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专家:干热岩的开发利用将开启第三次工业革命

2022-09-28 11:16:42 地调科普   作者: 刘德民  

1.全球能源形势与我国相关政策

全球为了构建绿色宜居的地球,应对全球气候变暖、化石能源日渐短缺、环境持续污染恶化和节能减灾减排,提出了能源结构调整政策,即从传统化石能源转向清洁可再生新能源。

我们现在所知的能源有传统能源,如煤、石油、天然气及核能;新能源有页岩气,天然气水合物和氢能等,而这些能源都是不可再生的;而可再生能源主要有风能、太阳能和地热能。而地热能以其绿色、安全、利用率高、稳定、分布广、储量大等优点,成为当前可再生能源中全球关注的焦点。

随着我国经济发展进入新常态,社会各界对于绿色低碳可持续发展的要求越来越高,同时应对北方地区频发的雾霾,我国最近几年频繁出台各种政策和法规以解决北方地区清洁取暖、南方冬冷夏凉采暖制冷、西南多热发电,为地热发展迎来了一轮快速发展的机遇期。2014年6月13日,习近平总书记主持召开中央财经领导小组第六次会议,研究中国能源安全战略,提出推动能源消费、能源供给、能源技术、能源体制四方面的“革命”。2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布,“中国将采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争2030年前达到峰值(碳达峰),努力争取2060年前实现碳中和”。目前全世界都在力争“碳达峰”和“碳中和”的远景目标。“碳中和”意味着一个以化石能源为主支持发展的时代开始结束,一个新的绿色环保时代开始了,一个向非化石能源过渡的(地热能)时代来临,全球追求一个共同的目标,一个共同的价值观—碳中和。要实现碳中和这个远景目标,必须以新的绿色可再生能源取代化石能源。

2.干热岩的特征与用途

干热岩(hot dry rock)作为一种可再生的清洁能源开始受到全球关注,不同国家根据本国地质条件给干热岩的定义也有差别;我国能源局给干热岩下的定义为不含或仅含少量流体,温度高于180℃,其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩石体,是地热资源中一种特殊的能源。目前,国内生产实践过程中通常把埋藏深度在3~5km,温度达到150℃以上的储热固态地质体作为干热岩勘探开发利用对象。

我们知道,自地球表面向地下深处,按温度可以划分为三层,即变温层(外热层):接近地表,0-20m,地温主要受太阳光辐射热的影响,随季节、昼夜的变化而变化;常温层:变温层下温度常年不变的地带,20-40m,热量来自于地球内部地热,地温与当地年平均温度大致相当,且常年保持不变;增温层:常温层之下,>40m,地温随深度增大而逐渐增加,热量来自于地球内部。地球有颗火热的心,据科学家估算,壳幔边界的温度达870℃,核幔边界的温度达3700℃,而地核温度高达7200℃。所以,地球内部的热能是非常巨大的。据估算,全球地热资源量接近5000万亿吨标煤,而中国约占全球资源量的六分之一;其中,我国3-10km干热岩地热资源总量约为2.5×1025J,相当于856万亿吨标煤,是我国油气、煤炭总资源量的30倍;如果干热岩的可开采率40%,按我国2019年能源消费总量为48.6亿吨标准煤作为基数来计算,那么我国3-10km干热岩的可采资源量可供我国使用7万年。

干热岩是当前公认的利用率高(远高于风能、太阳能)、无污染(不会影响生态、环境变化)、储量巨大(可以供人类使用几万年)、分布广(全球深部无处不在)、持续稳定(不受天气、季节变化而影响)、安全性好(不会引起较大次生灾害)、最优质的,能够取代化石能源的可再生的清洁能源。干热岩用途广,可以梯级综合利用,可以用于发电、供暖、辅助采油、干燥、降温、洗浴、养殖种植,从高温到低渐逐级利用,是可以吃干榨尽的能源(图1)。

图1 地热资源综合梯级利用图

地热资源一般指浅层地热、水热型地热和干热岩型地热,而干热岩型地热除了以上优势和特征外,相对于前两者来说,其利用率更高,不需要进行尾水回灌,发电可控性更强。有学者认为,干热岩与火山、地震及温泉是具有相同的热源,只是由于热的传递方式、储热介质及导热通道不同,所以取出干热岩中的热能就可以减少火山、地震等自然灾害的发生。干热岩的开发利用能够很好地达到取热减灾减排的作用,是全球建设绿色宜居地球的利器。

3.干热岩成因与分布

地热资源具有同源共生、壳幔生热、构造聚热等多种成因理论。目前,根据干热岩热源的主要来源及其形成背景,主要划分有四种干热岩地热资源即沉积盆地型(地壳减薄区)干热岩、强烈构造活动带型干热岩、近代火山型干热岩和高放射性产热型干热岩。

沉积盆地型干热岩热源主要为地幔热流,生热方式为地核地幔传导对流生热。沉积盆地型干热岩资源具有基岩覆盖层较大、表层地温梯度较大、增温稳定的特征。由于地幔热物质向上运移,软流圈上涌导致岩石圈减薄、莫霍面和居里面局部抬升,中下地壳汇聚了大量的热能,低阻高导体及韧性剪切流变带快速将热能向上传导;深部热源向上传导到达覆盖层时,由于沉积覆盖层热导率小的特点,阻止了热量的散失,从而在地壳浅部聚敛超常热能而形成干热岩高温热储(图2)。

高放射性产热型干热岩热源主要为地壳热流,生热方式为放射性元素衰变生热。地球中可产生衰变的放射性元素较多,但能够为干热岩提供热能的元素必须具备三种条件,即有足够的丰度,放射性生热效率较高,半衰期和地球年龄相当。据目前所知,具备这些条件的元素只有U、Th、K这3种。由于这3种元素在地壳岩石中平均含量和生热差异悬殊,经计算分析发现在花岗岩中含量大且生热率高,因而,这类干热岩往往发育在地表及浅部发育许多大型的中、新生代酸性花岗岩类岩体的地区。由于该类岩体具有较高的放射性产热特征,加之幔源传导型热量也较高时,在覆盖层理想的地方,可以获取具有开发潜力的干热岩资源。

近代火山型干热岩热源为岩浆活动,生热方式为高温熔浆沿断裂系统向浅部运移生热。国际上很多知名的干热岩资源区如冰岛、日本干热岩区均属于这种类型。受底部未冷却岩浆的作用,地表具有明显的水热活动现象。深部的岩浆沿断裂向运移并把大量的热带到地表,通常在较浅的地方就可以获得较高的温度。我国如腾冲、长白山、五大连池等地区。

图2 裂谷盆地区干热岩成因概念模型

强烈构造活动带型干热岩热源为地壳运动,生热方式为强烈的构造运动减压熔融生热。青藏高原南部、滇西沸泉、高温泉分布区和台湾沸泉、高温泉,属中国新构造造山运动最为剧烈的地区。因此这里具有高热流、高地温梯度、高温泉和沸泉以及水热爆炸等热显示。欧亚和印度洋板块挤压,有侵入体和熔融体等高温岩浆热源,壳内低速层发育、新构造运动强烈、与活动性非均匀固态-半固态流变有关的强烈韧性变形-热隆伸展构造发育。

4.碳中和与干热岩

欧盟从达峰到2050年实现碳中和有60年时间,美国从达峰到2050年碳中和有40多年时间,我国从达峰到实现碳中和仅30多年时间。中国实现碳中和的时间短、起点强度高。因此,国家地热能“十四五”规划构想将通过实施“一点、两带、三区、国际化”的发展路径,以此带动地热能产业的高质量快速发展。“一点”是打造雄安新区地热产业高质量发展样板,占领全球行业制高点;“两带”是围绕黄河流域生态保护和高质量发展战略与长江经济带发展战略打造两个流域的地热能产业发展潜力带;“三区”是重点发展北方地区的冬季清洁取暖、南方夏热冬冷地区的供暖(制冷)和青藏高原地区的地热发电;“国际化”是配合国家“一带一路”战略,通过国际交流与合作,加强国外先进技术的引进、消化和吸收,推进地热产业在“一带一路”沿线地区的布局与推广,实现走出去的目标。

2021年4月18日,中国科技部部长王志刚在香山科学会议上表示,碳达峰碳中和将带来一场由科技革命引起的经济社会环境的重大变革,其意义不亚于三次工业革命。我们知道,第一次工业革命发生18世纪,由煤取代木柴,人类社会进入蒸汽时代,欧洲英、德等国家成为了世界强国;第二次工业革命发生19世纪,由石油取代煤,人类社会进入电器时代,美国成为了世界霸主。那么,第三次工业革命是否可能就发生在21世纪的现代,由可再生新能源取代化石能源,干热岩的开发利用将会开启第三次工业革命,人类进入数字化、网络化、高科技时代,哪个国家掌控了高科技和可再生新能源就有可能成为世界新的超级大国。绿色宜居的地球急切需要高科技开发利用可再生新能源-干热岩。(第五届“保护地球 精彩地质”科普作品大赛优秀作品)

原标题:干热岩——建设绿色宜居地球的利器

作者:刘德民,中国地质大学(武汉)

来源:地质调查科普网




责任编辑: 李颖

标签: 干热岩 开发利用

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