地热发电：从地球核心温度到清洁能源
地热发电：从地球核心温度到清洁能源
地球内部蕴藏着巨大的热量，这些热量主要来源于地球形成初期的残留热量以及放射性元素的衰变。从地表向下，温度随着深度的增加而升高。在地表以下40-50公里的范围内，每向下1公里，温度就会升高20-30℃。这种温度梯度随着深度的增加会逐渐减缓，到了地幔深处，温度升高速度进一步降低。据科学家估算，地球外核与地幔交界处的温度约为3000℃，而地心的温度更是高达6000℃。
这些深藏于地球内部的热量，通过热传导和热对流的方式，缓慢地向地表传递。在这个过程中，地壳中的断裂带和裂隙起到了关键作用。当地下深处的热水和蒸汽沿着这些通道上升到地表时，就形成了我们所熟知的温泉、间歇泉等地热现象。
地热能的形成是一个复杂的过程，它需要三个基本要素：热源、储层和断裂。热源主要来自地球内部的熔融岩浆和放射性物质的衰变；储层则是指能够储存热水和蒸汽的岩层；断裂则为热能的传递提供了通道。当这三个要素完美结合时，就形成了一个完整的地热系统。
地热发电的基本原理与火力发电类似，都是通过能量转换来产生电力。具体来说，地热发电是利用地下热水和蒸汽作为动力源，首先将地热能转换为机械能，再将机械能转换为电能。根据地热资源的不同温度和特性，地热发电主要有以下几种方式：
- 一次蒸汽法：直接利用地下产出的干饱和蒸汽或从汽水混合物中分离出的蒸汽进行发电。
- 二次蒸汽法：不直接使用天然蒸汽，而是通过换热器将热量传递给洁净水，产生二次蒸汽用于发电。或者将高温热水减压扩容产生二次蒸汽。
- 混合蒸汽法：将地热蒸汽发电和地热水发电系统结合，形成联合循环地热发电系统。
- 双循环发电系统：使用低沸点的有机工质作为中间介质，通过地热水加热蒸发，推动涡轮机发电。
- 全流发电系统：直接利用地热水和蒸汽混合物进行发电，适用于中低温地热资源。
- 干热岩发电系统：通过人工压裂技术，在干热岩层中建立循环系统，注入冷水产生蒸汽用于发电。
地热发电具有许多独特的优势。首先，地热能是一种稳定可靠的能源，不受天气和季节的影响，可以24小时不间断供电。其次，地热发电的能源利用系数高达70%-90%，远高于其他可再生能源。此外，地热发电过程中几乎不产生温室气体排放，是一种非常清洁的能源。
近年来，全球地热能利用呈现出快速增长的态势。据统计，截至2020年，全球地热发电的总装机容量达到15.9吉瓦（GWe），年发电量为73550吉瓦时（GWh）。从2010年到2020年的十年间，地热发电的年平均增长率约为4%。在地热直接利用方面，中国长期保持世界第一的位置，地源热泵系统的装机容量和利用热量分别占全球总量的72%和60%。
地热资源在全球的分布并不均匀。高温地热资源主要集中在板块边界地区，如环太平洋带、地中海-喜马拉雅带、大西洋中脊带和东非裂谷带。这些地区的共同特点是地壳活动频繁，火山和地震较多，地热资源丰富。中低温地热资源则广泛分布在板块内部的造山带和沉积盆地中。
中国在地热能开发利用方面已经取得了显著成就。中国石化作为国内地热开发利用的领军企业，不仅在22座城市实现了百万平方米以上的地热供暖规模，还在全国72个市（县、区）建成了超过1亿平方米的地热供暖能力。特别是在雄安新区建设的地热供暖项目，被国际可再生能源机构列入全球推广项目名录。
2024年10月，中国石化在陕西咸阳成功实施了首个地热发电示范项目。该项目创新性地将低温发电、水溶氦气提取和供暖系统集成在一起，实现了地热资源的综合利用。项目利用一口3000米深的地热井，井口水温达到102℃，供暖季时进行低负荷发电，非供暖季则全时段满负荷发电。同时，项目还成功提取了地热水中的氦气，这是一种重要的战略资源，广泛应用于航空航天、科研、医疗等领域。
尽管中国在地热直接利用方面已经位居世界前列，但在地热发电领域仍面临一些挑战。例如，高温地热资源的勘探和开发技术仍需进一步突破，地热发电设备的国产化水平有待提高，相关政策支持和市场机制也需要不断完善。然而，随着技术的进步和政策的推动，地热发电在中国的发展前景十分广阔。
地热能作为一种稳定、清洁、可再生的能源，对于实现“碳达峰”和“碳中和”的目标具有重要意义。随着全球对可再生能源需求的不断增加，地热发电有望成为未来能源结构中的重要组成部分。中国在地热能开发利用方面的持续创新和突破，将为全球能源转型做出重要贡献。