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(地下约 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，就可以进行远距离电力生产。目前，法国这种资源开发仅限于地下天然含水层。但近期研究结果表明，低渗透性热岩石的热量也可以开发利用。届时，地热能开发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

  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，地热梯度数值通常在 20℃/km 到 40℃/km 之间变化，但局部可能超过100℃/km，在某些特热区域甚至超过 300℃/km(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是有区别的。

  辐射传热与光子运动有关，仅在地球表面有意义。光子辐射传热对于地球内部温度变化的影响可以忽略不计。傅立叶定律[1]所描述的传导传热发生在热岩石与冷岩石之间。热岩中的热量通过热、冷岩石界面传导到冷岩中。此外，岩石大多具有空隙和渗透性，其孔隙内通常含有液体，液体流动可以传递热量。

  火山喷发是传导传热和对流传热的实例 (详情可见本辑文章：工业水力压裂的挑战）。熔岩流的热传递对应于对流传热：来自岩浆房的火山物质排出的热量，与喷出的火山熔岩质量成正比。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。

  有两个特别重要的涉及热传递的概念：比热容和热导率。比热容用来估算一定质量物质获得的热量数量与温度变化的比率。热导率描述了热量在物质没有运动的情况下，如何从一个较热的物体转移到一个较冷的物体。例如，在静止流体中，基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，其传热速率取决于其粘度，粘度又取决于温度。

  因此，为了充分了解温度随深度的变化规律，有必要认识各种流体运动，识别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。

  很大一部分热源与地壳中天然放射性元素有关。此外，另一个重要的热源与地球初始形成时的成核过程有关。因此，岩石圈底部的温度取决于影响上地幔上部低速层(即软流圈)对流运动的热传递。

  在地壳深处，地热梯度主要取决于三种要素。首先，取决于软流圈的热通量，即单位面积的热量(国际单位制中以瓦特/平方米表示)。其次，取决于上地幔中岩石热导率和天然放射性元素产生的热量。第三，取决于地壳中岩石热导率以及地壳岩石的天然放射性。地壳最表层的部分，岩石孔隙中的流体可发生显著的热对流，直接影响区域温度场。正是这样的热对流区成为地球浅层温度异常高的地方(例如菲律宾莱特岛 900 米深度的温度为 300℃，图 1)。应该注意的是，当流体压力足够低时，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(mass heat)外，还必须考虑与液-气相变过程的潜热。

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

  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(通常仅为几度)。太阳辐射的变化导致地面温度的变化，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，仅因热传导作用，日变化会影响到土壤表层 15 厘米以上的温度。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，热传导导致的温度变化会影响到地下 300 米的温度。因此，根据与流体循环有关的热扰动影响，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

  含水层是孔隙度高且孔隙充满水分的高渗透性地层。渗透性体现流体流过岩石的难易程度，这个概念与两个给定截面之间观察到的流速与其间的压强差有关。相同流速情况下，岩石渗透性越强，确保该流速所需的压强差就越小。

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

  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，以及在温度允许的情况下，将地热热量转化为电能。

  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到17MW(兆瓦)。如果该装置全时运行，年产量可达约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，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，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非接收介质，同样热泵原理也可用于室内制冷。冰箱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并释放热量，从而提高了环境温度。

  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热量。

  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

  直接地热开发涉及温度在 50 ℃ 至120℃ 之间的含水层。通过生产井提取含水层中的热水(图 3)。在地面上，热水通过一个热交换器加热流体。冷却后，将其重新注入含水层，注入点与开采点保持一定距离(约一公里)，以避免干扰开采点的温度。这样的系统被称为“地热偶极”。

  向地下回注水是必要的，原因有二：其一，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，如果将其排放在地表的水体中，应该在排放前进行净化处理。其二，向地下回注水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范围(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不利因素，它影响了地热循环的方方面面。但在 20 世纪 70 年代开始遇到这个问题后，腐蚀问题得到了很好的解决，已不再影响地热偶极的使用寿命。今天，大多数最老的地热偶极还没有遭受过早冷却，仍然可以使用。然而，当冷却效应过于明显时，需要找到办法解决不可避免的老化问题。因此，目前的研究重点是如何准确表征运行冷却区域的延伸范围，以便确定将来安装替换地热偶极的区域。

  这种开采方式在巴黎盆地开展得特别好，这里的侏罗系道格统石灰岩地层是一个非常好的含水层。这种开采在阿基坦盆地也取得了一定的成功。从生产井到供热点的热运输过程中会有能量损失。为了盈利，这些地热开发必须位于距离地热使用点(通常是区域供暖)较近的位置。因此，地热开发范围基本上仍局限于有足够多的用户，并与地热偶极保持适当距离的城市地区，例如巴黎地区。

3.3. 地热发电

  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)。地热储库是体积很大的一种岩体，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库。如今，这种用于发电的地热储库含水层温度一般在 250℃以上。根据地热储库的不同，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，地热储库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。地热储库的温度越高，维持稳定经济效益所需的热水流速越低。在已运行一段时间的热储中，会出现局部压力下降，热水中会出现气相，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。冰岛、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热传导和热对流的效应，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，从中央高原的中心到孚日的大部分地区也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，人们开发了一种叫做“增强地热系统” (EGS，根据英文单词“Enhanced Geothermal Systems” 的首字母) 的新技术，已用于小型发电(1.5 MW)。

  增强地热系统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，使水的循环与预期的经济开采相适应，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)。这是因为，为保持水力压裂缝的持续张开，在压裂作业结束时岩石碎块往往会被循环水溶解一部分。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)地区采用的方法是逐渐增加深部岩体的压力，以便水流沿着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。这将使我们能够测试该系统的老化情况。

  一旦完成这些老化研究，增强地热系统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。

 

---

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