全球觀點(diǎn)：世界首次中深層地?zé)豳Y源“無(wú)泵式”開(kāi)采是怎么實(shí)現(xiàn)的？

出品：科普中國(guó)

(資料圖)

作者：馬青山，陳娟雯 博士（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所）

天氣漸寒，不少人都會(huì)叫上幾個(gè)好友一起泡溫泉放松身心。而我們今天介紹的主角——地?zé)崮?，正和暖身舒心的溫泉密切相關(guān)。在我們每個(gè)人的腳下，都存在著一種儲(chǔ)量巨大的清潔可再生能源——地?zé)崮堋Ｆ駷橹?，人類已有幾千年利用地?zé)崮艿臍v史，舒服又養(yǎng)生的溫泉便是其中之一。

冰島藍(lán)湖溫泉

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

地?zé)崮芨鶕?jù)其資源特點(diǎn)，可以初步分為**淺層地?zé)?、水熱型地?zé)帷⒏蔁釒r地?zé)岷蛶r漿地?zé)豳Y源，**其中最為我們所熟知且開(kāi)發(fā)最為容易的就是水熱型地?zé)豳Y源，深受人們喜愛(ài)的溫泉便是一種地面出露的水熱型地?zé)帷?/p>

然而，儲(chǔ)量最大，分布最廣的卻是干熱巖型地?zé)豳Y源。據(jù)估計(jì)，在地殼10km以上區(qū)域儲(chǔ)藏的干熱巖地?zé)豳Y源約為1.3×1027，大約占總地?zé)豳Y源的98%，按照現(xiàn)在的消耗速度計(jì)算，可供人們使用2.17億年，幾乎可以稱得上是**“無(wú)限的能源”**了。

為何能源無(wú)限，使用卻有限？

可能有人會(huì)問(wèn)，既然我們擁有這么多能源，為什么之前沒(méi)有得到大規(guī)模的利用呢？這是因?yàn)楦蔁釒r位于地下數(shù)千米，且沒(méi)有天然的傳熱流體介質(zhì)，開(kāi)采難度非常大。

目前，主流的開(kāi)采思路是增強(qiáng)型地?zé)峒夹g(shù)（EGS），即在干熱巖中通過(guò)水力壓裂等手段建造一個(gè)具有滲透性的人造熱儲(chǔ)，然后通過(guò)至少兩口井與地下熱儲(chǔ)連通，再通過(guò)其中一口井向地下熱儲(chǔ)注水，吸熱后從另外的井流出的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

相較單井地?zé)峒夹g(shù)，增強(qiáng)型地?zé)峒夹g(shù)（EGS）具有采熱量大的顯著優(yōu)勢(shì)。然而由于大規(guī)模造儲(chǔ)和鉆井工程，需要大量的前期投資，且工質(zhì)漏失、結(jié)垢嚴(yán)重、熱儲(chǔ)短路等技術(shù)問(wèn)題尚未解決，因此，目前還未有成功商業(yè)化的EGS案例，需要進(jìn)一步的技術(shù)積累和進(jìn)步。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)示意圖

（圖片來(lái)源：Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016）

熱管是一種利用工質(zhì)相變和流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)的高效傳熱設(shè)備，其工質(zhì)在熱端吸熱蒸發(fā)為飽和蒸汽，流動(dòng)到冷端釋放潛熱，冷凝為液態(tài)后再回流到熱端。**熱管的傳熱系數(shù)非常高，**其傳熱系數(shù)比良導(dǎo)熱材料銅大2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，已經(jīng)在很多應(yīng)用場(chǎng)景下大展手腳。

一般的重力熱管長(zhǎng)度在10米以內(nèi)，若長(zhǎng)度超過(guò)10米，熱管就會(huì)出現(xiàn)氣液相流動(dòng)卷攜和管內(nèi)蒸發(fā)相變不穩(wěn)定等問(wèn)題，傳熱性能就可能會(huì)大幅下降，難以維持良好的傳熱性能。限于此，長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)度熱管的技術(shù)突破。

用于電腦主機(jī)散熱的熱管

（圖片來(lái)源：作者自制）

**超長(zhǎng)重力熱管（SLGHP）地?zé)衢_(kāi)采技術(shù)是中科院廣州能源所蔣方明研究團(tuán)隊(duì)在2017年提出的一種新型干熱巖開(kāi)采技術(shù)路線，**其核心思路是通過(guò)一根千米級(jí)的超長(zhǎng)重力熱管，將地下干熱巖當(dāng)中的熱能傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行利用。

這項(xiàng)技術(shù)所采用的重力熱管就是冷凝液滴在重力作用下回落的一種熱管，其主要的技術(shù)創(chuàng)新也凝結(jié)在這根“超級(jí)長(zhǎng)”的重力熱管之上。

應(yīng)用于地?zé)衢_(kāi)采的重力熱管的長(zhǎng)度往往在數(shù)千米，長(zhǎng)徑比則達(dá)到數(shù)萬(wàn)。面對(duì)這樣的大尺寸超長(zhǎng)重力熱管，如何保證工質(zhì)高效穩(wěn)定蒸發(fā)、減小流動(dòng)阻力、消除氣液卷攜效應(yīng)成為技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)。

技術(shù)突破：超長(zhǎng)重力熱管系統(tǒng)

超長(zhǎng)重力熱管地?zé)衢_(kāi)采系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

（圖片來(lái)源：Energy,2022）

經(jīng)過(guò)數(shù)年的研發(fā)，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)攻克了這些難點(diǎn)，成功研發(fā)了可用于數(shù)千米干熱巖地?zé)衢_(kāi)采的超長(zhǎng)重力熱管。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在唐山開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，利用一根3000米長(zhǎng)的熱管，在平均地下地層溫度為95.6℃時(shí)，在地面上獲得了最高溫度為90℃的蒸汽，長(zhǎng)期采熱量達(dá)190kW，這是首次成功實(shí)施的千米級(jí)重力熱管。

隨后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)一步的熱管設(shè)計(jì)優(yōu)化和工質(zhì)優(yōu)選，開(kāi)發(fā)了新一代地?zé)釤峁?。在河北雄安，團(tuán)隊(duì)從4000米地?zé)峋畠?nèi)，實(shí)現(xiàn)了熱管系統(tǒng)長(zhǎng)期采熱率達(dá)到800kW以上，為目前最高的中深層地?zé)釂尉蔁崧省?/p>

超長(zhǎng)重力熱管地?zé)崮芟到y(tǒng)采熱雄安測(cè)試

（圖片來(lái)源：作者自制）

作為一種全新的技術(shù)路線，超長(zhǎng)重力熱管系統(tǒng)擁有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

首先，熱管完全自驅(qū)動(dòng)，無(wú)需額外消耗泵功，管內(nèi)熱傳輸過(guò)程?損更低；其次，熱管采用相變采熱，以保持更大的井下?lián)Q熱溫差，采熱效率更高；此外，地?zé)釤峁茌敵鲲柡驼羝梢灾苯域?qū)動(dòng)冷、電循環(huán)，無(wú)需換熱，效率更高，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)規(guī)避了EGS幾乎所有的技術(shù)難題，使得技術(shù)及其投資風(fēng)險(xiǎn)更小。

其實(shí)，除干熱巖外，超長(zhǎng)重力熱管技術(shù)也可以應(yīng)用在水熱型地?zé)豳Y源當(dāng)中，以避免采水過(guò)程中誘發(fā)的地質(zhì)沉降、鹵水結(jié)垢等問(wèn)題。

超長(zhǎng)重力熱管采出的蒸汽可以進(jìn)行方便的綜合化熱利用。對(duì)于地溫條件較好的地?zé)峋?，可?strong>直驅(qū)汽輪機(jī)發(fā)電或制冷，隨后通過(guò)冷凝器管路為住宅提供生活熱水。而對(duì)于地溫條件較差的地?zé)峋ǔ？紤]供熱的利用方式，從熱管中分離出的溫度較低的蒸汽經(jīng)過(guò)壓縮后，一部分用于工廠設(shè)備高溫蒸汽的供應(yīng)，另一部分則能夠通過(guò)冷凝器凝結(jié)為生活熱水，輸送給住宅使用。

隨著國(guó)家十四五規(guī)劃和“雙碳”戰(zhàn)略的出臺(tái)，清潔能源技術(shù)迎來(lái)了發(fā)展的春天。目前，超長(zhǎng)重力熱管系統(tǒng)已初步形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，其商業(yè)模式也在逐步建立。相信經(jīng)過(guò)科研人員的持續(xù)努力，這項(xiàng)技術(shù)將變得愈發(fā)成熟，并最終為發(fā)掘干熱巖資源、助力“碳中和”愿景貢獻(xiàn)力量。

或許在不久以后，“隨地取熱”的時(shí)代就會(huì)來(lái)臨。

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