高溫岩體發電

3千米、溫度300℃的地下深處的高溫岩石，其特點是沒有蒸氣或熱水；這種高溫岩體發電和地熱發電一樣，其很大的優點是本來沒有熱水，而是利用這種高溫熱量人工製作蒸氣，通過渦輪機發電。高溫岩體發電方式的優點是：在地下產生熱，注入水產生水蒸氣，對環境影響少，可大規模發電。

基本介紹

• 中文名：高溫岩體發電
• 高溫岩石：深3 千米、溫度300℃
• 原理：在地下產生熱，注入水產生水蒸氣
• 環境影響：小

簡介

高溫岩體，顧名思義是深3 千米、溫度300℃的地下深處的高溫岩石，其特點是沒有蒸氣或熱水；這種高溫岩體發電和地熱發電一樣，其很大的優點是本來沒有熱水，而是利用這種高溫熱量人工製作蒸氣，通過渦輪機發電。

高溫岩體發電的具體操作是：在高溫岩體內打孔，在岩石中人工挖掘龜裂面，接著鑽2個孔，在一孔中注入水，水流到龜裂面間，周圍高溫岩體的加熱使水成為熱水或水蒸氣，然後，此熱水或蒸氣從另一個孔中出來進行發電。

高溫岩體發電方式的優點是：在地下產生熱，注入水產生水蒸氣，對環境影響少，可大規模發電。作為火山之國的日本，高溫岩體十分普遍，該熱能貯藏量十分豐富，作為自然能源，這種發電方式今後將會具有廣闊的發展前景。我國西藏也是發展高溫岩體發電的理想場所。

發展歷史

1、乾熱岩體發電的構想

地熱能源是由於地核岩漿中的放射性物質發生熱核反應釋放出的巨大熱量，通過斷層，以蒸汽、水或乾熱岩為載體傳導至地表而形成的一種綠色可再生能源，因此說乾熱岩是地熱的一種。

利用地下乾熱岩體發電的構想，是美國人莫頓和史密斯於1970年提出的。1972年，他們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乾熱岩體，從另一口井取出自岩體加熱產生的蒸汽，功率達2300千瓦。進行乾熱岩發電研究的還有日本。英國、法國、德國和俄羅斯，但迄今尚無大規模套用。

“乾熱岩”技術主要是通過在鑽孔中以加壓的方式將水注入到3000米~5000米深度的高溫岩體（通常為花崗岩）中，這些水被加熱呈沸騰狀態並通過裂隙從附近的另外一處鑽孔中噴出地面，噴出的熱水被注入到一個熱交換器中，將其他沸點較低的液體加熱，將生成的氣體驅動蒸汽渦輪機進行發電。冷卻後的水可以進一步提取熱能後再次注入鑽孔中循環利用。

有數據表明，地殼中“乾熱岩”所蘊含的能量相當於全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍、利用乾熱岩發電的成本與以煤炭和天然氣為燃料的火力發電站的成本大體相當，是風力發電的一半，只有太陽能發電的八分之一到十分之一。目前，歐美許多已開發國家正在積極開展於熱岩開發試驗研究工作。

2、火山岩漿發電的可行性基礎研究

火山爆發時噴出的高溫岩漿，蘊藏著巨大能量，如何利用地下的高溫岩漿發電，是能源科學研究的一大課題。美國能源部在20世紀80年代初開始進行火山岩漿發電的可行性基礎研究。並在夏威夷島基拉厄阿伊基熔岩湖設立實驗場，實驗是成功的。美國於1989年選定了用岩漿發電的發電廠址，在加利福尼亞州的隆巴列伊地區打了一口6000米的深井，利用地下岩漿發電，90年代中後期建成岩漿發電廠。其設計思想是用泵把水壓入井孔直達高溫岩漿，水遇到岩漿變成蒸汽後噴出地面，驅動汽輪發電機發電。計算機模擬表明，從一口井中得到的蒸汽熱能發電，可以抵得上一台5萬千瓦的發電機組。美國能源部計算後宣稱，美國的岩漿能源量可折合為250億～2500億桶石油，比美國礦物燃料的全部蘊藏量還多。

3、其它國家的相關研究

日本也從1980年開始進行高溫火山岩發電的實驗。日本新能源開發機構成功地從3500米深處的地下高溫岩體中提取出了190℃的高溫熱水。方法是在花崗岩體中打兩口井，往其中一口井中灌入涼水，再從別一口井中抽出高溫熱水。每分鐘灌入1.1噸涼水，可連續回收0.9噸190℃的高溫水。1989年，日本新能源開發部又利用高溫岩體連續地獲得高溫熱水和蒸汽。他們在相隔35米的距離內鑽了兩口1800米的深井，以每分鐘0.5噸的流量向一口井中灌進涼水，從另一口井抽出的水就被岩體加熱到100℃以上。他們的目標是設法使涼水變成200℃的蒸汽，最終實現發電。

英國從1987年開始進行岩漿發電實驗。在英國一個溫度最高的熱岩地帶，其2000米深處的岩體溫度約100℃，在6000米深處的熱岩可以把水加熱到200℃。一口井就能產生1萬千瓦的電力，可持續用25年時間。英國計畫在1995年建成一個6兆瓦的熱岩發電廠，可滿足2萬人口小城鎮的電力需求。

高溫噴汽井

利用地下乾熱岩體的熱量發電的地熱電站。乾熱岩地熱能屬於高位熱能，即溫度超過150～180℃的地熱能。距地表2000米以下的岩漿能使其周圍岩體的溫度達到攝氏幾百度，蘊藏著巨大熱能。高溫岩體發電的作法是:從地面將豎井鑽到岩體，形成一口注射井，並在適當部位加壓，使加壓點周圍產生寬幾毫米、長數百米的裂縫，向裂縫中注水後，水吸收岩體熱量可升溫至200～300℃，在裂縫的另一端打一口噴汽井，即生產井，熱水便會伴著蒸汽噴出，用於地熱發電裝置發電，其生產流程如圖所示。

1985年5月28日，美國、日本、聯邦德國3國研究機構在美國新墨西哥州打出世界上第一口高溫噴汽井。打高溫岩體發電的鑽井與打油井相似，但在技術上要求更高。這是因為：①打油井的鑽頭耐熱度不過200℃，而打高溫岩體發電井的鑽頭耐熱度需達 350℃。②需要特殊的填充水泥。③需要準確地測定打在岩體裂縫端點的噴汽井位置。在實驗室，可以通過集音感測器，獲得物體破碎時發出衝擊的強弱數據，準確地推算出裂縫的方向。但要把這種方法搬到鑽井現場，費用過於昂貴。現場常採用三軸感測器記錄數據，輔之以地下爆破實驗加以修正。但這種方法對裂縫方位的測定很難做到十分精確。高溫岩體發電技術與現有的地下熱水發電技術相比，具有許多優越性，對多火山、高溫岩體資源豐富的地區更有意義。但在成本、效益和技術等方面還有不少問題有待解決。因乾熱岩的能量巨大，開發乾熱岩地熱能用於發電的前景誘人。

優勢與技術問題

一、優勢

高溫岩體地熱開發是利用地殼中存在的自然熱能，提供廣泛的、有價值的、非污染的熱能。按照現行的高溫岩體地熱資源的開發模式，完全可以在許多國家形成商業規模而廣泛套用。對中國而言，它的使用可以減少中國對進口石油的依賴，增加國家能源安全，減少外匯支出。

國際公認的新世紀能源開發應滿足的基本準則是：在不增加化石能源的需求的同時，大力開發新能源；而對新能源的基本要求是：運行安全，價格合理和低環境影響。就此意義講，高溫岩體地熱資源與核能（裂變和聚變）、太陽能或者其它可再生的能源相比，具有更大的優勢[1-4]。
(1） 高溫岩體地熱能是巨大的，在許多國家存在並廣泛分布。例如美國高等級地溫梯度的地熱資源約占全國面積的10%，中等地溫梯度大約占30%，低級地溫梯度約占60%[1]。
(2）高溫岩體地熱資源的使用，沒有廢氣排放（CO2，SOx，NOx等），也沒有其它流體或固體廢棄物，高溫岩體地熱資源系統可以維持對環境最低水平的影響。
(3） 高溫岩體地熱開發系統是安全的，沒有爆炸危險，更不會引起災難性事故或傷害性污染。它適合於基本負荷或高峰負荷的電力供應，是能源計畫中最理想的組成部分。
(4） 高溫岩體地熱開發可以提供不間斷的電力供應，不受季節、晝夜等自然條件的影響。
(5） 高溫岩體地熱資源可以有效地維持開發中國家的戰略和經濟平衡。
(6） 美國、日本等國的高溫岩體地熱前期開發試驗已充分說明，高地溫梯度（80℃/km）的高溫岩體地熱發電電價，在今天已具有商業競爭能力；而對中等和低級地溫梯度的高溫岩體地熱資源，通過進一步改進開發技術，也可以與以化石能源為基礎的電價有商業競爭能力。

二、技術限制

儘管高溫岩體地熱資源具有潛在優勢，但兩個關鍵的技術問題仍阻礙著其商業發展：（1）建造具有充分尺度和相當壽命的、用以獲得各級溫度梯度熱儲層的經濟流體的人工儲留層技術；（2）減少在硬岩中和高溫岩體中高額的鑽井費用。高溫岩體地熱能源供應的價格主要由鑽井和人工儲留層建造的費用所決定。較低的單井鑽井成本和較高的儲層流動速率將大大降低供應的電價。降低低溫度梯度資源鑽井和儲留層建造費用，將大幅度減少高溫岩體地熱開發費用。使用先進的鑽井技術，如熱破裂或化學腐蝕等輔助鑽井技術，將能夠降低高溫岩體地熱發電的價格，從而使高溫岩體地熱資源在世界各地都具有競爭優勢。

資源和技術參數

高溫岩體地熱資源的開發對資源的主要要求是：在合理的深度內具有大面積的高地溫的岩體。儘管高質量的高溫岩體地熱資源勘探是必不可少的，但其勘探難度和勘探費用遠小於天然熱水或化石能源。在勘探天然熱水資源、石油和天然氣資源時，勘探者必須選中符合特定條件的目標，如滲透性、孔隙率、裂縫或者圈閉等，而在高溫岩體地熱資源勘探中，一旦發現所需資源，即可施工並完成許多鑽井，唯一指標是影響商業質量的平均地熱梯度。

地溫的變化將引起儲層輸出流體溫度的變化，進而影響高溫岩體地熱資源發電系統的發電速率，最終將決定高溫岩體地熱開發系統的經濟能力及資源的管理和最佳化策略。最理想的狀態是人工儲留層以最大的速率輸出流體，而溫度維持恆定，而對有限尺度的高溫岩體地熱人工儲留層而言，這顯然是不可能的。提取的地熱流體的溫度主要取決於如下因素[5-8]：
（1） 連通的裂縫表面積和岩體體積；
（2） 產出流體的質量流量；
（3） 流體穿越裂縫表面和通過裂縫區域的分布；
（4） 岩石的熱力學特性（密度、熱容係數、熱傳導係數等）；
（5） 流動阻力和允許的壓力降；
（6） 水的損失速率。
高儲層溫度、低流動阻力、巨大的儲層裂縫面積和連通體積是高溫岩體地熱開發的最佳選擇。

[2] 電力技術網

[3] 中國能源網

[4]中國開關電器網