球地热发电量增加6倍，地热供暖增加3倍。

　　据统计，全球大约有90个国家拥有可利用的地热资源，但目前只有24个国家使用地热发电，潜在的巨大地热发电能力现在只有不到15%的利用率。

　　放眼全球，从肯尼亚到冰岛，从日本到美国，地热发电国遍布世界各地，代表了不同的经济发展情况。尽管冰岛仅仅拥有30多万的人口，但其以755兆瓦的地热发电装机位列全球十大地热国家之中。从地热能发电量的绝对数字来看，美国处于全球领先地位，其中加利福尼亚州提供了美国地热发电量的75%。

　　常见的地热发电厂分为三类：干蒸汽、闪蒸汽和二元蒸汽。干蒸汽发电厂是最古老和简单的地热发电厂，其产出的蒸汽直接驱动涡轮机，凝结水通过注入井重新注入水库;闪蒸汽发电厂是最常见的，在182摄氏度以上的温度下运行;二元循环发电厂在107~182摄氏度之间的较低温度下运行，热储水器通过热交换器蒸发二次流体，驱动发电机在闭合电路发电。

　　根据欧盟地平线计划资助的增强型地热系统(EGS)业务部署，将非常规地热资源定义为超热、最高温度为550摄氏度、深度超过3千米的超深地热资源。

　　2017年早些时候，位于冰岛的雷克雅内斯半岛项目在4.66千米的深度完成钻探，记录的温度为427摄氏度。该项目从2016年8月启动钻探，创造了有史以来最深的火山钻孔。地质学家和工程师们的目标是寻找所谓的“超临界流体”——一种位于地下深层的、既不是液体也不是气体的物质状态，以探寻是否可以用于高效的能源生产。

　　目前，地质学家和工程师们已经成功地钻入了冰岛一座火山的中心，旨在评估利用深层非传统地热资源的经济可行性。钻这么深的地热井会带来很多困难，但如果研究人员能够克服这些挑战，会大幅减少未来为探寻地热资源而需钻井的数量，因为钻到地下这么深的地方，流体的能量比传统的地热蒸汽要高得多。

　　下一个阶段，项目将向井内泵入冷水，以便在底部生成蒸汽提供地热能源。钻井的过程中需要克服的挑战还有很多，尚未解决的主要问题是在3千米深度以下会失去循环，并且无法用水泥去密封失去循环的区域。现在，还需要对项目进行更多的研究、测试和流量模拟，才能知道钻井的生产技术和经济性的最终结果。超临界地热钻井不仅可以开辟新的地热能利用区，提高生产性能，而且可以降低钻井数量，并显著改善经济效益。

　　虽然经历了几代专家学者的努力，但直到今天，地热产业在整个能源领域的表现依然不算亮眼。主要原因是有限的地热资源仅限于在世界各地的几个特定地区，尤其是地壳构造活跃的地区。

　　以美国为例，作为经济领先世界的超级大国之一，人们期望看到清洁的地热能源在这里得到飞速发展。目前，美国的地热装机超过了3000兆瓦，但仍不足该国电力需求的1%。再对比来看菲律宾：地热发电占该国全部发电量的27%，但装机不足2000兆瓦;作为一个相对欠发达国家，菲律宾没有必要下大力气开发所有地热资源，因为受该国经济发展的制约，根本使用不了那么多的电力。

　　为了比较，可以再看一下菲律宾邻国印度尼西亚的情况。由于其独特的岛屿地理位置，印度尼西亚拥有全球40%的潜在地热能源。这代表着28000兆瓦的装机，所以印度尼西亚正在开发数十个新的地热发电厂，但目前地热发电占印尼总用电量的比例不足10%。

　　即使如此，业内仍普遍认为经济高效地开采地热是绝对有必要的。作为可持续的绿色能源，地热可以让电源结构更加合理、灵活，在未来能源体系中扮演着不可或缺的角色。

　　制约地热大规模发展的另一个重要因素是高昂的钻井成本，而石油和天然气公司钻井技术的进步可能会对地热发展非常有利。

　　有吸引力的地热水库通常温度在160~300摄氏度，这些地区的高温环境和高度断裂的岩石让钻井工作变得非常复杂，尤其在选择管状工具、井下工具和胶结材料方面。

　　一些油气公司依托在钻井方面积累下的丰富经验进军地热产业，并取得了不错的成果。例如，意大利埃尼公司运营的干蒸汽发电厂始建于1904年，现在成为欧洲深层、超临界环境的地热项目的试点。这个项目的迷人之处在于，一口超临界地热井可以产生传统地热10倍以上的能量，埃尼公司的最终目的是将井的深度从2.2千米增加到3.5千米，对更深层次的蒸汽储层进行化学和热物理特性的分析。

　　挪威在油气勘探方面也有先进技术和经验。目前，挪威的公司Sintef正在开发用于恶劣环境的测井工具，凭借着丰富的油气工业仪表经验，该公司希望可以开发出用于300摄氏度井下温度的测井工具。

　　测井工具只是面临的众多挑战之一。管理完井液、设备和固井的腐蚀效应方面，还需要进行进一步的研究。开发地热能的方法与油气公司所采用的方法非常相似，油气公司的钻探深度甚至会超过10千米。地热项目为油气公司提供了一个促进技术发展、收入来源多样化以及绿色转型的机会。

　　地热资源作为一种清洁能源，不仅可以用于发电，而且可以用于供暖、温泉，温室大棚等。开发和利用好地热资源，能有效减少大气污染、降低碳排放，在当前能源转型的背景下，地热能是构建清洁低碳的能源利用体系的重要内容，可为国家经济社会良性发展和人民生活质量改善提供保障。

　　地热供暖在世界上多个国家应用普遍。冰岛作为世界上最洁净的国家，所有的电力均来自水电和地热发电，几乎所有的供暖系统均使用地热能。1914—2014年100年间，冰岛通过可再生能源替代化石能源实现的二氧化碳减排量总计达到3.5亿吨。冰岛首都地区近20万居民已全部实现了地热供暖，其国内87%的家庭使用地热资

　　源进行取暖， 整个冰岛的终端用热中，地热达到96%，就建筑等空间供热而言，2014年，地热供热占比达90%，电供热约占9%，主要指热泵和电锅炉用电，石油供暖仅为1%。目前冰岛基本不使用天然气，煤炭使用量也很少，使用的化石能源主要是石油，只占一次能源需求的13%，约有一半用于渔船，另一半主要用于汽车。

　　近年来，我国政府高度重视环境问题，出重拳治理大气污染，取得了一定的成效，但是在华北地区，冬季取暖季的大气污染治理形势仍然十分严峻，这与燃煤供暖的污染排放关系密切。燃煤供暖锅炉二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放标准分别是燃煤电厂锅炉的4倍、4倍和2.5倍;散煤燃烧污染排放更高。而我国冬季供暖压力巨大，北方城镇供热面积逐年增长，截至2014年，供热面积已达126亿平方米，供暖能耗约1.84亿吨标煤。加上整个北方农村地区供暖能耗约1.05亿吨标煤，北方合计供暖用能耗可达2.89亿吨标煤，约占当年一次能源消费的6.8%。此外，随着经济社会的发展，在我国一些夏热冬冷的南方地区，集中供暖的呼声也愈发强烈。

　　近年来，各地政府大力推进燃煤锅炉“煤改气”。但随着天然气需求量的大量增加，天然气供不应求，往往有的地方锅炉改造完毕，却连用于调试的天然气都没有。因此，在我国，大力发展地热能供暖，对缓解天然气紧张、改善空气质量、提高人民群众生活质量具有重要的现实意义。

　　我国地热资源十分丰富， 以直接利用为主， 地热资源直接利用连续多年位居世界首位， 但是我国地热资源利用比例相对国内能源利用来说还非常小。截至2015年底，地热能年利用量约为2000万吨标煤，占一次能源消费的0.47%;地热资源发电装机容量仅27.3MW，与发达国家相比地热发电存在较大差距。一直以来，我国地热资源的利用主要以温泉疗养为主，2014年底我国地热利用中，地源热泵占58%，地热供暖占19%，温泉占18%，地热供暖比例首次超过了温泉，逐步突显出了地热能开发的能源性、技术性。

　　我国浅层地热能开发利用近年来增长迅速，据王贵玲等2017年对我国地热资源潜力评价结果显示，336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨，截至2016年，我国利用浅层地热能的应用建筑面积已达4.78亿平方米。主要分布在北京、天津、河北、辽宁、山东、湖北、江苏等人口密集的城市区，其中京津冀地区开发利用规模最大。

　　我国中低温水热型地热资源主要分布在华北、东南沿海，如鄂尔多斯、胶东、辽东半岛等，主要用于供暖、种植、养殖和旅游疗养等。目前水热型地热资源供暖比较有代表性的是河北雄县。我国高温水热型地热资源主要分布于和藏南、滇西、川西，主要以发电、旅游疗养为主，是未来地热发电的潜力区。

　　我国干热岩资源丰富，目前尚未开发利用，相关技术滞后于发达国家。但国家各高校及研究机构对于干热岩技术的研究目前正在进行中。

　　2017年，国家发改委、国家能源局及国土资源部联合发布了《地热能开发利用“十三五”规划》，这是我国首个地热能产业规划。规划中指出：新增地热供暖/制冷面积11亿平方米，其中浅层地热能7亿平方米，中深层地热4亿平方米。至2020年，地热供暖(制冷)面积累计达到16亿平方米。新增地热发电装机容量50万千瓦，至2020年，累计实现地热发电装机容量53万千瓦。到2020年，实现地热能利用总量7000万吨标煤，相应减排二氧化碳1.77亿吨，其中地热供暖年利用量4000万吨标煤，这将有力地促进我国地热能的快速发展。

　　虽然我国地热资源潜力巨大， 但是目前全国地热资源利用量仅占我国能源消耗总量的0.6%， 开发利用量相当少， 究其原因， 主要如下。

　　在浅层地热资源开发利用方面，地埋管还存在着埋管间距控制、 管材选择、土壤源热响应试验精确性、有效隔热(热短路/热贯通)、换热充分性及冷热均衡等技术攻关问题。这些问题都直接关系着浅层地热资源的利用效率。

　　对于水热型地热资源的开发利用， 应考虑回灌技术， 否则将导致地下水位急剧下降， 后期甚至无水可采。但是目前对于回灌工艺、 回灌过程中管道堵塞、结垢等技术问题， 以及回灌对热储层的影响， 采灌井距，采灌平衡条件等问题还有待进一步的研究。

　　对于干热岩， 如何高效取热是目前的技术瓶颈。人工激发的方式既有石油工业中成熟的水力压裂方式，也有基于开挖+爆破方式等，如何选择合适的激发方式。换热介质或工质应该选择水还是二氧化碳等都需要深入的研究。主流的地热资源评价技术， 例如热储法， 精度相对偏低， 暂未全面考虑回灌条件下资源的开采量， 评价技术还有待完善。

　　地热能的开发利用需要对地下资源进行有效地开发，地上对热能进行有效地利用，才能保证企业的经济效益。所以，地热能产业的健康发展还需要专业人才的培养，人才是一个企业健康发展的保障。目前，我国要形成地热能产业还面临大量的人才缺口，多数都是从石油、煤炭等能源行业转过来的，真正科班出身搞地热研究的几乎没有，还远远不能满足地热大发展的需要。

　　地热能潜力大，发展前景巨大，但是地下地质构造千差万别，对现有的地热资源分布状况的认识还不足以直接指导我国地热资源的勘探开发。此外，国家对地热能资源勘查的投入还相当不足，我国现有的地热资源分布的数据极其缺乏。截至目前，还没有单位对我国地热资源进行全面系统勘察，无法精细评价我国地热资源的分布，这些大大影响地热产业规模化发展。

　　(1)加大技术研究，重点解决地热能资源开发利用中的主要技术问题为实现我国地热产业的加快发展， 应加大投入， 切实做好单井换热、 回灌、 梯级利用等技术的攻关。对于干热岩等技术难题， 应充分借鉴国际上先进的换热技术， 和我国各研究机构之力，实现技术交流与共享，这样才能更快将我国干热岩技术应用于实践。对于地热资源的精细评价应基于更加丰富的资料数据， 并考虑采出水的回灌， 建立相应的动态资源评价方法。谭老师地理工作室综合整理

　　为了实现我国地热行业的快速发展， 应加大地热专业人才的培养，在大学或研究机构设立地热专业非常有必要， 这将为我国地热产业的发展积蓄源源不断的新生力量。同时，国家地热能中心和各地热专业委员会也可以开展地热相关技术的培训， 吸引更多对地热能感兴趣的研究学者，为我国地热能的发展提供基本的人才保障。

　　应积极开展全国地热资源精细评价， 摸清我国地热资源量及资源有利区的分布。我国石油行业数十年勘探开发积累的探井与开发井的海量地质、 地球物理与地球化学数据应该为国家的地热能资源研究发挥作用， 为有志投资开发利用地热能的企业提供可靠的资源数据服务， 为我国地热资

　　建议对于地热开发项目给予相应的税收免征政策， 参照原国土资源部地质灾害危险性评估管理经验， 建议实行归口管理， 避免多头无序化管理， 简化审批手续， 减少审批的环节和时间，同时加强后续监督管理。

　　地热能资源开发利用的可持续性是非常重要的， 对地表环境的影响，对地下资源环境的影响都是不可以忽视的。因此， 在地热能的开发利用中， 需要完善的技术规范， 并要加强生态环境保护。浅层地热能的利用应注意防止不良企业为了利益使用化学试剂提取热能， 造成化学试剂泄露，地下饮用水的污染;中深层地热资源的利用不涉及地下饮用水的安全。但是大规模的开发利用而不采取回灌措施会引发地面塌陷和地质灾害，这些都需要地方政府及环保部门严格把关。

　　我国地热资源丰富，应用及市场前景广阔。地热资源的梯级利用，不仅可以大大的降低我国供暖季煤炭、电力的使用量，还可以最大程度的减少各地温室大棚等所需的煤炭及电力的用量，对直接减少国家碳排放量、降低了环境压力、减少大气污染、增强环境保护必将起着巨大的推动作用。

　　目前，我国地热能的开发利用已经受到社会多层次多方面的高度关注，从浅层地热能的热泵技术应用到中深层地热能供暖，中低温地热发电、及青海的高温地热发电以及干热岩地热资源的研究都开始有资金积极介入，我国的地热能产业呼之欲出。国家能源局不久前，发布成立了我国能源行业地热能专业技术标准化委员会，自然资源部正在准备落实国家深地地热研究科研项目，有了国家层面的支持，希望古老而年轻的地热能资源可以造福百姓。