干熱巖發(fā)電
導(dǎo) 言
在大地的深處隱藏著一股巨大的能源，它存在于那些不起眼的巖石之中，這種利用巖石發(fā)電的技術(shù)被稱作干熱巖發(fā)電。
??2014年在青海發(fā)現(xiàn)溫度達(dá)153℃的干熱巖，是我國(guó)首次鉆探發(fā)現(xiàn)干熱巖。
大概是目睹了火山噴發(fā)的力量之后，人類就一直在尋找開發(fā)這種古老而巨大的能量的方法。尋尋覓覓，終于找到了一種利用干熱巖體發(fā)電的手段。它在1970年被美國(guó)人莫頓和史密斯提出，但是，它的提出并沒有引起多少人的注意，甚至是到了科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的2018年，它的潛在價(jià)值也沒有被很好的發(fā)掘。
什么是干熱巖？
干熱巖(hot drynoodlerock)是靠熱來發(fā)電的。目前對(duì)于干熱巖的正統(tǒng)定義是——增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）。廣義上我們可以理解成一種地?zé)豳Y源，是一般大于200攝氏度、深埋數(shù)千米、內(nèi)部不存在流體或存在少量地下流體的高溫巖體。
干熱巖發(fā)電過程
干熱巖發(fā)電是20世紀(jì)70年代由美國(guó)加州大學(xué)研究人員提出的。其基本理論是在高溫但不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體中，通過水力壓裂等方法制造出一個(gè)人工熱儲(chǔ)水庫(kù)，將地面冷水注入地下深處以獲取熱能，然后將熱水導(dǎo)出至地面進(jìn)行發(fā)電。
為了獲得地下的干熱巖資源我們需要幾個(gè)步驟：
1. 首先從地表往干熱巖層中打一眼井（注入井）。
2. 封閉井孔后向井中高壓注入溫度較低的水，以產(chǎn)生非常高的水壓力。
3. 高壓最終在巖層處產(chǎn)生一個(gè)大致呈面狀的人工干熱巖熱儲(chǔ)構(gòu)造。
4.在注入井的合理位置上再鉆幾口豎井，貫通人工熱儲(chǔ)構(gòu)造，它們是用來回收高溫水、汽的生產(chǎn)井。
5.提取出的高溫蒸汽可以用于地?zé)岚l(fā)電和綜合利用，使用后的溫水又通過注入井回到干熱巖中，從而達(dá)到循環(huán)利用的目的。
干熱巖憑借它巨大的儲(chǔ)量、環(huán)保無污染的優(yōu)勢(shì)成為了新能源中升起的新星。在干熱發(fā)電概念提出四年后，美國(guó)在新墨西哥州啟動(dòng)了世界上第一個(gè)干熱巖發(fā)電項(xiàng)目。之后，英國(guó)、日本、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)家也相繼投入了研發(fā)力量。
??2009年1月，澳大利亞建成一座1000kW 的示范電站，專為建站地點(diǎn)的小鎮(zhèn)供電。準(zhǔn)備3年后再鉆9眼深井，建成一座5萬kW的干熱巖發(fā)電站。
位于法國(guó)東北部蘇爾茨地?zé)崽锸菤W洲近幾年來基于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)中比較成功的一個(gè)技術(shù)案例。它在2013年實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定利用干熱巖技術(shù)的地?zé)岚l(fā)電目標(biāo)，并且成功投入了商業(yè)化持續(xù)運(yùn)行。它的誕生使得干熱巖從一個(gè)純粹的科研項(xiàng)目變成了具有一定可行性的商業(yè)項(xiàng)目。
??法國(guó)蘇爾茨地?zé)崽?/strong>
我國(guó)干熱巖的開發(fā)
我國(guó)對(duì)干熱巖的研究和開發(fā)比較晚，但發(fā)展迅速。2015年，十二五規(guī)劃之后，我們順利在福建開鑿了第一個(gè)干熱巖資源勘查深井，井深達(dá)到4000m。
??淺層地?zé)豳Y源分布狀況
2017年9月在青海省共和盆地取得重大勘察突破，初步建立起不同尺度下干熱巖勘查開發(fā)選取評(píng)價(jià)體系和干熱巖資源評(píng)價(jià)方法。總的來說，我們還處于干熱巖開發(fā)的起步階段，但已經(jīng)有不少專家在為干熱巖打call，表示看好。
我國(guó)地?zé)豳Y源豐富。經(jīng)科學(xué)測(cè)算，有國(guó)內(nèi)專家認(rèn)為，中國(guó)大陸3~10公里深處干熱巖資源總計(jì)為2.09×107EJ，合7.149×1014噸標(biāo)準(zhǔn)煤，高于美國(guó)本土(不含黃石公園)干熱巖地?zé)豳Y源量(1.4×107EJ)。若按2%可開采資源量計(jì)算，相當(dāng)于中國(guó)大陸2010年能源消耗總量的4400倍。
??青海共和盆地發(fā)現(xiàn)干熱巖，深度3705m，溫度高達(dá)236℃
從區(qū)域分布上看，青藏高原南部占中國(guó)大陸地區(qū)干熱巖總資源量的20.5%，溫度也最高；其次是華北(含鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹)和東南沿海中生代巖漿活動(dòng)區(qū)(浙江、福建、廣東)，分別占總資源量的8.6%和8.2%;東北(松遼盆地)占5.2%;云南西部干熱巖溫度較高，但面積有限，占總資源量的3.8%。
開發(fā)干熱巖有哪些益處?
1.無溫室氣體排放。基于干熱巖資源利用的新式發(fā)電系統(tǒng)不燃燒化石燃料，因此不會(huì)排放溫室氣體二氧化碳和其他污染物。
2.干熱巖可循環(huán)利用。冷水變熱后可能最終會(huì)使巖石溫度降低到20℃左右，因此一處干熱巖發(fā)電站可能只能連續(xù)工作20年左右。但是，這個(gè)熱儲(chǔ)庫(kù)關(guān)閉后，地心的熾熱巖漿會(huì)重新加熱這些巖石。幾十年后，這些熱巖就能再次被用于發(fā)電。而且，在關(guān)閉期間，發(fā)電站可以得到充分的維修和技術(shù)升級(jí)，為下次發(fā)電做好準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)周期性循環(huán)發(fā)電。
3.干熱巖儲(chǔ)能豐富。開采使用干熱巖，可滿足人類長(zhǎng)期使用需要。研究表明，只要開發(fā)地球上3~10公里深度中2%的干熱巖資源儲(chǔ)量，就能產(chǎn)生2×1020EJ能量，是美國(guó)2005年全年能耗總量的2800倍。也有專家保守估計(jì)，地殼中距地表3~10公里深處的干熱巖所蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全球石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍。
開發(fā)干熱巖面臨哪些困難
1.熱儲(chǔ)水庫(kù)建設(shè)難。干熱巖地?zé)崂茫笤诘叵滦纬蓮V泛的裂隙，讓低溫水流經(jīng)它們來實(shí)現(xiàn)干熱巖熱交換，其前提是要打造地下熱儲(chǔ)水庫(kù)。目前，主要有人工高壓裂隙、天然裂隙、天然裂隙-斷層3種模式。其中研究最多的是人工高壓裂隙模式，即人工高壓注水到井底，高壓水流使巖層中原有的微小裂隙強(qiáng)行張開或受水冷縮產(chǎn)生新的裂隙。隨著低溫水的不斷注入，裂縫持續(xù)擴(kuò)大、增加，并相互聯(lián)通，最終形成面狀的人工熱儲(chǔ)水庫(kù)。
2.鉆井技術(shù)與裝備要求高。開發(fā)干熱巖地?zé)豳Y源需要深井鉆探，鉆打高溫巖體鉆頭的耐熱度需要達(dá)到350℃。另外，在實(shí)際工作中需要應(yīng)用防斜鉆井技術(shù)，這將增加開發(fā)過程中的難度和生產(chǎn)費(fèi)用。
3.用水與水源問題。這項(xiàng)工藝需要借助大量水的循環(huán)。每次提取地?zé)豳Y源時(shí)，都要給地下巖石水庫(kù)注水，在循環(huán)過程中流失的水還得補(bǔ)充。因此，熱儲(chǔ)庫(kù)周邊應(yīng)當(dāng)有充足的水源供應(yīng)。當(dāng)然，也有專家正在研究用超臨界的二氧化碳作為循環(huán)液。這種方法可以避免水溶液注入可能產(chǎn)生的一系列問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化。不過，這項(xiàng)研究才剛剛起步，仍有不少技術(shù)難題有待解決。
此外，除技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家外，世界上大部分國(guó)家對(duì)干熱巖領(lǐng)域重視不足，基礎(chǔ)地?zé)岬刭|(zhì)勘察工作薄弱，勘察手段不完善，基礎(chǔ)研究不深入等，也制約了干熱巖資源的商業(yè)性開發(fā)。
習(xí)題鏈接
練習(xí)一
2017年9月6日，國(guó)土資源部宣布：我國(guó)首次在青海省共和?705米深處鉆獲200℃以上的大規(guī)?？衫酶蔁釒r資源。干熱巖是指地層深處不含水或蒸汽的致密不透的熱巖體，其主要用于發(fā)電，發(fā)電成本僅為風(fēng)力發(fā)電的一半，為太陽(yáng)能發(fā)電的十分之一。讀干熱巖發(fā)電原理示意圖，完成1—3題。
1. 干熱巖屬于
A. 沉積巖 B. 化石能源
C. 玄武巖 D. 地?zé)豳Y源
2. 與風(fēng)能發(fā)電相比，干熱巖發(fā)電
A. 不占用土地資源 B. 不受氣象制約
C. 生產(chǎn)技術(shù)要求低 D. 清潔無污染
3. 若青海省共和盆地的干熱巖大規(guī)模開發(fā)利用，最可能導(dǎo)致當(dāng)?shù)?/p>
A. 地下水位明顯下降 B. 地表溫度升高
C. 太陽(yáng)能開發(fā)會(huì)減少 D. 地殼運(yùn)動(dòng)活躍
解析與答案
1.D 【解析】讀材料可知：“干熱巖是指地層深處不含水或蒸汽的致密不透的熱巖體，其主要用于發(fā)電”，故屬于地?zé)豳Y源，選D。
2.B【解析】風(fēng)能發(fā)電和干熱巖發(fā)電都需要占用較多土地資源，都清潔無污染，A、D錯(cuò)；風(fēng)能發(fā)電受氣象條件制約明顯，干熱巖發(fā)電不受氣象條件制約，B對(duì)；干熱巖發(fā)電對(duì)生產(chǎn)技術(shù)要求更高，C錯(cuò)。選B。
3.C【解析】讀圖可知，干熱巖發(fā)電中的水資源是循環(huán)利用的，故不會(huì)造成地下水位明顯下降，A錯(cuò)；讀圖可知，干熱巖發(fā)電中熱水導(dǎo)出地表被用來發(fā)電，故不會(huì)導(dǎo)致地表溫度升高，B錯(cuò)；因干熱巖發(fā)電成本僅為太陽(yáng)能發(fā)電的十分之一，若青海省的干熱巖大規(guī)模開發(fā)利用，最可能導(dǎo)致當(dāng)?shù)靥?yáng)能開發(fā)減少，選C；讀圖可知，在干熱巖發(fā)電過程中，最終會(huì)形成面狀的人工熱儲(chǔ)水庫(kù)，而其外圍仍然保持原狀態(tài)，故對(duì)地殼活動(dòng)影響不大，D錯(cuò)。
練習(xí)二
干熱巖是溫度大于200℃、埋深3-10千來的高溫巖體，這種巖體的絕大部分為侵入巖。 可燃冰是天然氣水合物。當(dāng)海洋板塊下沉到地球內(nèi)部時(shí)，海底天然氣便在板塊交界帶邊緣上涌，在接觸冰冷海水和深海壓力下形成水合物。下圖為巖石圈物質(zhì)循環(huán)示意圖。據(jù)此完成4—6題。
4.圖中導(dǎo)致干熱巖形成的主要地質(zhì)作用和巖石類型是
A. ①、乙 B. ②、丙
C. ③、沉積巖 D. ④、甲
5.青藏高原南部是我國(guó)干熱巖資源最豐富的地區(qū)，這是因?yàn)檫@里
A. 地處高海拔的高原
B. 地殼的厚度較薄
C. 靠近板塊交界地帶
D. 玄武巖地層廣布
6.可燃冰多形成于
A. 海嶺附近的深海盆
B. 海溝附近的沉積巖
C. 三角洲附近的淺海
D. 高緯的較寒冷海域
解析與答案
4.A【解析】干熱巖絕大部分為侵入巖，屬于巖漿巖。根據(jù)圖中箭頭方面，丙與沉積巖可相互轉(zhuǎn)化，丙是變質(zhì)巖。巖漿只能形成巖漿巖，甲是巖漿，經(jīng)①作用，冷卻凝固作用，形成乙?guī)r漿巖。導(dǎo)致干熱巖形成的主要地質(zhì)作用和巖石類型是①、乙，A對(duì)。B、C、D錯(cuò)。
5.C【解析】青藏高原南部是我國(guó)干熱巖資源最豐富的地區(qū)，這是因?yàn)檫@里靠近板塊交界地帶，巖漿活動(dòng)頻繁，C對(duì)。干熱巖絕大部分為侵入巖，高海拔的高原不是主要成因，A錯(cuò)。地殼的厚度較厚，B錯(cuò)。玄武巖是噴出巖，不是干熱巖的形成條件，D錯(cuò)。
6.B【解析】可燃冰多形成于海洋板塊下沉到地球內(nèi)部的板塊交界地帶，是大洋板塊俯沖到大陸板塊下面，位于板塊消亡邊界，應(yīng)是海溝附近的沉積巖，B對(duì)，A錯(cuò)。三角洲附近的淺海、高緯的較寒冷海域與板塊構(gòu)造無關(guān)，C、D錯(cuò)。
練習(xí)三
讀圖文材料，回答下列問題。
干熱巖，一般是指溫度大于200攝氏度，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體，它遍布地球每個(gè)角落的地下幾千米深處。干熱巖地?zé)岚l(fā)電的流程為：通過注入井將低溫水輸入地下4-8千米的巖層中，經(jīng)過高溫巖體加熱后，再通過生產(chǎn)井將高溫水、汽回收發(fā)電。發(fā)電后將冷卻水通過高壓泵再排至注入井中，重新循環(huán)利用。干熱巖地?zé)岚l(fā)電的成本與以煤炭和天然氣為燃料的火力發(fā)電站的成本大體相當(dāng)，是風(fēng)力發(fā)電的一半，太陽(yáng)能發(fā)電的十分之一。從1985年開始，日本開始對(duì)開發(fā)該能源進(jìn)行研究，至2002年8月建立了干熱巖發(fā)電廠。
（1）簡(jiǎn)述與太陽(yáng)能發(fā)電相比，干熱巖地?zé)岚l(fā)電的優(yōu)勢(shì)。
（2）簡(jiǎn)析日本開發(fā)干熱巖地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)條件。
解析與答案
【解析】
（1）太陽(yáng)能發(fā)電源于太陽(yáng)，占地較廣，受天氣、地域等因素影響較大。與太陽(yáng)能發(fā)電相比，干熱巖地?zé)岚l(fā)電受氣候、天氣、時(shí)間限制??；干熱巖熱儲(chǔ)量大，能源供應(yīng)穩(wěn)定可靠；分布廣泛，地域限制?。毁Y源可循環(huán)利用：發(fā)電成本低。
（2）日本開發(fā)干熱巖地?zé)崮芘c其儲(chǔ)量豐富、缺乏能源礦產(chǎn)、市場(chǎng)大、科技強(qiáng)等條件有關(guān)。日本地處板塊交界地帶，地殼活躍，干熱巖地?zé)崮苜Y源豐富；日本經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，常規(guī)能源資源短缺，能源消費(fèi)市場(chǎng)廣闊；日本是發(fā)達(dá)國(guó)家，資金雄厚，技術(shù)水平高；基礎(chǔ)設(shè)完善；政策支持等。
【答案】
（1）受氣候、天氣、時(shí)間限制??；干熱巖熱儲(chǔ)量大，能源供應(yīng)穩(wěn)定可靠；分布廣泛，地域限制??；資源可循環(huán)利用；發(fā)電成本低。 （2）地處板塊交界，地殼活躍，干熱巖地?zé)崮苜Y源豐富；日本經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，常規(guī)能源資源短缺，能源消費(fèi)市場(chǎng)廣闊；日本是發(fā)達(dá)國(guó)家，資金雄厚，技術(shù)水平高；基礎(chǔ)設(shè)完善；政策支持。
