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地熱能——地心熱的開發利用
【摘要】地球的內部非常熱，其地心溫度大約為4000℃，熱能持續不斷地在流向地面，從地表輻射出去并消失在太空中。這一表面的平均熱能量值為82毫瓦/米2，如果地球的表面積為5.1×1014米2，那么，這種連續不斷的熱流失率大約為42兆兆瓦(熱)。何謂地熱
地球的內部非常熱，其地心溫度大約為4000℃，熱能持續不斷地在流向地面，
從地表輻射出去并消失在太空中。這一表面的平均熱能量值為82毫瓦/米2，如果
地球的表面積為5.1×1014米2，那么，這種連續不斷的熱流失率大約為42兆兆瓦
(熱)。
到達地表的能量多數是很劣質的熱，很少被搜集后直接使用。然而，在近百
萬年間發生火山活動的地區，大量優質熱留存于熔巖或已結晶的2～10公里深的
巖石中，用現代技術(如向巖石鉆探)可有效予以搜集。
從地殼巖石中抽取熱量并運至地表，需要熱傳遞介質。自然界是通過地下水
實現這一點的。地熱庫下邊熱的熔巖將地下水加熱，熱水通過巖石中相互連接的
斷層、裂縫和孔洞浮上來。斷層、裂縫和孔洞中的開放空間只占巖石體積的2%～
5%，但當它們充滿了熱水并且相互連接，將形成一個多孔滲透地熱庫。
地熱水的溫度在一處與另一處可相差極大。有的地熱源可產生300℃以上的熱
水，有的則產生沸點以下(在海平面水的沸點為100℃)的水。高于150℃的高溫熱
源一般可用以發電，低溫熱源可直接加熱使用，如工業加工、區域供熱、溫室加
熱、食品干燥和水產養殖。
地熱發電
地熱發電，實際上是用蒸汽動力發電。通過打井找到正在上噴的天然熱水流。
由于水是從1～4公里的地下深處上來的，所以水是處在高壓下。一眼底部直徑25
厘米的井每小時可生產20～80萬公斤的地熱水與蒸汽。由于水溫的不同，5～10
眼井產出的蒸汽可使一個發電裝置生產出55兆瓦的電。
這種發電裝置有兩類：汽輪機發電和二元發電裝置。為了供給一臺汽輪發
電機蒸汽，抽出的地熱水(帶壓)在稱為閃蒸罐容器的表面釋放出來，一部分水
(約占35%，取決于它的溫度)閃蒸(沸騰)為蒸汽，進入汽輪發動機進而帶動一臺
發電機。渦輪的排氣用傳統冷卻塔冷卻。閃蒸罐內剩余的水在沸騰階段之后又注
入熱庫邊緣的地下，它有助于維持熱庫的壓力并補充對流的水熱系統。
在二元發電裝置中，不是將熱水閃蒸為蒸汽，而是送至一臺熱交換器，用以
加熱工作介質，后者通常是有機化合物，如異丁烷或異戊烷。工作介質被氣化，
用氣化后的蒸汽驅動渦輪發動機，進而帶動發電機。在離開渦輪后工作介質冷凝
為液體，流回熱交換器再次被氣化。地熱流體通過噴射井又回到地下，這一點與
汽輪發電機中的情況很相似。由于在二元地熱發電裝置中所用的工作介質是在比
水低的溫度下蒸發的，所以它的發電效率比汽輪發電機高。
這兩類發電裝置各有其優點。汽輪發電機制造和運行都不太貴，但為了在高
效率下操作，它要求水溫在180～200℃以上。二元發電裝置制造和運行費用較高，
但它可用100℃或更低溫的水發電。目前世界上多數正在運行的地熱發電裝置屬于
汽輪機型，但二元發電裝置越來越普及。
地熱能的可持續性
巖漿/火山的地熱活動的典型壽命從最低5000年到100萬年以上。這么長的壽
命使地熱源成為一種再生能源。此外，地熱庫的天然補充率從幾兆瓦到1000兆瓦
(熱)以上。
人類第一次用地熱水發電是在1904年意大利的拖斯卡納。1958年新西蘭的北
島開始用地熱源發電(目前為212兆瓦)；美國加州的噴泉熱田，從1960年就開始發
電，目前的輸出功率為1300兆瓦。顯然，地熱資源能夠可靠、安全和可持續性地
運行。
地熱生產的可持續性也可從存在于熱庫巖石(含熱量85%～95%)中的熱源判斷。
在美國加州的噴泉熱田，熱含量保守估計至少相當于燃燒280億桶石油或62億短頓
(1短頓=907公斤)煤所得的能量。
地熱能的前景
隨著全世界對潔凈能源需求的增長，將會更多地使用地熱。全世界到處都有
地熱資源，特別是在許多發展中國家尤其豐富，它們的使用可取代帶來污染的礦
物燃料電站。這是非常重要的，因為一旦對礦物燃料電廠做出投資，在整個電廠
的壽命期間，將會發出大氣污染流，其期限是幾十年的時間。
目前在25個國家約有8000兆瓦的地熱發電即將投入使用。此外，在菲律賓、
印尼與新西蘭即將新增700兆瓦的地熱發電。到1997年末，全世界地熱發電的裝機
容量為7950兆瓦。
1994年部分國家熱能發電和使用情況
國別 發電 直接使用 FONT face=宋體 size=3>裝機容量兆瓦(電) 年產量
千兆瓦時 裝機容量
兆瓦(電) 年產量
千兆瓦時 中國 28 98 2143 5527 法國 4 24 456 2006 格魯吉亞 - - 245 2136 匈牙利 - - 638 2795 愛爾蘭 50 265 1443 5878 印尼 309 1048 - - 意大利 626 3417 308 1008 日本 299 1722 319 1928 肯尼亞 45 348 - - 墨西哥 753 5877 28 74 新西蘭 286 2193 264 1837 菲律賓 1051 5470 - - 波蘭 - - 63 206 俄羅斯 11 25 210 673 塞爾維亞 - - 80 660 斯洛伐克 - - 100 502 瑞士 - - 110 243 突尼斯 20 68 140 552 美國 2817 16491 1874 3859 其他 7 40 329 1935
最新投入使用的地熱田是在美國的蓋瑟斯，將生產1300兆瓦的電，足以滿足
130萬加州人的家庭用電。據估計，全世界發展中國家從火山系統可取得80000兆
瓦的地熱發電。印尼的地熱潛力就達到19000兆瓦。地熱發電廠的規模大約為300
千瓦～55兆瓦(凈電功率)。
地熱的直接應用，全世界使用量在9000兆瓦(熱功率)以上。愛爾蘭幾乎全部
家庭和大樓都用地熱。美國的幾個城市和新西蘭也在使用地熱進行采暖。許多國
家還用地熱加熱溫室。食品加工是另一個成熟的應用。全世界地熱資源直接應用
的巨大潛力幾乎尚未開發。
對地熱的研究和開發終將使人類能使用含在不同深度的巖石中而不單單是火
山地區中的巨大地熱能。一旦進入這一階段，地熱能將供應全世界所需電與熱量
的25%～50%。
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