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[摘要]我国在一次能源的总资源中,煤炭约占90%,燃煤过程中排放的二氧化硫造成严重的酸雨污染。为解决我国能源与环境的矛盾,是以开发清洁与可再生能源为最有效的解决出路,同时,从技术进步、结构调整和机制创新等多方面寻找出路。本文主要介绍了我国地热能的能源储备以及地热能的开发利用状况和前景,分析了地热能在开发利用过程中存在的问题及解决办法,为解决我国能源问题及洁净能源的开发提供了重要的保障,展现了新能源的美好前景。
[关键字]地热能;开发利用;地源热泵;环境问题
1、引言
我国在1995年就已经成为全球二氧化硫排放最多的国家,超过了欧洲和美国。目前全国火电厂二氧化硫排放量占全国的40%,预计到2010年将占60%。20世纪90年代中期,我国由于酸雨和二氧化硫污染造成农作物、森林和人民健康等方面的经济损失约为1100多亿元,已接近当年国民生产总值的2%,成为制约我国经济和社会发展的重要因素。同时,化石燃料燃烧产生的二氧化碳引起的全球气候变化。我国的二氧化碳排放量居世界第二位,占全世界的13%。据专家估计,以煤炭为主的矿物能源消费的增长,将使我国温室气体和二氧化碳的排放在未来10年内有明显的增长,在随后的20年可能趋于平稳,2030年将达到相当于美国目前的排放水平。大量使用矿物燃料产生的二氧化碳会使全球气候变暖。能源引起的环境污染治理已成为我国国民经济发展中必须考虑的重大问题,并将制约未来我国的社会经济和能源发展。
传统能源的消耗,是我国环境面临着严峻的问题,为了解决资源紧缺,环节环境污染压力,一方面,能源开发和利用必须坚持把节约放在首位,提高采收率,在利用上要通过采用先进技术和设备,提高能源使用效率,降低单位产值的能耗;另一方面,要充分重视调整结构。进一步优化能源结构,提高优质能源比重,推进煤炭洁净化利用,积极开发新能源与可再生能源。
2、地热能的介绍
地热能是由地壳抽取的天然热能,这种能量来自地球内部的放射性元素不断进行衰变反应所释放的热量,具有非常高的温度,以热力形式存在,是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达7000℃,而在80至100公英里的深度处,温度会降至650至1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳,热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热,这些加热了的水最终会渗出地面,是一种可再生资源。
根据热资源的性质和赋存状态,地热可分为五种类型:蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。前两类统称为水热型,是现在开发利用的主要地热资源,后两类属于潜在地热资源,地压型地热资源虽然生成条件不太普遍(往往在含油盆地深部),但其能量潜力巨大,且除热能外,往往还贮存有甲烷之类的化学能及高压所致的机械能。
3、地热能的开发剥用状况
3.1 国外地热资源开发利用现状
从1904年首次地热发电成功,地热能的商业性开发利用已有一个世纪历史。到2005年,全世界已有24个国家利用地热发电,有72个国家直接利用地热,地热发电总量56.95TWh/a,地热直接利用75.94TWh/a。由于地热热泵技术的采用,使热源的可利用温度低至12℃,过去所谓“地热资源在分布上有局限性”的观念将被改变,这为地热能的开发利用打开了一个新窗口。特别指出的是,只要开发利用技术和管理得当,地热能可以认为是一种无污染的清洁能源。因此,国际上的地热能开发利用极为迅速。作为新能源大家族中的一员,地热能与太阳能、风能、生物质能一样,除个别国家之外,目前在整个能源结构中的地位可以说是微乎其微。若将太阳能、风能、潮汐能与地热能加以比较,因为地热的品位最高,是目前新能源家族中最为现实的热源。
3.2 我国地热资源开发利用现状
地热资源是我国蕴涵比较丰富的一种无污染的清洁能源,随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭,地热资源将成为未来能源的一个重要组成部分。我国利用地热资源的方式主要是高温地热发电和中低温地热直接利用。
3.2.1 地热发电
地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。我国高温地热资源(温度高于150℃)主要集中在西藏南部、云南西部和台湾东部。目前已有5500个地热点,45个地热田,热储温度均超过200℃。如果能将其全部转化为电能,将会对我国能源结构产生巨大影响。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似,也是根据能量转换原理,首先把地热能转换为机械能,再把机械能转换为电能。
3.2.2 地热水的直接利用
我国中低温地热直接利用主要在地热供暖、医疗保健、洗浴和旅游度假、养殖、农业温室种植和灌溉、工业生产、矿泉水生产等方面。并逐步开发了地热资源梯级利用技术、地下含水层储能技术等。目前,在全国地热水利用方式中,供热采暖占18.0%,医疗洗浴与娱乐健身占65.2%,种植与养殖占9.1%;其他占7.7%。
(1)地热直接供暖
我国北方城市冬季取暖仍以煤为主要能源,其燃烧产生的二氧化碳、粉尘等对空气环境造成的污染日趋严重,成为困扰城市居民的一大问题。使用地热采暖系统则可直接传递热量,绝不会对空气造成污染。尤其是在改造传统设备的基础上,通过热交换器,地热水无须直接进入通暖管道,只留干净的水在管道中循环,基本解决了腐蚀、结垢的问题。不仅如此,其经济效益也十分明显。采用地热供暖,其费用只是采用燃油气锅炉的10%,燃煤锅炉的20%。因此,大力提倡与推广地热供暖,将对环保事业做出重要的贡献。
(2)医疗保健
地热水富含硼、硅、锶、氟、锂、碘等多种矿物质,有一定的医疗、保健、养生作用,适应于循环机能不全疾病。经常用热矿水进行洗浴,对心血管硬化、坐骨神经痛、慢性风湿性关节炎、湿疹、牛皮癣、慢性胃炎及慢性支气管炎等病有一定疗效。长期洗浴,可改善人体环境、增强体质、延缓衰老、有益健康。热矿水人室,无疑会大大提高居民的生活质量。
(3)娱乐、旅游
依托温泉浴疗,可以开发游泳馆、嬉水乐园、康乐中心、会议中心、疗养中心、温泉饭店、温泉度假村、高级宾馆等一系列娱乐旅游项目。
(4)农业温室种植和灌溉
地热是一种复合型资源,非常适合生物的反季节、异地养殖与种植。利用地热能可以为温室供暖,利用地热水可以进行温带水生物的养殖,地热水中的矿物质还可以为生物提供所需的养分。在我国北方,地热主要用于种植较高档的瓜果类、菜类、食用菌、花卉等,在南方,主要用于育秧。据统计,全国现共有地热温室和大棚133万m2,其中仅河北省就占47万m2。利用地热水进行农业种植灌溉,不仅可以促进早熟,而且还有明显的增产效果。目前,我国温室种植开采利用地热资源折合标准煤21.5万吨/a,占地热资源年开采总量的3.4%。 (5)余热供暖
用于洗浴、娱乐等方面的地热水在使用后,热水温度依然很高,仍含有大量的热能,如果能有效的加以利用,就会带来巨大的经济效益和社会效益。比如北京市地质勘察技术院与清华同方合作实验成功了环保型地温热泵供暖系统,它可以从热水,甚至冷水中提取热能供暖,使地热能的综合利用率提高到了80%左右,其运行成本低于燃气和燃油。这套系统的实验成功为地热水的余热供暖开辟了广阔的天地。
我国地热资源利用虽然占据世界首位,但在我国能源结构中不足0.5%,地热发电也仅占世界地热发电的0.35%。大力开发和有效利用地热资源已成为我国当前能源问题形势下一个新的命题。
(6)浅层地温能利用技术
地源热泵采暖、空调、热水联供技术的实现
地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源的既可制冷空调又可采暖和提供热水的高效节能空调技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),以地源能作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源,同时实现建筑采暖、制冷和生活热水的三联供。
地源热泵三联供技术特点和创新性如下:
采用地源热泵技术替代传统的“制冷机 锅炉”方式,全年节约能源费用40%;地源热泵制热温度可高达70℃,可与旧式暖气片相配套,无需对室内设备进行改造;地源热泵采用对环境友好的制冷机为工质,对臭氧层无破坏作用;以地源能作为热泵的冷、热源,整个系统无有害物质排放。
地源热泵的核心技术就是利用地源能温度夏季比环境温度低,冬季比环境温度高的特点,实现高效制冷、制热的功能。本技术自研究以来,已成功的应用于各类建筑,实现了建筑物夏季空调、冬季采暖、全年供热水的功能,与常规“制冷机 锅炉”系统相比,全年可节约能源40%。地源能作为一种清洁可再生能源,不象化石燃料在获取能源和产生电力的同时,向环境排放大量的燃烧产物,如CO2、SO2、NOx、粉尘等,具有明显的社会和环境保护效益。
4、地热能开发利用的优缺点
4.1 地热能的开发会带来不少的优点:
(1)在某些地区为常年可再生能源,家居采暖的高效方式,硬件设备使用寿命长。
(2)优化能源产业结构,减少环境污染,推进煤炭洁净化利用
(3)带动其他产业发展,提高市场经济利益。
4.2 地热能的开发会引起一些环境问题。
(1)地热水中常常含有一些有害物质,如较多的氟、硼、砷、汞以及重金属铬、镉等,其中还有些钙、镁离子,容易结垢。对於周围没有污水排放条件的地区,水化学污染成了开发地热的严重障碍。
(2)地热水抽取过多还会引起地面沉降
(3)在地热开发过程中,总会有些从地下出束的气体被排放到大气中,遣些气体主要是水蒸气,但往往还有硫化氢和二氧化碳等,硫化氢有恶臭和对金属的腐蚀性。
(4)只在特定地区适用,有可能在数年后枯竭。
参考文献
[1]徐军祥我国地热资源与可持续开发利用中国人口,资源与环境2005-02-039
[2]马伟斌地源热泵采暖、空调、热水联供技术的实现中国科学院广州能源研究所2007-10-20
[3]冯硕颖地热能的利用及其前景内蒙古科技与经济2007-24-102
[4]我国地热能利用居世界第一中国有色金属矿产资源信息网2007-10-20;http://www.canengyuan.com/geother-mal/geothinfo/20071020/316.html
[5]地热能应用的利与弊中国绿色能源资讯网2007-11-11hap://www.canengvuan.com/geothermal/geothteeh/20071111/765.html
[关键字]地热能;开发利用;地源热泵;环境问题
1、引言
我国在1995年就已经成为全球二氧化硫排放最多的国家,超过了欧洲和美国。目前全国火电厂二氧化硫排放量占全国的40%,预计到2010年将占60%。20世纪90年代中期,我国由于酸雨和二氧化硫污染造成农作物、森林和人民健康等方面的经济损失约为1100多亿元,已接近当年国民生产总值的2%,成为制约我国经济和社会发展的重要因素。同时,化石燃料燃烧产生的二氧化碳引起的全球气候变化。我国的二氧化碳排放量居世界第二位,占全世界的13%。据专家估计,以煤炭为主的矿物能源消费的增长,将使我国温室气体和二氧化碳的排放在未来10年内有明显的增长,在随后的20年可能趋于平稳,2030年将达到相当于美国目前的排放水平。大量使用矿物燃料产生的二氧化碳会使全球气候变暖。能源引起的环境污染治理已成为我国国民经济发展中必须考虑的重大问题,并将制约未来我国的社会经济和能源发展。
传统能源的消耗,是我国环境面临着严峻的问题,为了解决资源紧缺,环节环境污染压力,一方面,能源开发和利用必须坚持把节约放在首位,提高采收率,在利用上要通过采用先进技术和设备,提高能源使用效率,降低单位产值的能耗;另一方面,要充分重视调整结构。进一步优化能源结构,提高优质能源比重,推进煤炭洁净化利用,积极开发新能源与可再生能源。
2、地热能的介绍
地热能是由地壳抽取的天然热能,这种能量来自地球内部的放射性元素不断进行衰变反应所释放的热量,具有非常高的温度,以热力形式存在,是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达7000℃,而在80至100公英里的深度处,温度会降至650至1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳,热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热,这些加热了的水最终会渗出地面,是一种可再生资源。
根据热资源的性质和赋存状态,地热可分为五种类型:蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。前两类统称为水热型,是现在开发利用的主要地热资源,后两类属于潜在地热资源,地压型地热资源虽然生成条件不太普遍(往往在含油盆地深部),但其能量潜力巨大,且除热能外,往往还贮存有甲烷之类的化学能及高压所致的机械能。
3、地热能的开发剥用状况
3.1 国外地热资源开发利用现状
从1904年首次地热发电成功,地热能的商业性开发利用已有一个世纪历史。到2005年,全世界已有24个国家利用地热发电,有72个国家直接利用地热,地热发电总量56.95TWh/a,地热直接利用75.94TWh/a。由于地热热泵技术的采用,使热源的可利用温度低至12℃,过去所谓“地热资源在分布上有局限性”的观念将被改变,这为地热能的开发利用打开了一个新窗口。特别指出的是,只要开发利用技术和管理得当,地热能可以认为是一种无污染的清洁能源。因此,国际上的地热能开发利用极为迅速。作为新能源大家族中的一员,地热能与太阳能、风能、生物质能一样,除个别国家之外,目前在整个能源结构中的地位可以说是微乎其微。若将太阳能、风能、潮汐能与地热能加以比较,因为地热的品位最高,是目前新能源家族中最为现实的热源。
3.2 我国地热资源开发利用现状
地热资源是我国蕴涵比较丰富的一种无污染的清洁能源,随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭,地热资源将成为未来能源的一个重要组成部分。我国利用地热资源的方式主要是高温地热发电和中低温地热直接利用。
3.2.1 地热发电
地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。我国高温地热资源(温度高于150℃)主要集中在西藏南部、云南西部和台湾东部。目前已有5500个地热点,45个地热田,热储温度均超过200℃。如果能将其全部转化为电能,将会对我国能源结构产生巨大影响。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似,也是根据能量转换原理,首先把地热能转换为机械能,再把机械能转换为电能。
3.2.2 地热水的直接利用
我国中低温地热直接利用主要在地热供暖、医疗保健、洗浴和旅游度假、养殖、农业温室种植和灌溉、工业生产、矿泉水生产等方面。并逐步开发了地热资源梯级利用技术、地下含水层储能技术等。目前,在全国地热水利用方式中,供热采暖占18.0%,医疗洗浴与娱乐健身占65.2%,种植与养殖占9.1%;其他占7.7%。
(1)地热直接供暖
我国北方城市冬季取暖仍以煤为主要能源,其燃烧产生的二氧化碳、粉尘等对空气环境造成的污染日趋严重,成为困扰城市居民的一大问题。使用地热采暖系统则可直接传递热量,绝不会对空气造成污染。尤其是在改造传统设备的基础上,通过热交换器,地热水无须直接进入通暖管道,只留干净的水在管道中循环,基本解决了腐蚀、结垢的问题。不仅如此,其经济效益也十分明显。采用地热供暖,其费用只是采用燃油气锅炉的10%,燃煤锅炉的20%。因此,大力提倡与推广地热供暖,将对环保事业做出重要的贡献。
(2)医疗保健
地热水富含硼、硅、锶、氟、锂、碘等多种矿物质,有一定的医疗、保健、养生作用,适应于循环机能不全疾病。经常用热矿水进行洗浴,对心血管硬化、坐骨神经痛、慢性风湿性关节炎、湿疹、牛皮癣、慢性胃炎及慢性支气管炎等病有一定疗效。长期洗浴,可改善人体环境、增强体质、延缓衰老、有益健康。热矿水人室,无疑会大大提高居民的生活质量。
(3)娱乐、旅游
依托温泉浴疗,可以开发游泳馆、嬉水乐园、康乐中心、会议中心、疗养中心、温泉饭店、温泉度假村、高级宾馆等一系列娱乐旅游项目。
(4)农业温室种植和灌溉
地热是一种复合型资源,非常适合生物的反季节、异地养殖与种植。利用地热能可以为温室供暖,利用地热水可以进行温带水生物的养殖,地热水中的矿物质还可以为生物提供所需的养分。在我国北方,地热主要用于种植较高档的瓜果类、菜类、食用菌、花卉等,在南方,主要用于育秧。据统计,全国现共有地热温室和大棚133万m2,其中仅河北省就占47万m2。利用地热水进行农业种植灌溉,不仅可以促进早熟,而且还有明显的增产效果。目前,我国温室种植开采利用地热资源折合标准煤21.5万吨/a,占地热资源年开采总量的3.4%。 (5)余热供暖
用于洗浴、娱乐等方面的地热水在使用后,热水温度依然很高,仍含有大量的热能,如果能有效的加以利用,就会带来巨大的经济效益和社会效益。比如北京市地质勘察技术院与清华同方合作实验成功了环保型地温热泵供暖系统,它可以从热水,甚至冷水中提取热能供暖,使地热能的综合利用率提高到了80%左右,其运行成本低于燃气和燃油。这套系统的实验成功为地热水的余热供暖开辟了广阔的天地。
我国地热资源利用虽然占据世界首位,但在我国能源结构中不足0.5%,地热发电也仅占世界地热发电的0.35%。大力开发和有效利用地热资源已成为我国当前能源问题形势下一个新的命题。
(6)浅层地温能利用技术
地源热泵采暖、空调、热水联供技术的实现
地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源的既可制冷空调又可采暖和提供热水的高效节能空调技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),以地源能作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源,同时实现建筑采暖、制冷和生活热水的三联供。
地源热泵三联供技术特点和创新性如下:
采用地源热泵技术替代传统的“制冷机 锅炉”方式,全年节约能源费用40%;地源热泵制热温度可高达70℃,可与旧式暖气片相配套,无需对室内设备进行改造;地源热泵采用对环境友好的制冷机为工质,对臭氧层无破坏作用;以地源能作为热泵的冷、热源,整个系统无有害物质排放。
地源热泵的核心技术就是利用地源能温度夏季比环境温度低,冬季比环境温度高的特点,实现高效制冷、制热的功能。本技术自研究以来,已成功的应用于各类建筑,实现了建筑物夏季空调、冬季采暖、全年供热水的功能,与常规“制冷机 锅炉”系统相比,全年可节约能源40%。地源能作为一种清洁可再生能源,不象化石燃料在获取能源和产生电力的同时,向环境排放大量的燃烧产物,如CO2、SO2、NOx、粉尘等,具有明显的社会和环境保护效益。
4、地热能开发利用的优缺点
4.1 地热能的开发会带来不少的优点:
(1)在某些地区为常年可再生能源,家居采暖的高效方式,硬件设备使用寿命长。
(2)优化能源产业结构,减少环境污染,推进煤炭洁净化利用
(3)带动其他产业发展,提高市场经济利益。
4.2 地热能的开发会引起一些环境问题。
(1)地热水中常常含有一些有害物质,如较多的氟、硼、砷、汞以及重金属铬、镉等,其中还有些钙、镁离子,容易结垢。对於周围没有污水排放条件的地区,水化学污染成了开发地热的严重障碍。
(2)地热水抽取过多还会引起地面沉降
(3)在地热开发过程中,总会有些从地下出束的气体被排放到大气中,遣些气体主要是水蒸气,但往往还有硫化氢和二氧化碳等,硫化氢有恶臭和对金属的腐蚀性。
(4)只在特定地区适用,有可能在数年后枯竭。
参考文献
[1]徐军祥我国地热资源与可持续开发利用中国人口,资源与环境2005-02-039
[2]马伟斌地源热泵采暖、空调、热水联供技术的实现中国科学院广州能源研究所2007-10-20
[3]冯硕颖地热能的利用及其前景内蒙古科技与经济2007-24-102
[4]我国地热能利用居世界第一中国有色金属矿产资源信息网2007-10-20;http://www.canengyuan.com/geother-mal/geothinfo/20071020/316.html
[5]地热能应用的利与弊中国绿色能源资讯网2007-11-11hap://www.canengvuan.com/geothermal/geothteeh/20071111/765.html