地熱思考 | 實(shí)事求是，避免盲目的“樂(lè )觀(guān)”與“悲觀(guān)”

有關(guān)地熱開(kāi)發(fā)利用的一些思考

我國對國際社會(huì )的“雙碳“承諾給各行各業(yè)的能源工作者帶來(lái)了壓力與挑戰，也帶來(lái)了通過(guò)能源技術(shù)創(chuàng )新，求經(jīng)濟發(fā)展的一種動(dòng)力。是”開(kāi)源“重要(提高清潔能源利用占比)，還是”節流”重要(提高主要能源轉換系統或設備效率)，基于從業(yè)者的專(zhuān)長(cháng)與經(jīng)歷的不同會(huì )有不同的認識與結論。在此作者僅憑多年來(lái)在地熱開(kāi)發(fā)利用方面的研究經(jīng)歷談一些地熱未來(lái)發(fā)展的粗淺看法，歡迎同行們的批評指正。

實(shí)事求是，避免盲目的“樂(lè )觀(guān)”與“悲觀(guān)”

以往多數地熱報告中會(huì )提及地熱能的巨大儲量數字，而反觀(guān)其已被開(kāi)發(fā)利用的數據難免不令人沮喪，其中的原因何在?我們是樂(lè )觀(guān)還是悲觀(guān)?這需要我們對地熱能及其特點(diǎn)有正確的科學(xué)認識。幾十毫瓦級的大地熱流值是太陽(yáng)輻射能流的約10^4分之一，這與我們所期望的開(kāi)發(fā)利用熱流密度相差甚遠。盡管如此，單眼100m左右的地埋管換熱器可以提供幾個(gè)千瓦的熱(冷)負荷，人們很少選擇太陽(yáng)能實(shí)現冬季供熱。若將地埋管的取熱換算為來(lái)自大地熱流的補給，那么單根地埋管換熱器將需要近10^5平米的占地，實(shí)際上地埋管的影響半徑也就是3m左右。顯然，淺層地熱能的利用與大地熱流幾乎無(wú)關(guān)，是利用了地層強大的蓄熱(冷)能力。因此，淺層地熱能的規劃設計更應關(guān)注鉆孔位置處地層的熱物性、水文滲流特征，以及結合用戶(hù)的冷熱平衡問(wèn)題。而所謂“摸清家底”百公里尺度地質(zhì)構造論證對其經(jīng)濟性、技術(shù)可行性幫助甚微，也可謂舍本求末。即使是單向熱利用(只取熱)的中深層閉式單井套管換熱系統，較低的地層導熱能力使其熱影響半徑也不過(guò)30m左右。另一方面，若以地層較低的導熱能力，得到地熱能不可持續利用的結論也是錯誤的。我們知道低于地面10m左右的地下幾乎感知不到一年四季的周期性溫度變化，同樣，我們站在地面的這一端想感知深度N米以下地層溫度的周期變化，這一周期可達到(N/10)²年。在這一周期內，除了放射性熱源外，包括地震、火山噴發(fā)等地下活動(dòng)可能已發(fā)生多次了，地球內部熱運動(dòng)驅使的周期性或擬周期性地表構造變化是一個(gè)人類(lèi)活動(dòng)無(wú)法改變的事實(shí)。

“不忘獲取熱能初心,牢記為民服務(wù)使命”

導熱模式的地熱利用確實(shí)影響半徑小，影響半徑的大小也間接地反映出取熱功率的大小。以往的經(jīng)驗告訴我們，若采取地熱水“采灌“動(dòng)態(tài)平衡利用模式，取熱功率會(huì )增加幾個(gè)數量級，影響半徑也會(huì )由幾十米增加到幾百米。從這點(diǎn)可以看出，無(wú)論是深層干熱巖、還是傳統水熱型地熱利用，地下流體起到將熱儲內熱能輸送到地面的重要作用，可以比擬為人體的”血液“。粗放的單采”抽血“模式不僅影響地下環(huán)境，也不可持續。地熱能開(kāi)發(fā)利用的核心問(wèn)題或最大目標不是單純的打井、壓裂、增滲等技術(shù)工藝，而是如何利用更經(jīng)濟的技術(shù)手段，將熱儲層內的熱能開(kāi)采出來(lái)。所有的努力也應是如何克服在這一“取熱”過(guò)程中各種障礙，同時(shí)保持地下流體的總質(zhì)量與壓力的動(dòng)態(tài)平衡。換句話(huà)說(shuō)，無(wú)論是地熱發(fā)電還是地熱直接利用，地熱能的開(kāi)發(fā)利用應以獲得”熱“為最終目標，而非其它。

牢記如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新，獲取可持續綠色“地熱“能源的同時(shí)，也應考慮 ”熱“的用途或去處。地熱能是所有形式可再生能源中唯一以熱能形式存在的清潔能源。若以創(chuàng )造人居舒適溫度環(huán)境(18~24℃)目的來(lái)講，地熱能比其它任何形式的可再生能源都具優(yōu)勢，因為具有這一溫度的地層構造就在我們腳下，距離我們并不遠。但若利用地熱實(shí)現發(fā)電，與其它形式的可再生能源相比，目前為止尚不具備技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，主要是由于深井鉆探費用較高，以及存在以溫度高低衡量其品味高低的熱力學(xué)效率。因此，利用地熱能解決我國北方居民冬季供熱問(wèn)題具有天然優(yōu)勢，宜熱用熱，應是目前科研優(yōu)先選項。我國建筑用熱統計數據表明，地熱能占比不到2%，即使個(gè)別地熱利用較好的地區或城市，地熱供熱占比也不過(guò)10%，這與冰島島國95%的占比相比相差甚遠，即使考慮到與冰島天然熱儲條件的差別，我國的地熱供熱占比仍有大幅的提升空間，研發(fā)綠色環(huán)保地熱供熱技術(shù)應是我國地熱未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

因“地”制宜，追求“個(gè)性”創(chuàng )新

開(kāi)發(fā)利用地熱將涉及的技術(shù)領(lǐng)域比較廣，包括：地質(zhì)、地球物理化學(xué)、水文、鉆探、制造、熱工等多學(xué)科。所研究的科學(xué)問(wèn)題涉及多幾何尺度、多時(shí)間尺度、多物理場(chǎng)與多相流傳熱傳質(zhì)等。因此，要想獲取適用于某一熱用戶(hù)需求的最優(yōu)設計，不僅要了解普適的共性規律，更應關(guān)注共性規律外的個(gè)性部分，只有做到真正的“量體裁衣”才能獲得地熱利用的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)化設計，才具有市場(chǎng)競爭力，地熱發(fā)展也才具有真正的生命力。與此同時(shí)，我們也不能將具有特殊地熱條件的、很難復制的工程夸大為普適的應用環(huán)境，誤導消費者，這對我們地熱的發(fā)展很不利。我們應當尊重客觀(guān)規律，避免出于各種商業(yè)目的的虛假宣傳，搶占標準制訂，無(wú)效專(zhuān)利注冊等內卷虛功。努力把握兩碳政策對地熱開(kāi)發(fā)利用的利好機會(huì )，地熱研究成果應落實(shí)到實(shí)地，經(jīng)得起時(shí)間的考驗、實(shí)踐的檢驗。

加強環(huán)保意識，提倡科學(xué)管理

地熱資源是一種特殊形式的有限定條件的可再生資源，這一限定條件取決于如何對待起到“血液“作用的地熱流體。無(wú)論是以”行政區域“劃分，還是以”地質(zhì)構造區域“劃分，我們應加強區域熱儲的資源評價(jià)與管理工作，當然地熱學(xué)者更喜歡有物理邊界的后者。國家層面應頒布統一實(shí)施和管理標準，加強全民的地下環(huán)境保護意識，為綠色環(huán)保地熱開(kāi)發(fā)利用創(chuàng )新技術(shù)提供適當的政策傾斜和資金支持。鼓勵多學(xué)科研究領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研相結合，積極開(kāi)展地熱開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域的開(kāi)挖鉆探技術(shù)、換熱取熱技術(shù)、人工智能和大數據管理技術(shù)等。近些年頻現的極端天氣迫使我們不僅要關(guān)注雙碳指標如何達成，也應關(guān)注地球天氣變化背后的物理機制，居住在地球村的居民應該首先學(xué)會(huì )如何利用地球的自然熱，若如是，相信地球也會(huì )更健康。(文/戴傳山)

注：原文刊登于2021年7月《中國地熱》雜志