文丨神奇的玛利亚

编辑丨神奇的玛利亚

前言

基于化石燃料的大容量电力系统在经济方面变得不那么可靠和稳定，在技术上更耗费劳动力并且对环境造成有害影响。

这些问题促使许多国家寻找通过绿色和可持续能源供应电力的方法。来自水能、太阳能、风能、生物质能和地热能等可再生能源的电力被称为绿色和可持续能源。

地热能不仅可用于发电，还可用于产生环保热能。截至2018年底，全球地热累计装机容量超过13GW，产生能量约630petajoule。

根据发电厂的类型介绍地热能源资源，发电原理及世界地热资源利用现状．还考虑了地热能在经济和环境方面的优势和劣势以及克服缺点的手段等问题。地热产业发展的主要障碍包括资源和勘探风险高、总体开发成本特别是钻探成本高以及融资和赠款支持不足。

地热设施的全球平均电力成本接近0.072美元/千瓦时，而陆上风电为0.056美元/千瓦时，水电为0.047美元/千瓦时。该技术与其他可再生能源相比更具竞争力，例如聚光太阳能和海上风能。

干蒸汽设备

干蒸汽设备是简单且更高效的GPP类型。这种类型的发电厂于1911年首先在意大利部署用于发电。但是，干蒸汽发电厂的可用性较低，因为蒸汽应该从世界上为数不多的以蒸汽为主的水库中产生。

为了提供高效率的涡轮机，在蒸汽相中流体分数的扩展期间，蒸汽冷凝被最小化。通常，现代干蒸汽设备的等熵效率约为85%。根据提取这些电厂最大效率的可行性研究，发电量应至少为1MWe。

以蒸汽为主的源应更靠近地表，以将热水升高至沸点。地热流体源上方应该有足够的开口，通过显著降低液位，让蒸汽在很长一段时间内下降到地表。

干蒸汽发电厂示意图。干蒸汽发电厂的运行基于以下原理，来自地热生产井的水和蒸汽流通过阀门传输到涡轮机，并通过将热能和动能转化为电能来旋转蒸汽涡轮机。

闪蒸装置

目前，大多数GPPs都是闪蒸汽工厂。他们使用具有混合源即以蒸汽和液体为主的地热储层来发电。这意味着蒸汽和水的温度和焓值低于临界点。因此，闪光灯一般都是将地热能转化为电能的基本途径。在该系统中，使用压力系数基本损失的圆柱形气旋压力罐将蒸汽与水分离。然后，干蒸汽离开分离器，流向动力室并带动汽轮机旋转。定义闪蒸流体的蒸汽质量如下。

与单闪蒸蒸汽不同，在双闪蒸蒸汽中，流体的闪蒸过程应用于两个分离器。尽管这些设备更昂贵且更耗费劳动力，但它们比单闪速设备更可取，因为它们在相同状态的流体储层中多产生15-25%的电力。

流体从油井流向高压闪蒸分离器，蒸汽从混合流体中分离出来，并通过管道输送到两级涡轮机。

另一部分——盐水液体被节流到第二个分离器。在像第一个一样的低压分离器中，部分沸腾的液体再次分离成蒸汽和水。蒸汽被引导到低压涡轮机通过保持冷凝器中的压力，来自低压涡轮机的蒸汽使用喷洒的冷水进行冷却。将水以及来自冷凝器的冷水重新注入注入井。

基本地热二元系统的标准工作机制可以概括为：当地热卤水被泵送通过生产井时，在经过初级循环的不同组件后完成热量提取过程。地热流体最初通过除砂器过滤，通过热交换器，即蒸发器/汽化器和预热器，最后通过注入井泵回储层。

在二次循环的另一侧，加压的工作流体在预热器中变成沸腾状态。然后它作为饱和蒸汽离开汽化器，随后在驱动发电机的涡轮机中膨胀。离开涡轮机的低压工作流体蒸汽最终在ACC中冷凝并泵送回汽化器，关闭循环系统并不断重复该过程。低沸点工质的热力过程始于它以饱和蒸汽状态膨胀进入涡轮机，并在它通过冷凝器冷却并被抽回到热交换器时完成。再次以饱和蒸气形式出现。

对于高焓场，地热ORC的效率可高达23%。循环配置在二元发电厂的热力学中起着关键作用。最近开展了许多性能和优化研究，以检查ORC地热发电设施的最佳配置以及ORC中最佳工作流体的调查。

研究人员调查了二元地热发电厂ORC的三种配置的性能简单ORC、再生ORC和带内部热交换器的ORC。得出的结论是，从热力学角度来看，优于其他配置，而简单的ORC具有最高的净输出功率值。二元循环的2级设计产生更高的净电力输出以及热效率和火用效率。

世界地热发电现状

截至2018年底，全球地热发电累计装机容量13.28吉瓦，年发电量约86太瓦时。地热资源对部分地区的电力生产贡献巨大，2018年，新西兰17%的电力生产和冰岛31%的电力生产由地热提供。到2020年，全球新增地热容量估计为300兆瓦。

印度尼西亚和土耳其引领了新的发展，分别为这两个国家增加了145兆瓦和70兆瓦的容量。预计到2022年，该技术的全球总容量将达到16.5GW。

虽然美利坚合众国在地热发电能力方面一直位居世界前列、土耳其、肯尼亚、印度尼西亚和菲律宾将负责大部分技术增长，并在2022年以后继续引领产能增加。描绘了主要国家/地区的地热发电累计容量和增加量。

地热技术的开发主要取决于资源潜力和经济考虑，但一般来说，全球大多数现有地热设施都使用闪蒸或干蒸汽技术。

在全球范围内，双循环技术是近年来发展最快的技术，部分原因是相对低温资源的利用率不断提高。直接利用，即地热能技术的热能消耗是利用地下热能的常见和通用形式之一。到2018年底，全球直接使用部门的地热发电总装机容量估计为26GWt。

地热直接利应用分布分类为热泵58.8%，沐浴和游泳18%，空间供暖16%，温室供暖3.5%，工业应用1.6%，水道供暖和养殖池塘1.3%，而其余部分用于其他应用，例如农业干燥和融雪和冷却等。

地源热泵是全球地热利用最多的地区，到2020年占年能源使用量的59.2%和装机容量的71.6%。地热热泵的装机容量接近77,547MWt，主要建在北美、欧洲和中国。单个系统的规模范围从用于住宅安装的5.5kW到用于商业和机构单位的大于150kW。

欧洲的大多数热泵系统都是根据供暖负荷来设计的，这些供暖负荷是为满足基本负荷而设计的，随着化石燃料的激增。在芬兰，其中一些机组达到了每年高达3,000等效满负荷供暖小时的运行，即容量系数为0.34。

空间供暖，包括区域供暖和个人空间供暖，目前装机容量为12,768兆瓦，年能源使用量为162,979太焦/年。就年能源使用量而言，领先的是土耳其、俄罗斯、日本、美国和瑞士，约占世界个人空间供暖的75%，占世界区域供暖总使用量的近90%。

深度直接使用或所谓的级联使用提供了大规模可行的系统，通过多种用途优化低温资源的价值流，从电力生产到直接冷却和加热、商业和工业应用等。提供装机容量系数的摘要，以及2020年各种直接使用类别的领先状态。

地热能的经济和环境影响

除了用于生产电能外，地热能还可用于各种热应用，包括工业热输入和空间加热。地热水对健康和福祉非常有益，可以治疗关节炎和皮肤病。利用地热资源的热回注卤水生产淡水和矿物也是一种可行且经济的选择。

地热能源通过在跑道和直升机场供暖等军事设施中的开发以及热泵的广泛应用，提高了国家的安全和防御。鉴于上述优势，许多国家为使用该技术提供了激励措施。瑞士将地热发电上网电价从每千瓦时0.48美元提高到0.54美元。

然而，地热产业发展的主要障碍包括资源和勘探风险高、总体开发成本特别是钻井成本高、项目交付周期长、融资和赠款支持不足相关的经济风险，以及缺乏明确的政策和监管构架。例如，印度尼西亚未能实现其2018年加速地热投资的目标，这主要是由于开发商的钻探延误。

COVID-19危机引发的经济衰退极大地影响了技术进步，即使对于近年来未出现显着增长的意大利、美国和新西兰等地热能先驱用户也是如此。全球危机导致融资等战略决策的推迟，以及材料和机械全球供应链的中断。据报道，有关地热资源的更好数据的可用性有助于吸引新投资者和开发新项目。

地热发电机组每兆瓦成本高达700万美元。表5列出了全球范围内的电力成本及其各种技术的加权平均值。可以看出，可再生能源技术正在与化石燃料竞争，而地热项目紧随其后。由于其对相对低温资源的充足性以及对电力和热力的适用性，地热二元技术的主要参与者包括意大利、美国和意大利，三菱重工的子公司日本。

许多国家的人口增长和经济发展需要增加对电能的需求。另一方面，满足未来对电能社会的需求，在提供能源可持续性并显着减少对环境的负面影响的同时，应考虑不可再生资源的局限性。在这种情况下，可再生能源的作用应成为优先事项。

地热能是可持续和环保的能源之一，它具有很高的使用率和可靠性地热干蒸汽和闪蒸发电厂利用中高热焓地下源发电，地热二元发电系统适用于低地下热源发电；通常，入口温度范围在80到170°C之间。

结语

二元地热系统中的二次工作流体以常规排序循环运行。工作液的主要特点是沸点低。为了获得地热二元设施的最佳热力学性能和效率，应优化循环的配置和工作流体的类型。使用有机工作流体的二元朗肯循环已经证明了它的效率和实用性。已报道的二元地热发电厂ORC配置包括简单ORC、再生ORC和ORC-IHE。

除了标准的二元地热发电系统外，地热能转换系统的高级配置也得到了很好的研究。它们包括混合单闪和双闪系统、混合闪-双星配置和混合化石地热技术。将地热发电厂与生物质、燃料电池、风能、太阳能系统和WTE技术相结合的混合动力系统的开发也引起了广泛关注。

据报道，与单闪和双闪循环相比，二元ORC电厂的热效率和输出功率最高。另一方面，与双闪对应物相比，单闪/ORC集成循环提供最高的能量和火用效率。

全球地热发电累计装机容量为13.28吉瓦，预计到2022年全球地热发电装机容量将达到16.5吉瓦。美国地热发电装机容量一直位居世界前列。，土耳其、肯尼亚、印度尼西亚和菲律宾将负责大部分技术增长，并在2022年以后继续引领产能增加。

尽管全球大多数现有地热设施都使用闪蒸或干蒸汽技术，但二元循环技术已经是近年来发展最快的技术。地热能直接利用技术是地热利用的常见形式之一。

参考文献

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