地热能生产与应用

01 地热是什么？

“地热”（geothermal）一词的希腊词根是yη (geo)，意思是地球，θερμos (thermos)，意思是热。

地热能是一种从地核提取的可再生能源。它来自地球原始形成过程中产生的热量和物质的放射性衰变。这些热能储存在地球中心的岩石和流体中。

地核和地表之间的温差促使热能从地核持续传导到地表。

超过4000°C的高温导致地球中心的一些岩石融化，形成炽热的熔融岩石，即岩浆。由于地幔比周围的岩石轻，这些热量也会导致地幔表现出可塑性，部分地幔向上对流。

地壳中的岩石和水的温度可以达到370摄氏度左右。岩石和流体中所含的热能可以从地表以下浅层和几英里的深处找到。

在一些国家，地热已经被用于烹饪和加热系统数千年了。蒸汽和热水的地下地热储层可用于发电和其他加热和冷却应用。

02 地热能生产

地热能可以在世界各地找到，其利用的可行性取决于地热资源的深度、温度、地质环境、资源类型、与能源需求的接近程度等。

今天，地热能要么被用于发电(电力)，要么直接以热能的形式被利用(所谓的“直接利用”)。

资源类型和温度决定了可以利用地下热量的应用。传统上，发电需要150摄氏度以上的温度才能发电。尽管有新技术可以利用温度低至70摄氏度左右的地热资源发电。这在经济上是否可行，取决市场情况。

较低温度可用于各种用途，用于工业应用中的加热，加热温室，区域供热系统或房屋，加热游泳池，管道，水产养殖，食品脱水等等。加电的地源热泵和交换系统可以扩大利用地热能供热和制冷。

根据美国能源部GeoVision报告中的林达尔图改编而成

——各国的地热生产

2023年世界地热大会发布的，目前仅有大约26个国家使用地热能发电、70个国家用于供暖。随着科技的不断进步，地热能可为全球电力生产及城市供暖和制冷添砖加瓦。

大会发布的我国首个地热能国家主旨报告——《中国地热产业高质量发展报告》显示，在清洁供暖需求的强烈作用下，中国逐渐形成了以供暖（制冷）为主的地热发展路径，为国际地热发展提供了新思路。截至2021年底，中国地热供暖（制冷）能力达到13.3亿平方米。未来几年，中国北方地区地热清洁供暖、长江中下游地区地热供暖（制冷）、青藏高原及其周边地热发电仍将是产业发展热点。

——地热能发电

发布《世界地热发电进展》权威报告。报告显示，目前，世界上已有31个国家有地热发电厂在运行。全球地热发电总装机容量已经从1980年的2110兆瓦增长到如今的16260兆瓦。未来，随着全球迫切需要保住1.5摄氏度的温控目标，地热发电会有广阔前景。

在下图中，可以看到所选国家的地热发电在整个电力市场中的份额，突出表明地热发电不仅在总体电力供应中发挥了非常重要的作用，而且在这些国家的可再生能源发电中也发挥了重要作用。

发布《世界地热供暖制冷进展》权威报告。报告指出，截至2022年底，全球供热和制冷热能装机容量相当于1.73亿千瓦，比2020年增加了60%，最大的应用领域是建筑物的供暖和制冷，其次是健康娱乐和旅游、农业和食品加工。其中，中国的增长最为显著。

03 地热直接利用

国际地热协会(IGA)将地热直接利用定义为直接利用地球的能量(地热)作为热能，而不是间接利用热能发电。

在地热文献中，有一个区别: 直接使用地热被定义为使用地热资源，“使用热能或地热资源中的流体，而不使用中间介质，而不是将其转化为其他形式的能量，如电能。”大多数直接使用的应用可以适用于低至中等温度范围20 - 120°C的地热流体。低温到中温地热资源已经使用了很长时间，特别是在第一次用于洗澡，后来用于空间加热和农业应用以及冷却。

本质上的区别是，如果使用水基地热储层，或管道/井进行地下热传导，并直接将其作为热量或通过热泵使用。

如今，地热主要用于浴池和游泳池的加热，以及空间和温室的加热。其他应用包括利用热能的工业用途、水产养殖池塘加热、农业干燥、冷却和融雪。

按应用计算的地热直接利用产量(2020)

特别是，近年来使用地热能为游泳池供暖和为建筑物供暖(空间供暖)的情况有所增加。以下是每年通过地热直接利用产生热量的地理分布(不包括热泵)

各地区地热直接利用产量(2020年)

04 地热热泵

暖通空调的应用已经存在了几十年。HVAC代表供暖、通风和空调。暖通空调热泵是一种用于加热和冷却建筑物的设备，它通过制冷循环从较冷或较暖的空间传递地下(也包括空气，例如湖泊)的热能，类似于普通的家用冰箱。随着电力的应用，这些热泵的性能由系数性能(COP)决定。COP越高，热泵效率越高，能耗越低。因此，地面温度越高，将热能扩展到更高温度进行加热所需的电力就越少。

——地源热泵

地源热泵(也称为地热泵)是将热量从地下传递到地下，从而利用地球在整个季节的恒定温度。这样的热泵连接到地热交换装置，该装置可以使用闭环垂直或水平交换、直接交换，利用池塘，湖泊或海洋中的循环，立柱井或双井。它们都有一个共同点，那就是制冷剂要通过那些管道，这些管道用来将地下的热量传递给热泵。在冬季，热泵可以使用收集到的热能来加热建筑物(或较大设置的建筑物)，或者在夏季为建筑物降温。

——加热

直接利用地热能供热是利用地热能的最大形式。最经典和最广泛的地热利用形式可能是用于沐浴的传统温泉，比如日本的温泉，或者可以追溯到罗马时代的温泉浴，但今天，世界各地的游泳池和浴池加热是地热直接利用的最大形式。其次是利用地热能进行空间供暖，例如在区域供热系统中。在冰岛的雷克雅未克、法国的巴黎以及中国地热区域供热的惊人增长中，可以找到最大的地热区域供热系统。但我们看到，在欧洲，人们对利用地热为供暖(和制冷)市场脱碳越来越感兴趣。慕尼黑、赫尔辛基、哥本哈根等城市在利用地热满足其供暖需求上押下了重注。

另一个重要的用途是温室供暖，这在可持续农业和食品部门中越来越重要。在这方面，荷兰可能是一个很好的研究案例。荷兰是一个拥有庞大而繁荣的园艺产业(温室)的国家，荷兰的运营商一直在寻找替代天然气的供暖方式，并开始探索地热作为一种选择，这创造了一个现在蓬勃发展的市场，运营商和供应商都利用地热为温室供暖。类似的例子可以在土耳其、希腊、冰岛、美国和其他地方找到

——冷却

虽然听起来适得其反，但地热也可以用于冷却。通过一种被称为吸收的过程，地热资源的热量被用作热泵的驱动能量，然后为建筑物提供冷却，甚至通过区域冷却系统。

例如，在阿拉伯联合酋长国的马斯达尔城，钻了深地热井来提取热量，用于区域冷却系统。虽然最初没有进一步开发，但一个区域供冷公用事业公司现在正在改造该项目。

与此同时，地源热泵也可以在较冷的温度下提取热能，直接用于冷却，在世界各地都可以找到大大小小的系统。

05 地热能的工业利用

发电是地热能的常见"工业"用途，但如上所述，有大量工业应用是需要中低温流体的活动。例如加工加热、工业空间空调和加热、食品加工、食品和鱼类脱水、纸浆和纸张加工、纺织品的洗涤和染色、化学生产等等。

在“一些工业过程和农业应用的温度“这张图中可以找到有趣的概述

地热的各种用途有很多很好的例子，例如在食品和饮料行业。

如今，地热能被用于制盐、牛奶的巴氏杀菌、奶粉的生产、藻类/螺旋藻的生产、温室蔬菜的生产、鱼类脱水、啤酒酿造、白酒生产、鱼子酱生产、养鱼、护肤品的生产等等。

瑞士日内瓦大学的Luca Guglielmetti提出了一个很好的概述，展示了地热能在基于温度的食品部门中可以发挥的作用。