世界地热能开发利用现状与展望

　　提要：地热能作为一种零碳、清洁能源，其开发利用对于碳中和具有重要价值。2015-2020年，全球新增地热发电约3649GW，增长约27%;地热直接利用总装机容量增长52.0%。两者之和，所用热能比2015年增长72.3%。全球每年地热直接利用可防止7810t碳和2.526亿tCO2排放到大气中。世界地热能发展呈现五大趋势：(1)发展非常规地热系统;(2)向海上地热资源开发进军;(3)降低钻探成本与石油热能协同生产;(4)加大浅层地热能的开发利用;(5)加强含水层热能储存技术研发。

　　关键词：地热能;地热发电;地热能直接利用;非常规地热系统;热能储存;碳达峰;碳中和

　　1引言

　　地热能是一种储量丰富、稳定可靠的零碳、清洁能源。大力开发利用地热能，对于推动CO2等温室气体减排，实现气候目标和经济可持续发展具有重要意义(张薇等，2019;蔺文静等，2013)。目前，地热资源已成为全球新能源利用的热点。本文重点介绍世界各国地热能发电、地热直接利用的现状，并对地热能开发利用的趋势进行了展望。其中世界范围内地热能开发利用数据主要是基于2020年在冰岛召开的世界地热大会。世界地热大会由国际地热协会(InternationalGeothermalAssociation，IGA)主办，是全球地热资源领域政、产、学、研各方面交流最新研究成果、最新进展的重要平台(中国科学报，2019)。

　　能源论文范例：地热勘查现状及新能源应用研讨

　　2世界2015-2020年地热发电概况

　　2015-2020年，全球用于电力项目的地热钻井总数为1159口，用于电力项目的地热总投资为103.67亿美元。列出了目前正在生产地热发电的国家或地区和几个被认为近期内有潜力进行地热发电的国家或地区(BeardsmoreG.,etal.2020;BoissavyC.，etal.2020;CareyB.,etal.2020;GoldbrunnerJ.E.2020;GrajedaE.C.2019;LahanM.,etal.2020)。

　　3世界地热能直接利用2020年回顾

　　地热能直接利用是最古老、最通用和最常见的热能利用形式之一。按地区和大陆总结了2019年世界装机热容量(MW)、年能源使用量(TJ/a和GWh/a)和容量系数。截至2019年底，全球地热直接利用的总装机容量为107727MW，比2015年增加52.0%，年复合增长率为8.7%。

　　年总能源使用量为1020887TJ(283580GWh)，比2015年增长72.3%，年复合增长率为11.5%。全球容量系数为0.300(相当于每年2628个满载运行小时)，比2015年的0.265和2010年的0.28有所增加，但与2005年的0.31和2000年的0.40相比有所有所下降。总结了过去30年地热直接利用装机容量和年能源使用量的增长率(Huttrer和Gerald，2020)。地源热泵的日益普及对地热能的直接利用产生了最显著的影响，据报道，2020年58个国家或地区直接利用地热能，高于2015年的48个国家或地区。

　　年装机容量增长1.54倍，复合增长率9.06%。这些机组的年能源利用量比2015年增长1.84倍，复合增长率为12.92%。这在一定程度上是由于报告数据更全面和地源热泵利用地下水或地面耦合温度的能力。地源热泵利用的前五个国家，按装机容量(MW和年能源使用量(TJ/a)依次是：中国、美国、瑞典、德国、芬兰。据估计，全球安装了646万台热泵设备，其中这五个国家占77.4%。

　　4地热直接利用形式

　　对1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的容量(MW)、能源利用(TJ/a)和容量或负荷系数(C.F.)数据，按地热的不同用途进行了划分。其中前6种地热能直接利用用途情况。曾试图区分开具体空间供暖和区域供暖，但这往往很困难，因为具体国家的报告没有作出这种区分。我们尽最大可能的估计结果是，区域供热占地热供热装机容量的91%，占年能源使用的59%。融雪在融雪/空调类别中占大多数(>90%)。“其他”是一个涵盖各种用途的类别，各国并未提供详细情况，但已知包括畜牧业、螺旋藻养殖和软饮料碳酸化等方面(LundJ.W.和FreestonD.H.，2001;LundJ.W.,etal.2006;LundJ.W.,etal.2011;LundJ.W.和FreestonD.H.，2016)。

　　4.1地源热泵

　　地源热泵是世界上地热利用最广泛的形式之一，按装机容量计算占总量的71.6%，按年能源使用量计算占总量的59.2%。装机容量为77547MW，能源使用量为599981TJ/a，供热模式下的容量系数为0.245。尽管大多数热泵安装在北美、欧洲和中国，但安装热泵的国家或地区数量已从2000年的26个增加到2005年的33个，2010年的43个，2015年的48个，2020年的54个。所安装的12kW机组当量(美国和西欧的典型家庭)的热泵数量约为646万台。这比2015年的装机数量增加了54%，是2010年的两倍多。然而，单个单元的装机容量从住宅用的5.5kW到商业和机构设施用大型单元的150kW以上不等。

　　在美国，除北部各州外，大多数机组的规模都是针对峰值冷负荷的，并且对于供暖来说规模过大：因此，估计平均每年只有2000个等效的满载供暖小时(容量系数为0.23)。在欧洲，大多数机组都是按热负荷来设计的，并且通常按化石燃料的峰值来提供基本负荷。然而，其中一些机组的运行时间可能达到每年3000个等效满载供热小时(容量系数为0.34)，例如在北欧国家(特别是芬兰)。

　　根据平均绩效系数(COP)3.5，用装机容量推断热泵的能量使用量(若未报告)，这允许一个单位的能量输入(通常是电)产生2.5个单位的能量输出，地热组件的额定容量为71%(即(COP-1)/COP=0.71)。在这种情况下，冷负荷不被视为是地热，因为热量被排放到地下或地下水中。然而，冷却在替代化石燃料和减少温室气体排放方面有着重要作用，因此将在后文加以讨论。装机容量(MW)最大的国家是：中国、美国、瑞典、德国和芬兰，占世界总量的77.4%;所生产能源(TJ/a)的主要国家也是这五个国家，占世界总量的83.5%。

　　5利用地热节省了多少化石能源?

　　地热是一种可持续和可再生能源的无碳“国产”能源，可以替代其他形式的能源使用，特别是化石燃料。对许多国家来说，地热能减少了其对进口燃料的依赖，对所有国家来说，地热能意味着消除碳颗粒和温室气体等污染物。本文试图量化使用地热能对化石燃料的节省，如果用于发电，则效率系数为0.35，如果直接用于产生热量，如在熔炉中，则效率系数为0.70。使用2020年地热直接应用消耗的1020887TJ/a能源，每桶燃料油为61.5亿焦，燃料用于发电，则每年可节省4.74亿桶或6440万吨石油。

　　4.74亿桶相当于1.6天的全球石油消费量。利用美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室等的数据，碳、CO2、SOx、NOx将实现以下能源节省(表10)。与用电相比，天然气、石油和煤炭的碳排放量分别为20.32t/TJ、86.81t/TJ、100.82t/TJ，总碳排放量分别减少约1481万t、6338万t和7362万t。同样，在用天然气、石油和煤炭发电时，分别用193kg/MW时(53.6t/J)、817kg/MW时(227.0t/J)和953kg/MW时(264.7t/J)排放CO2，可减少CO2排放量5427万t、2.2988亿t和2.6807亿t。利用天然气、石油和煤炭发电的SOx的减排量分别为33万t、139万t和151万t，NOx减排量分别为1406万t、4222万t和4576万t。

　　如果通过燃烧这些燃料产生热量，那么碳、CO2、SOx、NOx的排放量将是这些数值的一半。同样，由于用于取暖和发电的是混合化石燃料，因此实际减少的排放量将介于这些数值之间(GoddardW.B和GoddardC.B，1990)。如果考虑地源热泵冷却方式的减排，这不是地热，那么这相当于每年额外减少约1.22亿桶(1810万t)燃料油，以及燃烧燃料油发电产生的1550万t碳污染。这假设每年用于冷却的能量大约是用于加热模式的一半。表10汇总了上述数字。

　　62015-2019年间钻探的地热井数

　　据报道，2015-2019年，42个国家或地区钻探约2647口地热井用于地热发电和直接使用。这些数字不包括浅层热泵井，但可能有大约20000口井深达100m。这一数字比2010-2014年增长3.6%(也是42个国家或地区)，平均63口井。超过100多口地热井的国家包括中国、土耳其、肯尼亚、印度尼西亚和哥斯达黎加(按降序排列)。从井的类型来看，发电井占43.2%，直接利用井占40.5%，热电联产井占8.7%，研究井或梯度井占7.6%。42个国家或地区的地热钻井总深度为4,464km，平均1.69km，而2010-2014年每口井的平均钻井深度为4.30km;然而，直接利用地热井的平均深度将更小。在此期间地热井钻探超过100km以上的国家包括：中国、肯尼亚、土耳其和印度尼西亚(按降序排列);中国钻进总进尺1624km。

　　7结论

　　(1)全球地热能分布广泛，地热发电与地热能直接利用呈明显上升趋势。2020年世界地热发电总装机容量为15950MW，比2015年增加约27%。截至2019年底，全球地热直接利用的总装机容量为107727MW，比2015年增加52.0%;年总能源使用量为1020887TJ(283,580GWh)，比2015年增长72.3%。

　　(2)地热是最重要的洁净能源之一，是未来碳中和首选能源。未来应加强非常规地热系统相关研究，采用新技术降低钻探成本并实现石油热能协同生产，加大浅层地热能的开发利用，加强海上地热资源开发与含水层热能储存的技术研发，扩大地热能开发范围，提高地热能利用水平。

　　(3)加强地热勘探、开发、利用技术研究，制定有效的扶持与监管政策，积极开展跨部门合作，实现产学研结合。同时要加强监测，注重节能与环保，使地热产业链进入良性循环，实现可持续发展。

　　作者：马冰，贾凌霄，于洋，王欢