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地热思考 | 实事求是,避免盲目的“乐观”与“悲观”

2021-08-23 09:10:19 地热能资讯

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有关地热开发利用的一些思考

我国对国际社会的“双碳“承诺给各行各业的能源工作者带来了压力与挑战,也带来了通过能源技术创新,求经济发展的一种动力。是”开源“重要(提高清洁能源利用占比),还是”节流”重要(提高主要能源转换系统或设备效率),基于从业者的专长与经历的不同会有不同的认识与结论。在此作者仅凭多年来在地热开发利用方面的研究经历谈一些地热未来发展的粗浅看法,欢迎同行们的批评指正。

实事求是,避免盲目的“乐观”与“悲观”

以往多数地热报告中会提及地热能的巨大储量数字,而反观其已被开发利用的数据难免不令人沮丧,其中的原因何在?我们是乐观还是悲观?这需要我们对地热能及其特点有正确的科学认识。几十毫瓦级的大地热流值是太阳辐射能流的约10^4分之一,这与我们所期望的开发利用热流密度相差甚远。尽管如此,单眼100m左右的地埋管换热器可以提供几个千瓦的热(冷)负荷,人们很少选择太阳能实现冬季供热。若将地埋管的取热换算为来自大地热流的补给,那么单根地埋管换热器将需要近10^5平米的占地,实际上地埋管的影响半径也就是3m左右。显然,浅层地热能的利用与大地热流几乎无关,是利用了地层强大的蓄热(冷)能力。因此,浅层地热能的规划设计更应关注钻孔位置处地层的热物性、水文渗流特征,以及结合用户的冷热平衡问题。而所谓“摸清家底”百公里尺度地质构造论证对其经济性、技术可行性帮助甚微,也可谓舍本求末。即使是单向热利用(只取热)的中深层闭式单井套管换热系统,较低的地层导热能力使其热影响半径也不过30m左右。另一方面,若以地层较低的导热能力,得到地热能不可持续利用的结论也是错误的。我们知道低于地面10m左右的地下几乎感知不到一年四季的周期性温度变化,同样,我们站在地面的这一端想感知深度N米以下地层温度的周期变化,这一周期可达到(N/10)²年。在这一周期内,除了放射性热源外,包括地震、火山喷发等地下活动可能已发生多次了,地球内部热运动驱使的周期性或拟周期性地表构造变化是一个人类活动无法改变的事实。

“不忘获取热能初心,牢记为民服务使命”

导热模式的地热利用确实影响半径小,影响半径的大小也间接地反映出取热功率的大小。以往的经验告诉我们,若采取地热水“采灌“动态平衡利用模式,取热功率会增加几个数量级,影响半径也会由几十米增加到几百米。从这点可以看出,无论是深层干热岩、还是传统水热型地热利用,地下流体起到将热储内热能输送到地面的重要作用,可以比拟为人体的”血液“。粗放的单采”抽血“模式不仅影响地下环境,也不可持续。地热能开发利用的核心问题或最大目标不是单纯的打井、压裂、增渗等技术工艺,而是如何利用更经济的技术手段,将热储层内的热能开采出来。所有的努力也应是如何克服在这一“取热”过程中各种障碍,同时保持地下流体的总质量与压力的动态平衡。换句话说,无论是地热发电还是地热直接利用,地热能的开发利用应以获得”热“为最终目标,而非其它。

牢记如何通过技术创新,获取可持续绿色“地热“能源的同时,也应考虑 ”热“的用途或去处。地热能是所有形式可再生能源中唯一以热能形式存在的清洁能源。若以创造人居舒适温度环境(18~24℃)目的来讲,地热能比其它任何形式的可再生能源都具优势,因为具有这一温度的地层构造就在我们脚下,距离我们并不远。但若利用地热实现发电,与其它形式的可再生能源相比,目前为止尚不具备技术经济优势,主要是由于深井钻探费用较高,以及存在以温度高低衡量其品味高低的热力学效率。因此,利用地热能解决我国北方居民冬季供热问题具有天然优势,宜热用热,应是目前科研优先选项。我国建筑用热统计数据表明,地热能占比不到2%,即使个别地热利用较好的地区或城市,地热供热占比也不过10%,这与冰岛岛国95%的占比相比相差甚远,即使考虑到与冰岛天然热储条件的差别,我国的地热供热占比仍有大幅的提升空间,研发绿色环保地热供热技术应是我国地热未来发展的重点。

因“地”制宜,追求“个性”创新

开发利用地热将涉及的技术领域比较广,包括:地质、地球物理化学、水文、钻探、制造、热工等多学科。所研究的科学问题涉及多几何尺度、多时间尺度、多物理场与多相流传热传质等。因此,要想获取适用于某一热用户需求的最优设计,不仅要了解普适的共性规律,更应关注共性规律外的个性部分,只有做到真正的“量体裁衣”才能获得地热利用的技术经济优化设计,才具有市场竞争力,地热发展也才具有真正的生命力。与此同时,我们也不能将具有特殊地热条件的、很难复制的工程夸大为普适的应用环境,误导消费者,这对我们地热的发展很不利。我们应当尊重客观规律,避免出于各种商业目的的虚假宣传,抢占标准制订,无效专利注册等内卷虚功。努力把握两碳政策对地热开发利用的利好机会,地热研究成果应落实到实地,经得起时间的考验、实践的检验。

加强环保意识,提倡科学管理

地热资源是一种特殊形式的有限定条件的可再生资源,这一限定条件取决于如何对待起到“血液“作用的地热流体。无论是以”行政区域“划分,还是以”地质构造区域“划分,我们应加强区域热储的资源评价与管理工作,当然地热学者更喜欢有物理边界的后者。国家层面应颁布统一实施和管理标准,加强全民的地下环境保护意识,为绿色环保地热开发利用创新技术提供适当的政策倾斜和资金支持。鼓励多学科研究领域的产学研相结合,积极开展地热开发利用领域的开挖钻探技术、换热取热技术、人工智能和大数据管理技术等。近些年频现的极端天气迫使我们不仅要关注双碳指标如何达成,也应关注地球天气变化背后的物理机制,居住在地球村的居民应该首先学会如何利用地球的自然热,若如是,相信地球也会更健康。(文/戴传山)

注:原文刊登于2021年7月《中国地热》杂志




责任编辑: 李颖

标签: “双碳“承诺 地热

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