有關地熱開發利用的一些思考

我國對國際社會的“雙碳“承諾給各行各業的能源工作者帶來了壓力與挑戰，也帶來了通過能源技術創新，求經濟發展的一種動力。是”開源“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)，基于從業者的專長與經歷的不同會有不同的認識與結論。在此作者僅憑多年來在地熱開發利用方面的研究經歷談一些地熱未來發展的粗淺看法，歡迎同行們的批評指正。

實事求是，避免盲目的“樂觀”與“悲觀”

以往多數地熱報告中會提及地熱能的巨大儲量數字，而反觀其已被開發利用的數據難免不令人沮喪，其中的原因何在?我們是樂觀還是悲觀?這需要我們對地熱能及其特點有正確的科學認識。幾十毫瓦級的大地熱流值是太陽輻射能流的約10^4分之一，這與我們所期望的開發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千瓦的熱(冷)負荷，人們很少選擇太陽能實現冬季供熱。若將地埋管的取熱換算為來自大地熱流的補給，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關，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注鉆孔位置處地層的熱物性、水文滲流特征，以及結合用戶的冷熱平衡問題。而所謂“摸清家底”百公里尺度地質構造論證對其經濟性、技術可行性幫助甚微，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、火山噴發等地下活動可能已發生多次了，地球內部熱運動驅使的周期性或擬周期性地表構造變化是一個人類活動無法改變的事實。

“不忘獲取熱能初心,牢記為民服務使命”

導熱模式的地熱利用確實影響半徑小，影響半徑的大小也間接地反映出取熱功率的大小。以往的經驗告訴我們，若采取地熱水“采灌“動態平衡利用模式，取熱功率會增加幾個數量級，影響半徑也會由幾十米增加到幾百米。從這點可以看出，無論是深層干熱巖、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境，也不可持續。地熱能開發利用的核心問題或最大目標不是單純的打井、壓裂、增滲等技術工藝，而是如何利用更經濟的技術手段，將熱儲層內的熱能開采出來。所有的努力也應是如何克服在這一“取熱”過程中各種障礙，同時保持地下流體的總質量與壓力的動態平衡。換句話說，無論是地熱發電還是地熱直接利用，地熱能的開發利用應以獲得”熱“為最終目標，而非其它。

牢記如何通過技術創新，獲取可持續綠色“地熱“能源的同時，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。若以創造人居舒適溫度環境(18~24℃)目的來講，地熱能比其它任何形式的可再生能源都具優勢，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。但若利用地熱實現發電，與其它形式的可再生能源相比，目前為止尚不具備技術經濟優勢，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效率。因此，利用地熱能解決我國北方居民冬季供熱問題具有天然優勢，宜熱用熱，應是目前科研優先選項。我國建筑用熱統計數據表明，地熱能占比不到2%，即使個別地熱利用較好的地區或城市，地熱供熱占比也不過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，研發綠色環保地熱供熱技術應是我國地熱未來發展的重點。

因“地”制宜，追求“個性”創新

開發利用地熱將涉及的技術領域比較廣，包括：地質、地球物理化學、水文、鉆探、制造、熱工等多學科。所研究的科學問題涉及多幾何尺度、多時間尺度、多物理場與多相流傳熱傳質等。因此，要想獲取適用于某一熱用戶需求的最優設計，不僅要了解普適的共性規律，更應關注共性規律外的個性部分，只有做到真正的“量體裁衣”才能獲得地熱利用的技術經濟優化設計，才具有市場競爭力，地熱發展也才具有真正的生命力。與此同時，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境，誤導消費者，這對我們地熱的發展很不利。我們應當尊重客觀規律，避免出于各種商業目的的虛假宣傳，搶占標準制訂，無效專利注冊等內卷虛功。努力把握兩碳政策對地熱開發利用的利好機會，地熱研究成果應落實到實地，經得起時間的考驗、實踐的檢驗。

加強環保意識，提倡科學管理

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。無論是以”行政區域“劃分，還是以”地質構造區域“劃分，我們應加強區域熱儲的資源評價與管理工作，當然地熱學者更喜歡有物理邊界的后者。國家層面應頒布統一實施和管理標準，加強全民的地下環境保護意識，為綠色環保地熱開發利用創新技術提供適當的政策傾斜和資金支持。鼓勵多學科研究領域的產學研相結合，積極開展地熱開發利用領域的開挖鉆探技術、換熱取熱技術、人工智能和大數據管理技術等。近些年頻現的極端天氣迫使我們不僅要關注雙碳指標如何達成，也應關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會如何利用地球的自然熱，若如是，相信地球也會更健康。(文/戴傳山)

注：原文刊登于2021年7月《中國地熱》雜志