稳定输出的地热发电，新能源的下一个风口

知识点：地热发电

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地热能主要来自于地壳内部的熔岩和放射性物质衰变，资源十分巨大，是地球上不可多得的一种可再生的清洁能源。与其他可再生能源发电相比，地热能发电的能源利用率高，不受天气和季节气候变化影响，同时发电成本具有竞争性，二氧化碳减排优势明显等特点，因而逐渐被各国政府所认识。开发以地热能为代表的可再生能源已成为我国弥补能源缺口和可持续发展的有效方法之一。地热能是一种绿色、低碳、可循环利用的可再生能源。受《地热能开发利用“十三五”规划》等政策的推动，我国地热能利用规模迅速增长，技术水平不断完善，国际交流合作也日益密切,正处于发展的黄金期。未来，地热能将在我国可再生能源利用中占据更为重要的地位。

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为建筑物提供冷、热负荷是我国地热能直接利用的主要方式，根据热源深度等因素分类，主要分为浅层地热能利用和中深层地热能利用。如图1所示，近年来我国地热能供暖规模持续上升，从2005年的1272万平方米增长至2019年的91400万平方米;在全国供暖市场中的占比稳步上升，从0.5%提升至10.4%。

图1：我国地热供暖面积及供暖市场占比增长趋势图

地热能发电是将地热能转变为机械能，后转变为电能的过程。我国中深层地热能发电的主力地区是高温地热资源丰富的西藏、云南西部、川西等地区，目前建成投产的地热能发电项目多采用闪蒸发电技术、有机朗肯循环技术。

图2：地热能电站工作原理

截至2019年年底，我国地热能发电装机容量从“十二五”末的27.28兆瓦增至49.08兆瓦，新增21.8兆瓦。受我国地热电价政策以及装备技术等因素影响，20世纪建成的部分地热电站已关停，目前仅有位于西藏的羊易地热电站、羊八井地热电站在继续运行，地热能发电规模整体增长缓慢。

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我国城镇化的快速发展、对清洁取暖的巨大需求等因素导致我国地热能市场仍然广阔。

一是我国北方清洁取暖地区。我国北方清洁取暖需求迫切，对地热能提出了巨大的需求。目前，北方地区清洁取暖工程范围仍在不断扩容，工程范围已从“2+26”个城市升级至“2+26+11”个城市，随着《打赢蓝天保卫战2020年攻坚行动工作方案》的研究制定，清洁取暖范围有逐步向江苏、安徽等非重点区域拓展的趋势。

据统计，2019年“2+26”个城市非清洁取暖率为28%，其中城市核心地区的供暖市场多采用热电联产、燃煤锅炉等热源形式，供热管网与城市规划同期建设，市场已经趋于饱和，地热能等清洁能源的开拓市场较小。但是，在县城、城乡接合部以及农村地区集中供暖尚未得到大面积的开展。过去几年我国开展了一系列煤改电工程，尽管取得了良好的环境收益，但经测算电采暖运行费用远高于使用散煤，需要持续投入大量补贴才能继续开展。而地热能供暖项目具有初投资较大、运行费用低的特点，仅需要一次性补贴就可以实现清洁供暖的可持续性发展，为地热能发展提供了广阔市场。

二是长江经济带。我国强制供暖线“秦岭—淮河线”以南的武汉、上海等长江流域地区已经符合了集中供暖的标准。同时在冬季季风的影响下,我国南方地区湿度较大,冬天体感温度低,导致室内舒适度较差。在此背景下，关于强制供暖界限向南扩展的呼声越来越高，目前“秦岭—淮河线”以南的某些城市已出现集中供暖现象。

长江流域经济发达,人民群众对美好生活的追求为浅层地热能发展提供了广阔的市场空间。充分利用南方冬冷夏热地区降水量大、水系丰富的特点,因地制宜地开展以地表水源热泵技术、土壤源热泵技术为主的浅层地热能开发利用就成为这些地区的首选，能保障长江经济带沿线人民群众温暖过冬、清爽度夏。

三是特色农业及康养旅游业。地热能可以广泛应用在种植、养殖、康养和旅游等方面,通过建设低耗能零排放的地热温室大棚和水产养殖温室,成功克服北方地区冬季气温低的缺点,解决冬季蔬菜育苗和鱼类越冬问题，推进农业产业绿色发展,打造可町持续发展的农业产业。充分利用地热水的医用价值，打造温泉康养产业，进一步延伸地热能开发利用产业链，将为地热能产业的发展提供更多的市场机遇。

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地热资源相对复杂，不同地热井的储热介质及热流参数各不相同，相对于燃煤机组或者燃气机组等传统能源电站，地热电站很难模块化。为了实现能源的高效利用，未来地热能发电的研究方向之一是地热资源与其他可再生能源互补综合利用，包括太阳能–地热能联合发电、地热能–地下式水电站联合发电、地热能–生物质能联合发电、地热能–海洋温差能联合发电等多种组合方式。

图3：太阳能地热能联合发电原理

太阳能–地热能联合发电的目的是充分利用两种能源以提高机组装机容量，包括以地热能为主和以太阳能为主的两种模式。以地热能为主的联合发电系统是在地热发电系统中增加一个太阳能集热装置，以提高蒸汽温度或蒸汽流量，从而增加机组出力，或者保持机组出力不变的情况下降低地热流体流量。以太阳能为主的发电系统主要是利用地热高温流体加热进入太阳能集热器前的循环工质，从而提高蒸汽温度，增加机组容量。2012年，世界上首台太阳能–地热能联合发电站在美国建成，在已建成的地热电站基础上增加太阳能电池板，使得电站容量增加了26 Mw""。目前，针对太阳能–地热能联合发电系统以数值分析为主，主要集中在联合发电系统结构对效率的影响、太阳辐射对系统蒸汽量影响、发电系统的稳态与非稳态研究、发电系统经济性评估等多方面。

图4：地热能-地下式水电站原理

地热能–地下式水电站联合发电系统包括地上的地热电站与地下水电站两部分，通过循环工质水将两部分连接起来。地球表面水库的水通过管道被输送到地下的水轮机进行做功，做功后的水进入水池，利用地热能将从水池流出的水加热汽化后被送回地面，将其进行闪蒸处理后送入汽轮发电机做功，乏汽冷凝后进入地表水库，完成做功循环。这种发电系统无需防止水中矿物质对设备腐蚀、热水排放、循环工质泄露对环境的影响等，受地质影响小，但是对整个系统密封性要求高，而且对地下设备监测维护困难。

图5：地热能生物质能联合发电

地热能–生物质能联合发电系统分别以中低温地热能和生物燃气作为工质蒸发和过热热源，地热流体从井中抽出进入蒸发器，循环工质吸热蒸发为饱和蒸气，被冷却的地热水回灌流回地下;生物质原料经过水解和厌氧消化后产生生物质燃气，生物质燃气在锅炉中燃烧产生的高温烟气将饱和蒸气加热成过热蒸气，过热蒸气进入汽轮发电机中做功发电，乏气进入凝汽器凝结。与单一地热发电系统相比，生物质能利用量越大，地热能–生物质能联合发电系统扩容越大，热力循环效率、能–电转换效率提升越明显，系统发电成本明显降低。

地热能-海洋能温差发电系统包括海洋温差发电系统与地热发电系统，温海水穿过海洋温差发电系统后与地热发电系统的回灌井相连通，其中海洋温差发电系统依靠海水压差作用和高效冷凝管等技术实现全流程无泵运行，地热发电系统采用冷海水作为冷却水源以维持更低的冷凝温度，联合发电系统使得两种能量利用率大幅度提高。

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地热能发电历史悠久，技术成熟，根据地热流体参数而分为不同种类的循环系统。地热电站建设中涉及到地热井开发、流体采集系统、地热井回灌等关键技术仍需要继续研究，以提高发电系统的可靠性与持续性。为了提高能源综合利用率，增加电站装机容量，可将地热能与其他可再生能源结合起来建立联合发电系统。此外，中低温地热能与干热岩地热能发电技术将会是未来重点研究方向。

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