干熱巖——未來清潔的新能源
2019-03-08 12:24:43
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干熱巖——未來清潔的新能源
隨著人類對(duì)能源需求的不斷增長，全世界的人們?cè)絹碓綋?dān)心傳統(tǒng)礦物能源大量使用帶來的資源枯竭問題和對(duì)環(huán)境的污染問題，并開始關(guān)注可再生且無污染的能源，如太陽能、風(fēng)能、水能等。但是，這些可再生能源的開發(fā)利用受諸如氣候等外界環(huán)境制約，不能穩(wěn)定生產(chǎn)。尤其是資源豐富的水力發(fā)電，不僅受降雨量變化影響，而且還對(duì)流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的破壞。因此，各國科學(xué)家們都在不斷探索，努力尋找各種不受外界環(huán)境影響、又對(duì)環(huán)境破壞和污染很小的新能源。發(fā)達(dá)國家試驗(yàn)研究表明，利用資源極為豐富的干熱巖發(fā)電，幾乎不受外界環(huán)境影響，幾乎不對(duì)人類環(huán)境產(chǎn)生污染和破壞。而且干熱巖這種能源取之不盡、用之不竭，被證明是對(duì)人類十分友好的未來潔凈新能源。目前，國際上干熱巖的開發(fā)利用還處于試驗(yàn)階段；不過，科學(xué)家預(yù)測(cè)，2030年左右人類完全可以掌握必要的技術(shù)，利用干熱巖大規(guī)模發(fā)電。
一、干熱巖的基本特征
1．干熱巖是一種特殊地?zé)豳Y源
干熱巖是一種沒有水或蒸汽的熱巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體；干熱巖普遍埋藏于距地表2～6公里的深處，其溫度范圍很廣，在150～650℃之間。在學(xué)術(shù)界，干熱巖有時(shí)被稱為“熱干巖”，其英文名稱為“Hot Dry Rock”。
干熱巖的熱能賦存于巖石中，較常見的巖石有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖以及花崗巖小丘等（Tenzer，2001）。一般干熱巖上覆蓋有沉積巖或土等隔熱層。
干熱巖也是一種地?zé)豳Y源。但是，干熱巖是屬于溫度大于150℃的高溫地?zé)豳Y源，而且其性質(zhì)和賦存狀態(tài)有別于蒸汽型、熱水型、地壓型和巖漿型的地?zé)豳Y源。
從現(xiàn)階段來說，干熱巖地?zé)豳Y源是專指埋深較淺、溫度較高、有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱巖體。
2．干熱巖的分布
干熱巖的分布幾乎遍及全球，用一些科學(xué)家的話說，它是無處不在的資源（Duchane，1997）。世界各大陸地下都有干熱巖資源。不過，干熱巖開發(fā)利用潛力較大的地方，還是那些新的火山活動(dòng)區(qū)，或地殼已經(jīng)變薄的地區(qū)，這些地區(qū)主要位于全球板塊或構(gòu)造地體的邊緣。
判斷某個(gè)地方是否有干熱巖利用潛力，較明顯的標(biāo)志是看地?zé)崽荻仁欠裼挟惓?，或地下一定深處?000～5000m）溫度是否達(dá)150℃以上。
二、干熱巖的開發(fā)利用價(jià)值
1．干熱巖主要用于發(fā)電
目前，人們對(duì)干熱巖的開發(fā)利用，主要是發(fā)電。美國、法國、德國、日本、意大利和英國等科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握了干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術(shù)。
干熱巖發(fā)電的基本原理是：通過深井將高壓水注入地下2000～6000米的巖層，使其滲透進(jìn)入巖層的縫隙并吸收地?zé)崮芰?；再通過另一個(gè)專用深井（相距約200～600米左右）將巖石裂隙中的高溫水、汽提取到地面；取出的水、汽溫度可達(dá)150～200℃，通過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電；冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用。整個(gè)過程都是在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。
采熱的關(guān)鍵技術(shù)是在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)。試驗(yàn)中，常用的地下熱交換系統(tǒng)的模式主要有三種。
較早的模式是美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室提出的“人工高壓裂隙模式”，即通過人工高壓注水到井底，干熱的巖石受水冷縮作用形成很多裂隙，水在這些裂隙間穿過，即可完成進(jìn)水井和出水井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過程。
第二種模式是英國卡門波礦產(chǎn)學(xué)校（Camborne School of Mines）提出的“天然裂隙模式”，即較充分的利用地下已有的裂隙網(wǎng)絡(luò)。已有的裂隙雖然一方面阻止了人工高壓注水裂隙的發(fā)育，但另一方面當(dāng)人工注水時(shí)，原先的裂隙會(huì)變寬或錯(cuò)位更大，增強(qiáng)了裂隙間的透水性。在這種模式下，可進(jìn)行熱交換的水量更大，而且熱量交換的更充分。
較新的模式，即第三種模式是在歐洲Soultz干熱巖工程中由研究人員提出來的“天然裂隙－斷層模式”。這種模式除了利用地下天然的裂隙，而且還利用天然的斷層系統(tǒng)，這兩者的疊加使得熱交換系統(tǒng)的滲透性更好。該模式的較大優(yōu)勢(shì)也是較大的挑戰(zhàn)，即不需通過人工高壓裂隙的方式連接進(jìn)水井和出水井，而是通過已經(jīng)存在的斷層來連接位于進(jìn)水井和出水井之間的裂隙系統(tǒng)。
干熱巖發(fā)電地面系統(tǒng)采用渦輪發(fā)電。
目前，已有少數(shù)國家建有試驗(yàn)性干熱巖發(fā)電廠，而且規(guī)模較小。建造一個(gè)干熱巖發(fā)電廠一般需要5年時(shí)間，其使用壽命一般在15～20年左右。但是，受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件限制，干熱巖發(fā)電尚未形成商業(yè)規(guī)模。
2．干熱巖是一種潔凈的新能源
干熱巖的熱能是通過人工注水的方式加以利用，而且在利用的整個(gè)過程中處于封閉循環(huán)系統(tǒng)。因此，干熱巖的利用不會(huì)出現(xiàn)象熱泉等常規(guī)地?zé)豳Y源利用的麻煩，即沒有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物質(zhì)出現(xiàn)。
不僅如此，干熱巖發(fā)電既不像火電那樣，向大氣排放大量的二氧化碳等溫室氣體、粉塵等氣溶膠顆粒物；而且也不像水電那樣，因水壩的修建而破壞局部乃至整個(gè)河流的生態(tài)系統(tǒng)以及在水電廠周圍引起各種程度不一的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。
此外，干熱巖發(fā)電幾乎完全擺脫了外界的干擾。干熱巖發(fā)電不像水電那樣受水壩所在河流流域降水量多寡的影響，而且也不像火電那樣易受市場(chǎng)上燃煤或油氣價(jià)格變化的影響。
3．干熱巖熱能取之不盡
全球干熱巖蘊(yùn)藏的熱能十分豐富，比蒸汽型、熱水型和地壓型地?zé)豳Y源大得多，比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大。在較淺層的干熱巖資源中，蘊(yùn)藏的熱能等同于100億夸特（即quad，1夸特相當(dāng)于18000萬桶石油，而美國2001年能源消耗總量是90夸特）。這些能量是所有熱液地?zé)豳Y源評(píng)估能量的800倍還多，是包括石油、天然氣和煤在內(nèi)的所有化石燃料能量的300倍還多（Tester，et al. 1989）。
即使是在局部地區(qū)，干熱巖的熱能儲(chǔ)量也十分驚人。例如，在美國芬頓山（Fenton Hill）干熱巖Ⅱ期工程期間，恒定條件下，4年期間11個(gè)月的循環(huán)測(cè)試所獲得的熱能就高達(dá)1000億個(gè)英國熱量單位BTU（Duchane，1997）。
干熱巖是一種可再生能源，可以說取之不盡，用之不竭。目前，世界上眾多經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的國家對(duì)干熱巖的發(fā)電研究方興未艾?？梢灶A(yù)見不久的將來，隨著相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用干熱巖所發(fā)的電能將會(huì)成為國家電網(wǎng)中不可或缺的重要部分。
三、干熱巖發(fā)電的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀
早在1970年，美國人莫頓和史密斯就提出利用地下干熱巖發(fā)電的設(shè)想。1972年，美國在新墨西哥州北部打了兩口約4000米的深斜井，從一口井中將冷水注入到干熱巖體，從另一口井取出自巖體加熱產(chǎn)生的蒸汽，功率達(dá)2300千瓦，標(biāo)志著干熱巖的開發(fā)利用研究從概念模式轉(zhuǎn)入到實(shí)驗(yàn)階段。此后，這種發(fā)電技術(shù)引起了世界各國的關(guān)注，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源消耗量大的國家競(jìng)相開展干熱巖發(fā)電技術(shù)的研發(fā)工作，甚至納入到國家開發(fā)研究計(jì)劃。通過國際合作和各國不斷努力，美國、日本、英國、法國、德國等國家在過去20年相繼進(jìn)行了有關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)，基本掌握了干熱巖發(fā)電各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)。隨著技術(shù)的熟練，試驗(yàn)電廠的發(fā)電量也逐漸由3MW增大到11MW，更加接近商業(yè)開發(fā)的規(guī)模。
標(biāo)簽: 干熱巖井
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