书城科普读物青少年应该知道的能源
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第12章 地球体温——地热能

1.地下热宝——地热能

地热能属于可再生能源,由于它是来自地壳内部的热能,所以有“地球体温”之称。

地热来源主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。具体的地热能是指在当前的技术经济和地质环境条件下能够科学、合理地开发出来的,地壳岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。

地热能是由地壳抽取的天然热能,这种能量来自地球内部的熔岩,并以热力形式存在,是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达7000摄氏度,而在80至100千米的深度处,温度会降至650℃~1200℃;透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1000~5000米的地壳,热力得以被转送到较接近地面的地方;高温的熔岩将附近的地下水加热,这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法,就是直接取用这些热源,并抽取它们的能量。

地热能的能量是指离地球表面5000米深,15℃以上的岩石和液体的总含热量。目前地热资源勘察的深度可达到地表以下5000米,据推算全球储存的地热资源相当于5000亿吨标准煤的当量。

截至上世纪末,世界地热资源开发利用于发电的总装机容量为588万千瓦,地热水的中低温直接利用约相当于1137万千瓦。

2.热感地带——地热能的类型和分布

在世界范围内,地热资源非常丰富。由于各国分类的标准不同,地热能就有不同的类型。

按照储存形式,地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。

一般意义上,地热资源是按温度划分类型。我国把高于150℃的称为高温地热,主要用于发电;低于150℃温度标准的地热能叫中低温地热,通常直接用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等方面。

地热能在世界很多地区应用相当广泛。据估计,每年从地球内部传到地面的热能相当100PW·h(每1小时为10——6瓦)。不过,地热能的分布相对来说比较分散,开发难度大。

地热能集中分布在地球构造板块边缘一带,也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度,那么地热能便是可再生的。

世界地热资源主要分布于以下5个地热带:

①环太平洋地热带。世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界,即从美国的阿拉斯加、加利福尼亚到墨西哥、智利,从新西兰、印度尼西亚、菲律宾到中国沿海和日本。世界许多地热田都位于这个地热带,如美国的盖瑟斯地热田,墨西哥的普列托,新西兰的怀腊开,中国台湾省的马槽和日本的松川、大岳等地热田。

②地中海、喜马拉雅地热带。欧亚板块与非洲、印度板块的碰撞边界,从意大利直至中国的滇藏。如意大利的拉德瑞罗地热田和中国西藏的羊八井及云南的腾冲地热田均属这个地热带。

③大西洋中脊地热带。大西洋板块的开裂部位,包括冰岛和亚速尔群岛的一些地热田。

④红海、亚丁湾、东非大裂谷地热带。包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田。

⑤其他地热区。除板块边界形成的地热带外,在板块内部靠近边界的部位,在一定的地质条件下也有高热流区,可以蕴藏一些中低温地热,如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平原的地热田。

3.取精用弘——地热能的利用

人类很早以前就开始利用地热能,但真正较大规模开发利用地热能始于20世纪中期。世界各国在地热资源开发利用方面,大都经历了沐浴医疗、供热采暖和地热发电3个阶段。

地热还能直接用于采暖、供热和供热水,简单、经济。然而受区域地质条件限制,并不是任何地方都有可供利用的地热资源。在利用地热发电时,要挖地热井,可能会破坏自然景观。另外,地热的热水中可能会溶有重金属等有害物质,蒸气中可能会带有毒性的气体。

地热能的利用过程中,地热能可分为地热发电和直接利用两大类。

(1)地热发电

地热发电是地热利用的最重要方式,地热发电和火力发电的原理是一样的,都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能,然后带动发电机发电。所不同的是,地热发电不像火力发电那样要装备庞大的锅炉,也不需要消耗燃料,它所用的能源就是地热能。

目前,能够被地热电站利用的载热体,主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同,可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。

①蒸汽型地热发电

蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电,但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单,但干蒸汽地热资源十分有限,且多存于较深的地层,开采技术难度大。

②热水型地热发电

热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有闪蒸系统和双循环系统两种循环系统。

现在,世界上18个主要国家有地热发电,总装机容量5827.55兆瓦。其中,装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。我国的地热资源也很丰富,但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。

早在20世纪70年代初,我国就开始利用地热水进行发电试验。广东的丰顺是第一个用91℃热水,采用减压扩容方式发电成功的试点。随后在河北、山东、江西和湖南等省建起9台发电试验装置,最大的容量为300千瓦,最小只有50千瓦,利用的热水为66℃~92℃。目前,只有广东丰顺和湖南的灰汤两个电站仍在运行,从发电设备到运行技术均较简单,建站投资也不大。根据羊八井262℃流体参数的初步计算,一口井至少可供发电10兆瓦。

(2)地热供暖

将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。特别是位于高寒地区的西方国家,其中冰岛开发利用得最好。由于地热供暖没有高耸的烟囱,冰岛首都也被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。此外,利用地热给工厂供热,如用作干燥谷物和食品的热源,用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿酒、制糖等生产过程的热源也是大有前途的。

(3)地热务农

地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉农田,可使农作物早熟增产;利用地热水养鱼,在28℃水温下可加速鱼的育肥,提高鱼的出产率;利用地热建造温室,育秧、种菜和养花;利用地热给沼气池加温,提高沼气的产量等。

将地热能直接用于农业在我国日益广泛应用,北京、天津、西藏和云南等地都建有面积大小不等的地热温室。各地还利用地热大力发展养殖业。

(4)地热行医

由于地热水从很深的地下提取到地面,除温度较高外,常含有一些特殊的化学元素,从而使它具有一定的医疗效果:如合碳酸的矿泉水供饮用,可调节胃酸、平衡人体酸碱度;含铁矿泉水饮用后,可治疗缺铁贫血症;氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。

同时,温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地貌条件,使温泉常常成为旅游胜地,吸引大批疗养者和旅游者。在日本就有1500多个温泉疗养院,每年吸引1亿人到这些疗养院进行休养。

未来随着与地热利用相关的高新技术的发展,将使人们能更精确地查明更多的地热资源;钻更深的钻井将地热从地层深处取出,因此地热利用也必将进入一个飞速发展的阶段。