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全球觀點:世界首次中深層地?zé)豳Y源“無泵式”開采是怎么實現(xiàn)的?

時間:2023-05-16 10:53:40    來源:科普中國網(wǎng)    

出品:科普中國


(資料圖)

作者:馬青山,陳娟雯 博士(中國科學(xué)院廣州能源研究所)

天氣漸寒,不少人都會叫上幾個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)。在我們每個人的腳下,都存在著一種儲量巨大的清潔可再生能源——地?zé)崮?。迄今為止,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。

冰島藍湖溫泉

(圖片來源:Veer圖庫)

地?zé)崮芨鶕?jù)其資源特點,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發(fā)最為容易的就是水熱型地?zé)豳Y源,深受人們喜愛的溫泉便是一種地面出露的水熱型地?zé)帷?/p>

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

為何能源無限,使用卻有限?

可能有人會問,既然我們擁有這么多能源,為什么之前沒有得到大規(guī)模的利用呢?這是因為干熱巖位于地下數(shù)千米,且沒有天然的傳熱流體介質(zhì),開采難度非常大。

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

相較單井地?zé)峒夹g(shù),增強型地?zé)峒夹g(shù)(EGS)具有采熱量大的顯著優(yōu)勢。然而由于大規(guī)模造儲和鉆井工程,需要大量的前期投資,且工質(zhì)漏失、結(jié)垢嚴重、熱儲短路等技術(shù)問題尚未解決,因此,目前還未有成功商業(yè)化的EGS案例,需要進一步的技術(shù)積累和進步。

增強型地?zé)嵯到y(tǒng)示意圖

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

熱管是一種利用工質(zhì)相變和流動來實現(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個數(shù)量級,已經(jīng)在很多應(yīng)用場景下大展手腳。

一般的重力熱管長度在10米以內(nèi),若長度超過10米,熱管就會出現(xiàn)氣液相流動卷攜和管內(nèi)蒸發(fā)相變不穩(wěn)定等問題,傳熱性能就可能會大幅下降,難以維持良好的傳熱性能。限于此,長期以來一直沒有實現(xiàn)大長度熱管的技術(shù)突破。

用于電腦主機散熱的熱管

(圖片來源:作者自制)

**超長重力熱管(SLGHP)地?zé)衢_采技術(shù)是中科院廣州能源所蔣方明研究團隊在2017年提出的一種新型干熱巖開采技術(shù)路線,**其核心思路是通過一根千米級的超長重力熱管,將地下干熱巖當(dāng)中的熱能傳輸?shù)降孛孢M行利用。

這項技術(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“超級長”的重力熱管之上。

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

技術(shù)突破:超長重力熱管系統(tǒng)

超長重力熱管地?zé)衢_采系統(tǒng)簡圖

(圖片來源:Energy,2022)

經(jīng)過數(shù)年的研發(fā),科研團隊通過熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計攻克了這些難點,成功研發(fā)了可用于數(shù)千米干熱巖地?zé)衢_采的超長重力熱管。研發(fā)團隊在唐山開展的現(xiàn)場試驗中,利用一根3000米長的熱管,在平均地下地層溫度為95.6℃時,在地面上獲得了最高溫度為90℃的蒸汽,長期采熱量達190kW,這是首次成功實施的千米級重力熱管。

隨后,團隊通過進一步的熱管設(shè)計優(yōu)化和工質(zhì)優(yōu)選,開發(fā)了新一代地?zé)釤峁?。在河北雄安,團隊從4000米地?zé)峋畠?nèi),實現(xiàn)了熱管系統(tǒng)長期采熱率達到800kW以上,為目前最高的中深層地?zé)釂尉蔁崧省?/p>

超長重力熱管地?zé)崮芟到y(tǒng)采熱雄安測試

(圖片來源:作者自制)

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

首先,熱管完全自驅(qū)動,無需額外消耗泵功,管內(nèi)熱傳輸過程?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?,可以直接?qū)動冷、電循環(huán),無需換熱,效率更高,結(jié)構(gòu)更簡單。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)險更小。

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

超長重力熱管采出的蒸汽可以進行方便的綜合化熱利用。對于地溫條件較好的地?zé)峋?,可?strong>直驅(qū)汽輪機發(fā)電或制冷,隨后通過冷凝器管路為住宅提供生活熱水。而對于地溫條件較差的地?zé)峋?,通??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冷凝器凝結(jié)為生活熱水,輸送給住宅使用。

隨著國家十四五規(guī)劃和“雙碳”戰(zhàn)略的出臺,清潔能源技術(shù)迎來了發(fā)展的春天。目前,超長重力熱管系統(tǒng)已初步形成標準化產(chǎn)品,其商業(yè)模式也在逐步建立。相信經(jīng)過科研人員的持續(xù)努力,這項技術(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”愿景貢獻力量。

或許在不久以后,“隨地取熱”的時代就會來臨。

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