地热能：一种重要的能量来源？

  当热量产生点与消耗点较为接近时（约 10 公里）， 温度在50-120℃的含水层所含的热量可用于区域供热。当含水层温度超过 200℃时，这些热量可以转化为电能，从而允许在距离产生点更远的地方进行相关操作。目前，法国允许这种开发的资源储备只限于天然含水层。但近期研究结果表明，低渗透性热岩石的热量也可以被开发利用。届时，地热能开发可能会对国家能源生产做出相当重要的贡献。

1. 热量及其在地球上的传输

  纵轴代表深度，横轴代表地热田相对于菲律宾断层两个分支的相对位置。图示注入孔位于断层两个分支之间。[来源：普里奥尔（ Prioul） 等人， 2000 年[2]]（图 1WEST FAULT LINE 西断层线，CENTRAL FAULT LINE中央断层线）

  地热能指的是地球这台神奇的热力机器内的温度场。我们使用地热梯度来描述温度随深度的变化。在地壳中，根据位置不同，该梯度通常在 20℃/km 到 40℃/km 之间变化，但局部温度可能超过100℃/km，在某些区域甚至超过 300℃/km（见图 1）。

  温度的概念与热量有关，热量是一种能量形式，其传递会影响局部温度（ 详情可见文章：压强、温度和热量）。通过传导、对流和辐射三种不同方式发生的热传递之间是有区别的。

  辐射传热与光子运动有关，且仅在地球表面有意义。辐射传热对于地球内部的温度变化可以忽略不计。傅立叶定律[1]所描述的传导传热发生在热岩石与冷岩石接触时。热岩中的一些热量通过分隔两个物体的界面传导到冷岩中。此外，岩石大多具有多孔性和渗透性，其孔隙内通常含有流动的液体，从而传递热量。

  火山喷发提供了一个涉及传导传热和对流传热的例子（ 详情可见文章：工业水力压裂的挑战）。与熔岩流相关的热传递对应于对流传热： 火山喷发从岩浆室中排出的热量与喷发期间喷出的熔岩质量成正比。其中一部分热量被传送到火山管道的壁上， 并通过传导作用在其附近的岩层中扩散。

  热传递有两个相关概念特别重要： 比热容和热导率。比热容被用来估算一定质量的材料的相关热量。热导率描述了热量在没有物质运动的情况下如何从一个较热的单位转移到一个较冷的单位。例如，在静止流体中，由于流体本身的热导率，热量会从最热的区域传递到最冷的区域。然而，流体的密度和粘度取决于它的温度。因此，温度变化可以产生对流运动，其速度取决于粘度，而粘度又取决于温度。

  因此，为了充分了解温度随深度的变化，有必要认识各种流体运动， 并确认地球内部存在的热源。本文重点介绍了有关地球结构的一些基本概念，特别是回顾了具有固体力学行为的岩石圈和具有流体力学行为的软流圈的定义。

  很大一部分热源与地壳中天然放射性元素有关。此外，另一个重要的热源来自地球的初始形成，并与地核相关。因此，岩石圈底部的温度取决于影响下层地幔(即软流圈)的对流运动的相关热传递。

  在地壳深处，地热梯度主要取决于三种要素。首先，它取决于软流圈的热通量，即单位面积的热量(在国际单位制中以瓦特/平方米表示)。其次， 它取决于上地幔中热导率和天然放射性元素产生的热量。最后，它取决于地壳中热导率以及地壳中的天然放射性。对于地壳最表层的部分，岩石多孔空间中存在的流体可能发生显著的对流运动。这些直接影响区域温度场。正是这样的对流区可以成为浅层温度非常高的地方(例如菲律宾莱特岛 900 米深度的温度为 300℃，见图 1)。应该注意的是，当流体中的压力足够低时，它可以同时以液相和气相存在(例如，液态水中存在水蒸气气泡)。除了已经提到的多种热量外，还必须考虑与液气相变过程中各种变化有关的潜热。

2. 地表附近的温度变化

  地面的温度取决于局部地区发生的不同热交换，如图 2 所示(图 2，[3])。

  这些机制如下:

1. 蒸散发（Et），
2. 吸收的太阳辐射（Ri），
3. 大气辐射（Wa），
4. 地面辐射（Ws），
5. θs 温度下的地面和 θa 温度下的大气之间的对流交换项(h[θs-θa])，
6. 深源热通量。

  实际上，观测表明，除火山外，与其他热源相比，深层热源的热通量一般可以忽略不计。因此，地面温度与空气温度相差不大(几度)。太阳辐射的变化导致地面温度的变化，这与日或季节变化有关。

  特别是由于它们的热传导，这些温度变化会在下层土壤中传播。因此，仅因传导作用，日变化会影响到土壤表层 15 厘米的温度。年变化意味着会使表层 3 米的温度发生变化，而长期变化可以影响到表层 30 米的温度。在 1 万年的尺度上，温度变化通过传导作用会影响到地下 300 米的温度。因此，根据与流体循环有关的扰动影响，可以在热剖面(地热梯度随深度的变化)深达 400 至 500 米的地方找到末次冰期(约 20,000 年前的最盛期) 的痕迹。

  值得注意的是，在不到一年的时间内，只要在地表以下几米的地方，气温变化就只有零点几度。例如，在维希地区海拔约 500 米的花岗岩上重复了几年的年度测量显示，在地表以下 15 米的地方，季节性温度变化仅为 0.1 度。正是这种浅层温度的稳定性使得安装地热热泵成为可能，如下文所述。

3. 开发地热能的常规方法

  含水层是一个孔隙度高且孔隙充满水分的高渗透性地质层。需要注意的是渗透性体现流体流过岩石的难易程度。这个概念将两个给定截面之间观察到的流速与它们之间的压强差联系起来。对于相同的流速，岩石渗透性越强，确保该流速所需的压强差越小。

  传统的地热能开发只涉及天然含水层，包括通过将含水层中的水以接近原有温度带到地表，从而提取含水层中所含的热量。

  传统上有三种类型的地热能开发：通过热泵开发、直接开发含水层中的热量、在温度允许的情况下，将地热资源的热量转化为电能。在法国，2012 年安装用于个人供暖的地热热泵所产生的能源不到300 ktoe（千吨油当量），或约 3.4GWh（千兆瓦时）[4]。同年与地热直接开发相关的能源产量为 140 ktoe(约 1.6 GWh)。2016 年，法国安装的地热发电量达17MW(兆瓦)，如果该年装置全时运行，则年产量约为149GWh。为了更好地理解目前地热能开发对国家能源生产的贡献，我们应该注意的是2013 年仅法国核电站生产的电量就达到了 391,000GWh。

3.1. 热泵运行

  热泵是可以把热量从一种介质(称为发射器)传递到另一介质(称为接收器)的装置。因此，该系统使得降低发射介质的温度和提高接收介质的温度成为可能。

  例如，热泵可以用于降低冰箱（发射介质）的温度，但也可用于室内供暖（接收介质）。此外，如果房间被用作发射介质，而不再作为接收介质，同样热泵原理也可用于室内制冷。在冰箱的例子中，热量的提取是通过液体的膨胀来实现的，这被称为制冷，即通过将热量泵入冰箱，将液体变成蒸汽，导致温度下降。然后，这些蒸汽在冰箱外被压缩成为液态释放热量，从而提高了的环境温度。

  热泵（PAC）的性能系数（COP）是机器的热功率与消耗的电功率之间的比值。例如，一台性能系数为 3 的热泵每消耗 1kWh(千瓦时)的电力， 就提供 3kWh 的热量。热泵的性能系数随着冷热源温度差的增大而减小。因此，当冷源温度一定时，热泵的效率随热源温度的升高而降低。因此， 所谓的地热热泵， 即冷源位于地下室的热泵，在用于确保地板的恒定温度时效率更高。在这种情况下，它们提供了最低限度的基本供暖， 根据需要，由电热对流器提供补充。

  位于地下室的地热热泵使用三种方式进行热量捕获:

• 水平捕获。热量由水平的管网捕获，传热流体通过该管网流动。根据气候的不同，这些管道埋在 0.6 到 1.2 米深的地方。它们通常被安装在草坪下，但远离树木，因为树根可能会干扰管道安装。
• 垂直捕获。垂直捕获涉及一系列分布在垂直钻孔中的平行管，其深度可达 100 米。这个钻孔本身是牢固的管子(详情可见文章：钻探技术的特点），可以放在树木附近。
• 地下水垂直收集。在这种情况下，当地地下水被直接用作传热流体。地下水通过所谓的抽吸钻孔进行泵送。目标地下水的温度为 10℃或更高。地下水在位于房屋内的放热管内循环后被排放到吸水孔下游的一个钻孔中，以免干扰温度。

3.2. 直接热能利用

  直接热利用涉及温度在 50 ℃ 至120℃ 之间的含水层。含水层中的水通过钻孔提取（ 图 3）。在地面上，它通过一个热交换器加热用于加热的传热流体。冷却后，将其重新注入含水层，与开采点保持一定距离（约一公里），以避免干扰那里的温度。这样的系统被称为地热偶极。

  回注是必要的，有两个原因：第一，具有经济价值的含水层(超过 500米深)中的水通常含有各种矿物盐(浓度为 6 至 35 克/升或更高)。因此，如果要将其排放在地表的水体中，应该在排放前进行净化处理。此外，回注确保了含水层保持在稳定压力下，从而确保生产时的恒定流速。

  因此，严格来说，地热能不是一种可再生能源，因为从地热储层中提取的热量远远大于最深处区域热流提供的热量。

  所以，必须合理规划地热偶极的空间尺寸（生产率、注入井和生产井之间有足够距离)，以避免它们过早冷却。腐蚀则是长期以来的另一个因素，它影响了地热循环的各种要素。但在 20 世纪 70 年代开始进行这种操作时造成了问题后，这种腐蚀问题得到了很好的解决，不再影响地热偶极的使用寿命。今天，最古老的地热偶极大多数还没有经历过早冷却，因此仍然可以使用。然而，我需要找到办法解决它们不可避免的老化问题，以便在冷却现象变得太明显时更新它们。因此，目前的研究重点是运行冷却区域延伸的表征，以便确定未来安装替换地热偶极的区域。

  这种开采方式在巴黎盆地发展得特别好，在那里道格统侏罗纪石灰岩地质层已被证明是一个非常有趣的含水层。这种开采在阿基坦盆地也取得了一定的成功。但为了盈利，这些地热作业必须位于距离热使用点（通常是区域供暖）较近的位置，因为从生产井到供热点的运输过程中会有能量损失。因此，它们的应用范围基本上仍局限于有足够多的用户并与地热偶极保持可接受距离的城市地区，例如巴黎地区。

3.3. 通过将热能转换为电能进行发电

  当含水层温度足够高时，产生的热量可以通过位于生产井旁的转换器有效地转化为电能（见封面图）。地热储是一种大体积岩体，其地热能储量可供长期开采，具备真正的经济效益。其可开采时间一般可以达几 十 年甚至更长，如位于意 大 利  拉 德 莱 罗（ Larderello）1904 年 首 次 开 采 的地热储。如今，这种用于发电的地热储涉及的含水层温度一般在 250℃以上。根据热储的不同，发电量可以从几十兆瓦到几百兆瓦，甚至超过如加利福尼亚北部盖瑟尔斯（Geyers）地热储的千兆瓦发电量。

  当然，地热储的盈利能力取决于其温度场，但也很大程度上取决于能否维持长期稳定的产水量。热储的温度越高，维持稳定经济效益所需的水流速度越低。在已运行一段时间的热储中，会出现局部压力下降，导致产出水中出现气相，从而影响系统老化。这种老化是确定地热运营盈利能力时要考虑的重要因素之一。

  如今，用于发电的地热田都位于火山地区。因此，冰岛或新西兰的大部分电力来自地热能。在法国，唯一使用这种地热能的地区是瓜德罗普岛(西印度群岛)： 布扬特（ Bouillante）地热田(图 4)。目前的发电量为 16 兆瓦，占该岛电力需求的 6%。

4. 利用低渗透性热岩中的热量

  地表附近的温度升高与地热通量的存在有关，地热通量包括所考虑的环境中传导和对流的效应，但也包括其他影响，如过去的气候变化或地形的影响(例如勃朗峰山顶的年平均温度远低于日内瓦的测量值)。图 5[5]是法国的热通量图，该图是在校正了地形和古气候影响后，根据近地面观测到的地热梯度测量得出的。

  图中显示北莱茵地堑存在强烈的热通量异常，并且从中央高原的中心延伸到孚日的大部分地区上存在相当高的热通量区（超过 110mW/m²）。

  例如，位于北莱茵地堑的苏茨苏福雷村（ Soultz-sous-forêts），其 1500米深处的沉积岩系底部温度达到 140℃。在位于苏茨（ Soultz） 以东约15公里的里特肖芬（ Rittershoffen），在 2300 米深处的基底-沉积物边界， 温度达到 160℃。然而，虽然里特肖芬的钻探已经到达产水特性良好的含水层，可以直接进行热能的经济开采，但苏茨的情况并非如此。对于这个温度高但渗透性太低、不适合常规操作的地点，一种叫做 EGS (根据英文单词“ Enhanced Geothermal Systems”（ 增强地热系统） 的首字母) 的新技术已被开发用于小型发电(1.5 MW)。EGS 技术基于的理念是通过适当的水力和化学刺激可能大大增加岩体的渗透性。其目的是在刺激后，使水的流动与计划的经济开采相适应，并在局部流速足够慢的情况下，使地表产水的温度接近刺激区域的温度。对于这种类型的应用，不可能使用传统的水力压裂工艺(详情可见文章：工业水力压裂的挑战)，因为在压裂作业结束时为保持水力压裂缝存在而放置的颗粒状产品往往会被循环水溶解。岩石中必须有足够的流动通道，以避免系统过早冷却。

  在苏茨（Soultz）采用的方法是逐渐增加深部岩体的压力，以便沿着水流使用已有的裂缝诱发剪切运动。类似地，注入酸可以在局部溶解方解石，从而降低系统的水力阻抗（ 水力阻抗与渗透率成反比，可以描述达到给定流量所需的压力）。此外，通过使用沸点比水低得多的液体， 热能转化为电能的效率也得到了提高。自 2016 年夏季以来，该实验系统在当前配置下运行良好。这将使我们能够在现实生活中测试该系统的老化情况。

  一旦完成这些老化研究，EGS 技术会使人们有可能考虑开采由 110mW/m² 以上热流区组成的巨大地热储（图 5 中）。届时，地热能开采对国家能源生产的贡献可能会变得非常重要。

 

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参考资料及说明

封面照片：Soultz-sous-forêts(下莱茵)用来自于深度近 4500 米提取的地热能发电。红色为 150℃下的产水井口; 井口右侧的背景是生产 1.5 兆瓦电力的二元转换器(照片，斯特拉斯堡电力公司)

[1] Berest P， 1988. 岩土工程中的热现象；《岩石热力学》第一章（Berest 和 Weber编），BRGM 出版社；2018 .《岩石热力学》（ P. Berest编），巴黎矿业学院出版社

[2] Prioul R., F.H. Cornet, C. Dorbath, L. Dorbath, M. Ogena and E. Ramos, 2000. 菲律宾断层蠕动段诱发地震活动实验; 《地球物理研究》. 105(B6), 第 13595-13612 页

[3] G. Vasseur, 1988 . 地球热传播和地热通量，《岩石热力学》第 四 章（ Berest 和 Weber编）， BRGM 出版社;   2018. 《岩石热力学》（ P. Berest编），巴黎矿业学院出版社

[4] Boissavy C., P. Rocher, P. Laplaige and C. Brange, 2016, 地热能源使用，法国国家最新情况， 欧洲地热大会

[5] Lucazeau F. and G. Vasseur, 1989, 法国及其周边边缘的热流密度数据，《构造地质学》， 第 164 卷（ 2-4）， 第 251-258 页