地热能——地心热的开发利用

何谓地热
　　地球的内部非常热，其地心温度大约为4000℃，热能持续不断地在流向地面，
从地表辐射出去并消失在太空中。这一表面的平均热能量值为82毫瓦/米²，如果
地球的表面积为5.1×10¹⁴米²，那么，这种连续不断的热流失率大约为42兆兆瓦
(热)。
　　到达地表的能量多数是很劣质的热，很少被搜集后直接使用。然而，在近百
万年间发生火山活动的地区，大量优质热留存于熔岩或已结晶的2～10公里深的
岩石中，用现代技术(如向岩石钻探)可有效予以搜集。
　　从地壳岩石中抽取热量并运至地表，需要热传递介质。自然界是通过地下水
实现这一点的。地热库下边热的熔岩将地下水加热，热水通过岩石中相互连接的
断层、裂缝和孔洞浮上来。断层、裂缝和孔洞中的开放空间只占岩石体积的2%～
5%，但当它们充满了热水并且相互连接，将形成一个多孔渗透地热库。
　　地热水的温度在一处与另一处可相差极大。有的地热源可产生300℃以上的热
水，有的则产生沸点以下(在海平面水的沸点为100℃)的水。高于150℃的高温热
源一般可用以发电，低温热源可直接加热使用，如工业加工、区域供热、温室加
热、食品干燥和水产养殖。

地热发电
　　地热发电，实际上是用蒸汽动力发电。通过打井找到正在上喷的天然热水流。
由于水是从1～4公里的地下深处上来的，所以水是处在高压下。一眼底部直径25
厘米的井每小时可生产20～80万公斤的地热水与蒸汽。由于水温的不同，5～10
眼井产出的蒸汽可使一个发电装置生产出55兆瓦的电。
　　这种发电装置有两类：汽轮机发电和二元发电装置。为了供给一台汽轮发
电机蒸汽，抽出的地热水(带压)在称为闪蒸罐容器的表面释放出来，一部分水
(约占35%，取决于它的温度)闪蒸(沸腾)为蒸汽，进入汽轮发动机进而带动一台
发电机。涡轮的排气用传统冷却塔冷却。闪蒸罐内剩余的水在沸腾阶段之后又注
入热库边缘的地下，它有助于维持热库的压力并补充对流的水热系统。
　　在二元发电装置中，不是将热水闪蒸为蒸汽，而是送至一台热交换器，用以
加热工作介质，后者通常是有机化合物，如异丁烷或异戊烷。工作介质被气化，
用气化后的蒸汽驱动涡轮发动机，进而带动发电机。在离开涡轮后工作介质冷凝
为液体，流回热交换器再次被气化。地热流体通过喷射井又回到地下，这一点与
汽轮发电机中的情况很相似。由于在二元地热发电装置中所用的工作介质是在比
水低的温度下蒸发的，所以它的发电效率比汽轮发电机高。
　　这两类发电装置各有其优点。汽轮发电机制造和运行都不太贵，但为了在高
效率下操作，它要求水温在180～200℃以上。二元发电装置制造和运行费用较高，
但它可用100℃或更低温的水发电。目前世界上多数正在运行的地热发电装置属于
汽轮机型，但二元发电装置越来越普及。

地热能的可持续性
　　岩浆/火山的地热活动的典型寿命从最低5000年到100万年以上。这么长的寿
命使地热源成为一种再生能源。此外，地热库的天然补充率从几兆瓦到1000兆瓦
(热)以上。
　　人类第一次用地热水发电是在1904年意大利的拖斯卡纳。1958年新西兰的北
岛开始用地热源发电(目前为212兆瓦)；美国加州的喷泉热田，从1960年就开始发
电，目前的输出功率为1300兆瓦。显然，地热资源能够可靠、安全和可持续性地
运行。
　　地热生产的可持续性也可从存在于热库岩石(含热量85%～95%)中的热源判断。
在美国加州的喷泉热田，热含量保守估计至少相当于燃烧280亿桶石油或62亿短顿
(1短顿=907公斤)煤所得的能量。

地热能的前景
　　随着全世界对洁净能源需求的增长，将会更多地使用地热。全世界到处都有
地热资源，特别是在许多发展中国家尤其丰富，它们的使用可取代带来污染的矿
物燃料电站。这是非常重要的，因为一旦对矿物燃料电厂做出投资，在整个电厂
的寿命期间，将会发出大气污染流，其期限是几十年的时间。
　　目前在25个国家约有8000兆瓦的地热发电即将投入使用。此外，在菲律宾、
印尼与新西兰即将新增700兆瓦的地热发电。到1997年末，全世界地热发电的装机
容量为7950兆瓦。

1