什么是地热能，它是如何工作的，它有什么利弊？
行业动态   新能源   推荐热门   2022年04月28日
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内容摘要：什么是地热能，它是如何工作的，它有什么利弊？

能源科普｜什么是地热能，它是如何工作的，它有什么利弊？

地热能作为替代传统能源的一种相对清洁和可持续的能源，在摆脱煤炭和石油等不可再生能源的束缚方面发挥着重要作用。地热能不仅极其丰富，而且与其他的可再生能源相比，它的成本效益非常高。

然而，与其他能源一样，地热能领域也有一些必须解决的缺点，如潜在的空气和地下水污染。尽管如此，在权衡地热能的利弊时，它显然提供了一种有吸引力的、可获取的、可靠的能源。

01 地热能源的定义

地热能利用地核的能量，将热水泵到地面，转化成蒸汽，用于旋转地面涡轮，就产生了地热能。涡轮机的运动产生机械能，然后用发电机将机械能转换成电能。地热能也可以直接从地下蒸汽中获取，或者使用地热热泵，利用地球的温暖为家庭供暖或降温。

据忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)估计，不管其来源是什么，位于地球表面前33000英尺(6.25英里)内的热量所含的能量是世界石油和天然气的5万倍。

想利用地热能发电，必须具备以下三个条件:足够的流体、地核的足够热量、使流体与加热的岩石接触的渗透性温度至少要达到300华氏度才能发电，但地热供暖只需要超过68华氏度即可。

流体可以自然生成，也可以泵入储层，通过一种称为增强型地热系统(EGS)的技术，可以通过增产来提高渗透率。

天然地热储层是地壳中可以利用能量发电的区域。这些储层分布在地壳的不同深度，可以是蒸汽，也可以是液体，当岩浆接近地表时，就会加热裂缝或多孔岩石中的地下水。离地表1 ~ 2英里的储层也可以通过钻井进入。为了开发它们，工程师和地质学家必须首先确定它们的位置，通常是通过钻探试验井。

02 地热能是如何工作的？

获取地热能的过程包括利用地热发电厂或地热热泵从地下提取高压水。到达水面后，压力降低，水转化为蒸汽。蒸汽带动与发电机相连的涡轮旋转，从而产生电力。最终，冷却的蒸汽凝结成水，通过注入井泵入地下。

下面是地热能发电的更详细的工作原理

1).地壳的热量产生蒸汽

地热能来源于地壳中的蒸汽和高压热水。为了收集地热发电厂所需的热水，在地表以下2英里深的水井。热水在高压下被输送到地面，到地面后，压力下降，水转化为蒸汽。在更有限的情况下，蒸汽直接从地下冒出来，而不是像加州的间歇泉（The Geysers）那样首先从水中转化而来。

2).蒸汽涡轮旋转

地热水在地球表面被转换成蒸汽后，蒸汽会带动涡轮旋转。涡轮机的转动产生的机械能最终可以转化为有用的电力。地热发电厂的涡轮机与地热发电机相连，当它旋转时，就产生能量。

因为地热蒸汽通常包括高浓度的腐蚀性化学物质，如氯化物、硫酸盐、硫化氢和二氧化碳，涡轮机必须由抗腐蚀的材料制成。

3).发电机产生电力

涡轮的转子与发电机的转子轴相连。当蒸汽带动涡轮机转动时，转子轴旋转，地热发电机将涡轮机的动能或机械能转换成供消费者使用的电能。

4).水被回注入地下

当用于水热能源生产的蒸汽冷却时，它会凝结成水。也有可能是在能源生产过程中没有转化成蒸汽的剩余水。为了提高地热能生产的效率和可持续性，多余的水经过处理后，通过深井注入将其回注地下储层。

根据该地区的地质情况，这可能需要很高的压力，或者根本不需要压力，就像间歇泉一样，水从注入井中流下来一旦到那里，水被重新加热，可以再次使用。

03 地热能的成本

地热能发电厂的初始成本很高，在美国，每安装千瓦的成本通常在2500美元左右。也就是说，一旦地热能发电厂建成，运行和维护成本为0.01美元到0.03美元每千瓦时(kWh)，相对于煤炭发电厂，后者的成本往往在0.02美元到0.04美元每千瓦时之间。

更重要的是，地热发电厂90%以上的时间都能发电，所以运行成本很容易支付，尤其是在消费者电力成本很高的情况下。

04 地热发电厂的类型

地热发电厂包括将地热能转化为有用能源或电能的地上和地下部分。地热发电厂主要有三种类型

1) 干蒸汽发电

在传统的干蒸汽地热发电厂，蒸汽直接从地下生产井输送到地上的涡轮，涡轮在发电机的帮助下转动并发电。然后水通过注入井返回地下。值得注意的是，加州北部的间歇泉和怀俄明州的黄石国家公园是美国仅有的两个已知的地下蒸汽来源。间歇泉位于加州索诺玛和湖县的边界，是美国第一个地热发电厂，占地约45平方英里。这电站是世界上仅有的两个干蒸汽电站之一，实际上由13个独立的电站组成，总发电能力为725兆瓦。

2) 闪蒸地热发电

闪蒸地热发电厂是运行中最常见的，它涉及从地下提取高压热水，并在闪蒸槽中将其转化为蒸汽。然后，蒸汽被用来驱动涡轮机;冷却后的蒸汽冷凝并通过注入井注入。水必须超过华氏360度才能运行这种类型的工厂。

3) 二元循环发电

第三种类型的地热发电厂，即双循环发电厂，依靠热交换器将地下水中的热量转移到另一种被称为工作流体的流体中，从而将工作流体转化为蒸汽。工作流体通常是一种有机化合物，如碳氢化合物或具有低沸点的制冷剂。然后，热交换流体产生的蒸汽被用来驱动发电机涡轮，就像其他地热发电厂一样。

这些电厂可以在比闪蒸电厂要求的温度低得多的温度下运行，只有225到360华氏度。

05 增强型地热系统

增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems --EGS)也被称为工程地热系统，它使获取传统地热发电之外的能源成为可能。

EGS通过钻到基岩中，创造一个地下裂缝系统，通过注入井将其充满水，从而从地球中提取热量。

有了这项技术，地热能的地理可用性可以扩展到美国西部以外。事实上，EGS可能会帮助美国增加地热能发电量，使其达到目前水平的40倍。这意味着EGS技术可以提供美国现有电力容量的10%左右

06 地热能的利弊

与煤炭和石油等传统能源相比，地热能具有创造更清洁、更可再生能源的巨大潜力。然而，与大多数替代能源一样，地热能也有利弊，这一点必须认知到。

1) 地热能的优点

--更清洁、更可持续。地热能不仅更清洁，而且比煤炭等传统能源更可再生。这意味着从地热储层中产生电力的时间更长，对环境的影响更有限。

--需要较少的土地。利用地热能只需要一小块土地，这使得寻找合适的地热能发电厂更容易。

--丰富的资源。该行业的持续创新将在未来25年带来更高的产量。事实上，产量很可能从2020年的170亿千瓦时增加到2050年的498亿千瓦时。

2) 地热能的缺点

--初期投资很高。地热发电厂需要每千瓦大约2500美元的高额初始投资，而风力涡轮机每千瓦大约1600美元也就是说，新建燃煤电厂的初始成本可能高达每千瓦3500美元。

--会导致地震活动增加。地热钻探与地震活动增加有关，特别是当EGS被用于增加能源产量时。

--导致空气污染。由于在地热水和蒸汽中经常发现腐蚀性化学物质，如硫化氢，在生产地热能的过程中会造成空气污染。

本文据Kiah Treece的“What Is Geothermal Energy? Definition, Examples, and How It Works”和“Geothermal Energy Pros and Cons”编译。图片来自原文插图。