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中科院使用热管技术开采地心能干热岩,

中科院使用热管技术,开采干热岩,从而开启了“地心能”能源利用的新时代。

“地心能”可以取代传统的煤、石油、天然气等传统化石能源吗?

头图

如果需要得到这个问题的答案,首先需要确定“地心能”这个概念的内涵和外延。

但是,目前关于地球的能源,有很多不同的词汇,这就包括了,浅层地表热能、地热能、干热岩、海洋热液、海水热(冷)等。

地热能:地球上的热能被开发使用的历史进程中,根据自然资源的现状以及科技进步的发展,首先开发的是“地热能”,地热能实质主要指在地壳中的所储存的热水应用,有些区域存在自然流到地表的热泉水;更进一步的,也可以将地下热水抽到地表上进行使用。这就是最早的地热能的利用。

浅层地表热能:随着科技进步,特别是热泵技术在冬季供暖的市场需求,形成了”浅层地表热能”的使用,基本上是地下米以内的范围的地壳中的土壤热能的使用。

干热岩:主要是使用距离地表米至33千米的地壳中的岩石中的热能。地壳厚度变化较大:大洋地壳较薄,平均厚6千米,最薄处不到5千米;大陆地壳较厚,平均厚35千米,最厚处可达70千米(我国青藏高原),整个地壳平均厚33千米。岩石中没有水,所以称为干,但是岩石中温度在-度,所以称为热岩。干热岩热能的目前处于研发阶段。中科院的重力热管技术,在唐山及雄安区示范成功,将-米深的热能传输到地面进行应用。

海底热液:海底热液是在海底的地幔的热能的开发和使用。地幔的热液,“泄漏””或“交换”到海底,成为可以直接使用的热能。中科院已经完成了海底热液资源的勘探。

全球海底热液的资源分布

海水热(冷):海水温度为1-24度,在米以下,温度就可以达到8度,随着深度的增加,温度可以达到1-2度。人类消耗大量的电能实现的制冷,其温度也就是10-16度,可以提供给室内18-30度的温度。实质上,海底有“无穷大的”1-10度的冷液。只需要将这些冷液进行利用,就不需要消耗大量的电能进行制冷。另外,利用1-24度的温差,实现的海水温差发电,也是海水热(冷)利用的方案。

海水深度和温度

以上的不同概念,是在历史的开发过程中形成的固有词汇,因而他们是独立使用的词汇。

但是,根据热能由地下到地表后所取得的热能的温度,形成了不同的利用方式:

(1)~℃直接发电及综合利用;

(2)~℃双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工;

(3)~℃双循环发电,供暖,制冷,工业干燥,脱水加工,回收盐类,罐头食品;

(4)50~℃供暖,温室,家庭用热水,工业干燥;

(5)20~50℃沐浴,水产养殖,饲养牲畜,土壤加温,脱水加工。

为了提高利用效率,也采用梯级开发和综合利用的办法,如热电联产联供,热电冷三联产,先供暖后养殖等。

以上的1-3是采用地热能、干热岩、海洋热液可以取得的温度,而4-5是采用浅层地表热能所取得的温度,目前1-24度海水热(冷),还没有开发和利用。

从历史进程来看,地热能的内涵是指地壳内存在的热水或热流体的热能,以后出现的各种的词汇或技术,代表了不同的时代和技术。可以预期,随着技术的发展,可能还将出现目前没有包括的新技术。

因而,简单使用“地热能”来代替以上的所有的名词和技术,将存在严重的偏差和混淆。

如果使用“地热能”这个词汇来代表所有的技术,那么以前的地壳中的热水或热流体的热能该使用哪个名称?

同样的问题,地热能包括“海底热液”吗?

因而,为了避免以上概念的内涵及外延的存在的混淆,因而,作者在以前的文章中,已经提出:

地心能=地壳能+海洋热能+地幔能

地壳能=浅层地表热能+地热能+干热岩

海洋热能=海洋热液+海水热(冷)

海洋热液是温度-度的热液,海水热(冷)是1-24度的海水的热能的应用,如海水温差发电。

地幔能是从陆地和海洋对地幔热能的开发和利用,由于从海底直接开发和使用地幔的热能比较容易,因而可以首先从海底开发地幔热能开始起步。

因而:

地心能=浅层地表热能+地热能+干热岩+海洋热液+海水热(冷)+地幔能

因而地心能的开发和利用,在理论上,还有很多的工作需要进行。最基础和最重要的工作是首先完成概念的确定和统一。

以上谈及了理论创新所需要的进行的工作,但是技术也需要不断地创新。

从技术的进程及成熟度的角度来看:

浅层地表热能(热泵):米以下深度的技术已经非常成熟。

地热能(发电):抽水发电的技术也属于成熟技术。

干热岩:研发阶段。

海洋热液+海水热(冷):研发阶段。

地幔热:研发阶段。

浅层地表热能(热泵)及地热能(发电)的应用,技术完全成熟,但是仍存在“是否回灌”问题。

如果持续将地下热水抽上来,不将这些水再次灌入到地下,那就面临“地下水位下降”问题。

北京已经出现了类似问题,因而要求必须将抽出来的地下水进行回灌。

因而河北省曾经被迫关停0多眼地热井,因为有开发商没做回灌。

但是回灌也存在“污染”及“成本”的问题。

因而,中科院的重力热管技术,被列为“变革性洁净能源关键技术与示范”,可见采用重力热管,只取热不取水,解决了现有技术存在的问题,因而也是地心能利用最低碳和经济的方案之一。

河北唐山海港经济开发区马头营干热岩地热深井取热试验现场

但是“唐山年0米井底度,也是利用重力热管取热,地面可以取得最高90度饱和水蒸汽,热功率近kW。但是与其他开发技术方案相比,井的深度增加了2.3倍,温度高了2.1倍,但取热功率却只有其他技术(对流井)的七分之一”。

显然,重力热管技术,完美地解决了“地下水位下降”以及“地下水污染”问题。

但是重力热管技术,急需要提供效率和降低成本。

实质上任何的科技在走向工业化的过程,就是提高效益,降低成本的过程。

就是因为重力热管技术,克服了现有技术对地心能应用的技术问题,才被列入到中科院的“变革性洁净能源关键技术”。

重力热管干热岩开发成功

但是,重力热管技术任重道远,还需要更多的创新和规模化应用,才可以使“地心能”成功地取代传统化石能源。




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