地热发电现状与展望*

温柔 赵斌 王善民

（1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；2.西藏地热产业协会，西藏 拉萨 850000）

地热能来源于地球内部铀、钍和钾等天然放射性同位素衰变产生的大量热量，这些热量通过火山喷发、温泉、地下水等载体传递到地表［1］。每年由地球内部输送至地表的热能相当于280 亿吨标准煤，由于其具有储量大、分布广以及清洁环保和稳定可靠等诸多优点而得到了广泛利用，目前全球有超过88个国家和地区利用地热能进行发电和供暖［2］。2020 年，我国首次提出要在2030 年实现“碳达峰”，2060 年实现“碳中和”，要实现该目标，清洁能源是不可忽视的一部分［3］。本文首先介绍了地热资源分类，包括对浅层地热能、水热型地热资源以及干热岩等地热资源的资源量和分布进行了简要介绍，其次对不同类型地热发电系统的特点、原理和结构以及优缺点进行了概括，最后通过查阅资料对我国以及美国等其它几个国家的地热装机容量、在建地热发电项目和地热发电发展现状进行了总结。

1 地热资源

2015 年国土资源部中国地质调查局调查评价结果显示，我国地热资源可根据埋深和温度划分为浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩资源三大类［4］，具体如表1所示。

表1 地热资源分类

浅层地热能包括浅层岩体、地下水和地表水所蕴藏的低温热能，由地表以下0～200 m处温度和1.5 m深处温度之间的温差形成的能量，一般低于25℃，属于低品位热能［5］。主要利用地埋管、地源热泵或水源热泵等技术手段实现热量交换，一般用于建筑供暖或制冷。我国浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨，主要分布在东北、华北、江淮流域、四川盆地和西北地区，2019年底我国地热能供暖建筑面积超过11亿平方米，随着开发技术手段的不断提升，我国浅层地热资源开发利用年均增幅接近30%［6，7］。2020 年世界地热大会统计结果显示，全球直接利用地热能的国家和地区共有88个，排名前五的国家分别是：中国、美国、瑞典、德国、土耳其［8］，装机总容量为108 GW，如图1 所示。据国际能源署（IEA）预测，2040 年全球地热直接装机容量将达到650 GW。

图1 地热直接利用装机容量排名前五的国家

我国水热型地热资源折合标准煤1.25 万亿吨，年可开采资源量折合18.65 亿吨标准煤，按热传递方式可分为对流型水热系统、传导型水热系统以及传导-对流复合水热系统，按温度可分为高温地热（≥150℃）、中低温地热（＜150℃）［9，10］。水热型中低温地热资源主要分布在我国华北平原、松辽盆地、四川盆地、胶东半岛、辽东半岛等地区，年可开采量折合标准煤18.5 亿吨，主要用于供暖、旅游、工业干燥等；高温水热型地热能主要分布在我国藏南、滇西、川西等西南地区，年可开采量折合标准煤0.18 亿吨，主要用于发电和工业利用。

干热岩是指地表深处3～10km 处不含水或含水少的高温岩体，主要是各种孔隙度低且裂隙渗透性能差的变质岩或结晶岩，因此需要人工压裂形成地热储层才能进行开采和利用，温度范围150℃～650℃［11，12］。20世纪70年代，美国在Fenton Hill最早建立干热岩开发试验项目，随后英国、法国、日本、德国等也相继建立了一批干热岩开发试验项目。然而我国在这方面还处于起步阶段，很多技术并不成熟。我国埋深不超过10000 m 的干热岩基础资源量可折合856 万亿吨标准煤，主要分布在西藏、云南、广东、福建等地区。2010年中国启动了“干热岩勘察关键技术研究”项目；2013 年我国国家地质调查局启动了干热岩资源潜力评价与示范靶区研究项目；2014 年启动863 项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”；2017年，我国在青海共和盆地3705 m 处钻获236℃高温干热岩体，实现了我国干热岩勘察的重大突破。我国在2018年“十三五”规划中，明确了开展干热岩发电试验项目，相信在不远的将来，我国干热岩开发会突破现有困境，实现更大进步。

2 地热发电系统

2.1 闪蒸发电系统

闪蒸发电系统又称减压扩容发电系统，通过利用不同压力下水的沸点不同的原理将低压下地热水由液态转变为气态。其工作过程如图2（a）所示，从地热井开采出具有一定压力的汽水混合物通过管道输送至闪蒸器进行降压扩容，经扩容后的水通过管道回灌至地下，扩容后的蒸气经过除湿器除湿后经管道送入汽轮机做功，汽轮机排出的乏气经过冷凝器冷凝后输送至回灌井回灌至地下。根据地热水通过闪蒸器的次数不同可将其分为单级闪蒸系统和二级闪蒸系统。其中二级闪蒸系统是基于单级闪蒸系统的改进，其工作原理如图2（b）所示，通过将扩容后的水再次送入闪蒸器进行二次闪蒸扩容，扩容产生的蒸汽送入汽轮机低压端继续做功发电。

图2 闪蒸发电系统

闪蒸发电系统是地热发电最常用的发电系统，该发电系统在正常运行时，分离出的卤水包含有一些高浓度溶解性矿物质，若是与地表或地下水混合会产生较为严重的水污染，二级闪蒸发电站废弃卤水浓度一般比单级闪蒸电站更高。为防止水污染需要将废水进行回灌，回灌能够有效恢复储层中的流体，也能维持储层的压力。单级闪蒸发电系统结构简单，便于制造，但是转换效率低；二级闪蒸发电系统设备复杂，但转换效率在相同热源条件下相比单级闪蒸可以提高20%～30%，使用单级还是二级闪蒸发电系统取决于地热资源特性、地热电站经济性和设备损耗性等因素。

2.2 干蒸汽发电系统

干蒸汽发电系统是指从地下开采出来的地热流体以干蒸汽为主的发电系统。其工作原理如图3 所示，首先将地热井抽出的干蒸汽通过净化分离器过滤掉直径较大的固体颗粒，然后送入汽轮机进行做功发电，最后由汽轮机排出的乏汽经过冷凝器、冷却塔回灌至地下，其所用设备与常规火力发电厂相同。该发电系统主要针对参数较高的干蒸汽地热田，具有安全可靠，对环境影响小等优点，一般适用于高温地热能。比较图2 和图3 可以看出，干蒸汽发电系统与闪蒸发电系统非常相似，不同之处在于干蒸汽发电系统使用净化分离器代替了闪蒸器，发电过程仅使用蒸汽，不产生任何含矿物质的卤水，因此对环境造成的影响低于闪蒸发电系统。目前，全球共有63座干蒸汽地热发电站，主要集中在美国、意大利和日本等国家，装机容量约占全球地热总装机容量的22%［13］。

图3 干蒸汽发电系统

2.3 双工质发电系统

双工质循环发电系统采用低沸点有机工质作为循环工质，地热水不直接参与热力循环循环中，按照循环工质的不同又可分为有机朗肯循环系统（organic Rankine cycle，ORC）和Kalina 发电系统。ORC 发电系统是采用低沸点有机工质，如卤代烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCS)、氢氟烃(HFCs)、烷烃(HCs)、有机氧化物和环状有机化合物等。工作原理如图4 所示，低沸点有机工质通过换热器与地热流体进行热量交换完成预热和蒸发，再通过汽轮机做功发电，最后通过冷凝器冷凝后经工质泵回到换热器完成循环。低沸点有机工质多数属于易燃易爆品，对设备密封性要求更高。

图4 有机朗肯循环发电系统

Kalina 循环采用氨水混合物作为循环工质，在较低温度下会蒸发出氨气使得循环溶液中氨水混合物组分产生改变，导致沸点温度变化。氨水混合物在蒸发器中与地热水进行热量交换，产生气液混合物后进入分离器气液分离，分离出的饱和氨蒸气送入汽轮机膨胀做功，驱动发电机发电；分离出来的氨水送入回热器回收热量。汽轮机排出的乏气送入冷凝器凝结成氨水，在通过工质泵送入蒸发器进行再次循环。

双工质发电系统在地热发电中应用广泛，具有设备紧凑、汽轮机尺寸小、运营成本低等优点。当地热储层温度较低时使用闪蒸发电系统投入大、效率低，双工质发电系统不仅可以利用85℃～170℃的地热流体，而且在循环过程中，由于地热流体与电力生产设备之间没有直接接触，所以可以有效防止发电设备腐蚀结垢［14］。该发电系统能够利用中低温地热资源的低品位能源，推动汽轮机做功发电，合理利用中低温地热资源。

2.4 增强型地热系统

增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems，EGS）指通过水力压裂等技术手段在岩石中建造裂隙，形成岩石与流体的换热空间，完成人工地热储层的建造，一般应用于干热岩地热资源。EGS 发电过程是通过注水井将冷水加压建造人工热储，冷水渗透岩层裂缝与高温岩体接触吸收热量，再由生产井将热水或水蒸气提取至地面，通过换热器完成换热。我国干热岩资源丰富，但目前仅停留在勘探开发阶段。2015年5 月，中国地质调查局组织在福建漳州实施了我国首个干热岩科学钻井，这标志着我国国家级干热岩实践正式拉开序幕。2017年，河北煤田地质局水文地质队实施了干热岩预查项目，钻井井深4000 m，温度为110℃。随后，我国在青海共和盆地3705 米深处成功钻获236℃高温干热岩，有望在2035 年成功建设一到两个干热岩示范工程，实现干热岩发电。2021 年6 月河北省唐山市马头营凸起区干热岩开发关键技术研究与示范项目实现了干热岩试验性发电，这是我国首次实现干热岩试验性发电。

3 地热能发电现状

3.1 国外地热能发电

据国际地热协会公布的统计数据，截止2020 年底，全球地热发电国家共有30 个，地热发电装机容量达到15.95 GW，全球用于电力项目的地热钻井总数为1159 口，总投资103.67 亿美元，装机总容量相比2015年增长约27%［15］。美国是世界上地热资源量和发电量最大的国家。据美国地热协会公开的数据显示，2019 年美国共有94 座地热发电厂，地热发电装机容量为3.7 GW，相比2015 年增长了7%～10%，地热发电装机容量约占全国可再生能源的2%，发电量约占全国总发电量的0.4%［2］。

印度尼西亚地热潜力约为29 GW，是仅次于美国的世界第二大地热发电国。截止2019年底，地热发电总装机容量达到2.3 GW，预计到2025 年总装机容量将达到7.24 GW，2030年达到10 GW；尽管印度尼西亚政府努力加快地热开发的步伐，但因为回报率不高、高风险的购电协议以及环境和政策等问题使得预期目标的实现具有很高的不确定性［2,16］。

土耳其是世界上第6 个利用地热发电的国家，自1960 年开始地热勘探以来，共发现地热田460 个，地热发电潜力约为4.5 GW，截止2020 年12 月，已建成56座以中高温地热发电为主的发电厂，总装机容量为1.66 GW［17，18］。2005 年土耳其的地热发电装机容量在世界排名第15位，现已位居世界第四，增速突飞猛进。

肯尼亚在2015 年至2019 年间，地热发电总装机容量增长218 MW，是全球地热发电装机容量增速最快的国家之一，其总装机容量为865 MW，占肯尼亚发电总装机容量的29%；其中还有装机容量为188 MW的地热发电项目仍在建设之中，140 MW 地热发电项目已经获得了资金支持但尚未建设［19］。

新西兰有129 个已确定的地热田，其中14 个在70℃～140℃范围内，7 个在140℃～220℃范围内，15 个在220℃以上；总装机容量约1.06 GW，年发电量7474 GWh，约占全国电力供应的18%［20］。

截止2019 年底，意大利共有37 座发电厂，分布在lardarello、Monteamia 和Travale-Radicondoli 三个主要区域，地热发电装机总容量为915.5 MW；在建项目20 MW 蒙泰罗通多发电厂于2018年完成地面勘探，2019年进行钻探工作，但尚未找到公开资料证明该电厂已经成功并网发电［21］。

2015—2020年，土耳其、印度尼西亚、肯尼亚等国家带动了全球地热发电装机容量的增长。据国际能源署可持续发展情景（SDS）的发展目标，到2050 年，全球地热发电装机容量将增至150 GW。表2 为地热发电装机容量排名前10 的国家，主要数据来自2015—2020世界地热大会更新报告。

表2 2020年地热发电装机容量排名前十的国家

3.2 中国地热能发电

在20 世纪70 年代初，广东丰顺县邓屋村首次使用91℃地热水发电成功，中国成为世界上第8 个利用地热发电的国家，之后我国又陆续建设了河北怀来、江西宜春、山东招远等6个中低温地热电站，但目前只有广东丰顺邓屋3号机组还在运行中。

1977 年，为解决西藏人民的用电问题，西藏羊八井高温地热电站投产，由小型火电机组改装成第一台试验机组，机组容量为1 MW。该地热电站采用闪蒸发电系统，地热流体为湿蒸汽，总装机容量为25.18 MW，自1977 年开发利用以来，累计发电量已达到34.11 亿KWh，在拉萨电网中的负荷占比曾高达60%，减少二氧化碳排放340万吨。羊八井地热电站是我国第一个利用水热型地热资源进行直接发电的大型工业试验电站，也是目前我国唯一商业运营的地热电站，同时还是世界上第一座利用第四系浅层热储进行工业性发电的电站，被称为世界屋脊明珠。据公开资料报道，羊八井地热电站所用设备中有88%为国产设备，该电站建成对于改善西藏电源结构和推动中国地热产业的发展具有重要意义。

自羊八井地热电站之后，我国地热发电基本处于停滞不前的状态，1983 年西藏阿里地区建成2 台装机容量为1 MW 的朗久地热电站，后由于发电量不足于1988 年停运；1993 年，西藏那曲建成装机容量为1 MW 的地热发电站，后因为管道结垢严重于1998 年停运。2018 年10 月，位于西藏自治区当雄县格达乡南部羊易地热电站一期16 MW 地热发电机组实现并网发电并顺利通过72 小时满负荷试运行。是我国首次实现100%回灌的地热电站，同时也是世界上海拔最高、国内单机容量最大的地热电站；年发电量可达1910.5 MWh，上网结算电量1677.2 MWh 时，每年可减少二氧化碳排放21万吨。

近几年，地热发电也逐渐引起了人们的重视，表3为我国地热电站统计表，据公开资料报道显示，2017年云南瑞丽实现了4台400 kW 机组发电，四川康定也新增200 kW 地热发电容量，河北献县试验成功了280 kW 地热发电。合理开发利用地热资源，不但可以减少化石燃料的使用，还能推动我国地热产业的发展。

表3 中国地热电站统计表

4 展望

近年来，我国地热能利用方式主要以直接利用为主，随着地热发电关键技术不断突破，地热开发利用逐渐向地热发电方向延伸。地热发电就是将地下热能提取出来转换成可供使用的电能，在发电过程中几乎零排放，相比火力发电、水力发电更具有竞争力。结合我国地热资源分布来看，分布在地中海-喜马拉雅山地热带上的四川、云南、西藏等地是高温地热资源主要分布地区，具有非常大的发电潜力；随着中低温地热发电在技术手段和设备研发取得突破，利用中低热地热资源发电持续增长；我国干热岩资源丰富，利用干热岩发电目前还在研发阶段，与西方国家相比发展缓慢。中低温地热发电以及增强型地热发电系统关键技术突破，将加快地热资源的开发利用，为构建我国清洁低碳、安全高效的现代能源体系作出贡献。

5 结论

（1）我国地热资源丰富，地热发电装机容量与地热资源量不相符，其主要原因是地热资源受地域影响严重。地热电站的建成不仅需要根据地热资源类型选择合适的地热发电系统，还要结合当地用电需求、电源结构等进行综合分析。

（2）地热资源温度决定采用地热发电系统类型，我国蒸汽型地热资源比较稀少，干蒸汽发电系统很难在我国推广；可以用来发电的水热型地热资源以中低温为主，高温为辅，故我国地热资源适合推广闪蒸发电系统和双工质发电系统；开发利用干热岩发电至今仍处于试验阶段，EGS 发电系统是未来地热发电研究趋势之一，开发潜力巨大。

（3）西藏地热发电产业经过发展，只开发利用了羊八井地热田、羊易地热田，结合西藏地区缺煤少电的情况，合理开发当地地热资源有助于缓解当地电力需求矛盾，改善电源结构。