深层地热发电 – 可持续低碳再生能源

中国环境学会  2011年 06月22日

  郦永刚     美国南加州大学地球科学系
  (University of Southern California  Department of Earth Science   Los Angeles, CA 90089-0740, USA    E-mail: ygli@usc.edu)
   
  摘要:


  地壳深部热能有望成为一种可以常年使用, 无污染, 无需地面贮存设备的低碳再生能源。增强型地热发电系统中,由注水井送入地下深部断裂带的冷水,经过高温岩体加热后,成为高温高压水汽。然后由生产井抽上地面, 送到汽轮机组发电。 余热水用来供暖。 冷却水灌入注水井循环使用。这套全封闭的地热发电系统不会排放二氧化碳和其它废料,用地需求和成本低于其它类别再生能源。一套典型的增强型地热设施产能为20兆瓦, 可满足20万人口日常需求。在地热资源丰富区域, 可安装多套地热发电设备, 生产更大规模电能。中国是世界上最大的能源消耗和需求国家之一。尤其是东南沿海地区, 面对日益增加的能源需求, 开发地热电将对该地区的经济持续发展和环境保护有重大意义。本专项的核心技术是应用先进的地球物理勘探方法高精度确定地壳深部断裂型储热位置和构造, 采用二次循环闪蒸式增强型地热发电装置髙效率将热能转换为电能。
   
  关键词:可持续低碳再生能源,断裂型地热构造, 先进勘探技术,增强型地热发电.
   
  Abstract
  This innovation project is to exploit the deep-seated geothermal resources and develop an enhanced geothermal power system to produce electric power and heat without waste pollution. Geothermal energy is the only renewable source of energy which can be tapped round the year and day with no need of storage facilities. The enhanced geothermal power system can be in operation continuously for 24 hours a day through years. Its land requirements and cost are less than those which are characteristic of most other alternative energy systems such as electric generation by wind, tide and solar energy. The modular concept of an enhanced geothermal pilot power plant is composed of  injection well and production wells (3-5 km deep). The cold water is pumped down and circulates through the fault-connected fractured hot reservoir at depth. This natural heat exchanger delivers hot (over 150-200oC) and pressurized water to the production wells. The energy is converted into electric power by means of a turbine-generator unit. The excess heat is used for heating pipe system. The cooled water is then re-injected. This closed-loop system provides waste-free energy. The capacity of the electric and thermal power generated by such a typical pilot power plan is 20 MW that can satisfy the daily need of 20,000 people. In 2005, the capacity of all the geothermal power plants amounts in the world up to 20,000 MW. China is one of the largest energy-consumption countries in the world. It is a challenge for China to exploit and use this renewable resource from earth interior to relieve the pressure from increasing environmental pollution and needs of energy in China. The key to this project is to apply advanced geophysical exploration methods to find fault-connected geothermal reservoir at depth with high-resolution and use geothermal engineering technique to transfer the heat energy to electric power efficiently.
  Key words: Sustainable geothermal renewal energy,  Advanced geophysical exploration technique, Enhanced geothermal power plant.
   

        地热利用


  地热资源是一种新型可持续再生能源,具有持续供能,无废料,无污染,无需地面贮存的低用地,低成本低碳再生能源。
  在美国,欧盟,新西兰,冰岛,日本等国,开发地壳深部蕴蔵的中高温地热生产电能,已达到2000万千瓦,仅美国加州已利用地热发电260万千瓦。
  中国拥有丰富的深层地热资源,但地热能在中国能源结构中的比例仅占0.5%,地热发电装机不到10万千瓦,与国外地热利用水平差距很大。我们建议引入国外地热发电的新思路,采纳地热地质新理论,应用先进的勘探方法和地热工程新技术,在国内开发这一新型低碳清洁能源。
   
  地热发电系统


  地热发电基本原理是用水流作为载体,流经地壳内部断裂带以热传导和对流方式将地层深部具有中髙温(超过摄氏150o-200oC)的地热能量送上地面,由髙效的二级闪蒸汽轮发电机转换为电能,输送到供电网。同时把排放的余温水,供当地居民取暖和其它日常生活用途。在注水井和生产井(井深 3-5 公里)之间循环使用水流。合理配置钻井相对位置和距离, 保持水温和流量动态平衡, 可以确保系统长期持续工作。美国地热电站的可用系数高达95%,能够稳定供电。
  目前,国外一套基本型地热发电机组的发电能力为20兆瓦,可供20万人口用电需求。若开发区域的地热资源丰畗, 可建立多套组合形成更大规模供电。
  
  地热发电经济效益


  发电能力为20兆瓦的示范地热电厂的总投资约1-2亿元人民币,其年发电量为1.6亿仟瓦时,发电效益约为0.3元/仟瓦时,地热电厂运行约3-5年可收回投资成本。
  地热电研发专项技术
  应用地质地热新理论和地球化学手段勘查地热区资源
  应用先进地球物理勘探方法, 断裂帶导波和三维成象技术,高精度探明和监测地热区深部热储确切位置, 断裂带精细结构和岩石物理属性
  研究断裂动力学和岩体破碎机制, 定量计算地热储量和流量
  应用地理信息系统监控深地层工作水流循环和生态环境影响
  采用双循环闪蒸系统,坛强发电效益
  整体考察和评估地热区状况, 因地制宜,优化设置地热发电系统
  专项细节和项目合作洽谈请联系美国南加州大学地球科学系郦永刚教授 (ygli@usc.edu)
  本专项报送科技部973计划, 並在2008年第五届<<海外华侨华人高端人才与建设创新型国家>>论坛上发表。

 
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