提要：地?zé)崮茏鳛橐环N零碳、清潔能源，其開發(fā)利用對于碳中和具有重要價值。2015-2020年，全球新增地?zé)岚l(fā)電約3649GW，增長約27%;地?zé)嶂苯永�用總裝機容量增長52.0%。兩者之和，所用熱能比2015年增長72.3%。全球每年地?zé)嶂苯永�用可防�?810t碳和2.526億tCO2排放到大氣中。世界地?zé)崮馨l(fā)展呈現(xiàn)五大趨勢：(1)發(fā)展非常規(guī)地?zé)嵯到y(tǒng);(2)向海上地?zé)豳Y源開發(fā)進(jìn)軍;(3)降低鉆探成本與石油熱能協(xié)同生產(chǎn);(4)加大淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用;(5)加強含水層熱能儲存技術(shù)研發(fā)。

　　關(guān)鍵詞：地?zé)崮?地?zé)岚l(fā)電;地?zé)崮苤苯永��?非常規(guī)地?zé)嵯到y(tǒng);熱能儲存;碳達(dá)峰;碳中和

　　1引言

　　地?zé)崮苁且环N儲量豐富、穩(wěn)定可靠的零碳、清潔能源。大力開發(fā)利用地?zé)崮埽瑢τ谕苿覥O2等溫室氣體減排，實現(xiàn)氣候目標(biāo)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義(張薇等，2019;藺文靜等，2013)。目前，地?zé)豳Y源已成為全球新能源利用的熱點。本文重點介紹世界各國地?zé)崮馨l(fā)電、地?zé)嶂苯永�用的現(xiàn)狀，并對地?zé)崮荛_發(fā)利用的趨勢進(jìn)行了展望。其中世界范圍內(nèi)地?zé)崮荛_發(fā)利用數(shù)據(jù)主要是基于2020年在冰島召開的世界地?zé)岽髸�。世界地�(zé)岽髸�由國際地?zé)釁f(xié)會(InternationalGeothermalAssociation，IGA)主辦，是全球地?zé)豳Y源領(lǐng)域政、產(chǎn)、學(xué)、研各方面交流最新研究成果、最新進(jìn)展的重要平臺(中國科學(xué)報，2019)。

　　能源論文范例：地?zé)峥辈楝F(xiàn)狀及新能源應(yīng)用研討

　　2世界2015-2020年地?zé)岚l(fā)電概況

　　2015-2020年，全球用于電力項目的地?zé)徙@井總數(shù)為1159口，用于電力項目的地?zé)峥偼顿Y為103.67億美元。列出了目前正在生產(chǎn)地?zé)岚l(fā)電的國家或地區(qū)和幾個被認(rèn)為近期內(nèi)有潛力進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電的國家或地區(qū)(BeardsmoreG.,etal.2020;BoissavyC.，etal.2020;CareyB.,etal.2020;GoldbrunnerJ.E.2020;GrajedaE.C.2019;LahanM.,etal.2020)。

　　3世界地?zé)崮苤苯永��?020年回顧

　　地?zé)崮苤苯永�用是最古老、最通用和最常見的熱能利用形式之一。按地區(qū)和大陸總結(jié)了2019年世界裝機熱容量(MW)、年能源使用量(TJ/a和GWh/a)和容量系數(shù)。截至2019年底，全球地?zé)嶂苯永�用的總裝機容量為107727MW，比2015年增加52.0%，年復(fù)合增長率為8.7%。

　　年總能源使用量為1020887TJ(283580GWh)，比2015年增長72.3%，年復(fù)合增長率為11.5%。全球容量系數(shù)為0.300(相當(dāng)于每年2628個滿載運行小時)，比2015年的0.265和2010年的0.28有所增加，但與2005年的0.31和2000年的0.40相比有所有所下降。總結(jié)了過去30年地?zé)嶂苯永�用裝機容量和年能源使用量的增長率(Huttrer和Gerald，2020)。地源熱泵的日益普及對地?zé)崮艿闹苯永�用產(chǎn)生了最顯著的影響，據(jù)報道，2020年58個國家或地區(qū)直接利用地?zé)崮埽�高�?015年的48個國家或地區(qū)。

　　年裝機容量增長1.54倍，復(fù)合增長率9.06%。這些機組的年能源利用量比2015年增長1.84倍，復(fù)合增長率為12.92%。這在一定程度上是由于報告數(shù)據(jù)更全面和地源熱泵利用地下水或地面耦合溫度的能力。地源熱泵利用的前五個國家，按裝機容量(MW和年能源使用量(TJ/a)依次是：中國、美國、瑞典、德國、芬蘭。據(jù)估計，全球安裝了646萬臺熱泵設(shè)備，其中這五個國家占77.4%。

　　4地?zé)嶂苯永�用形�?/p>

　　對1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的容量(MW)、能源利用(TJ/a)和容量或負(fù)荷系數(shù)(C.F.)數(shù)據(jù)，按地?zé)岬牟煌�用途進(jìn)行了劃分。其中前6種地?zé)崮苤苯永�用用途情況。曾試圖區(qū)分開具體空間供暖和區(qū)域供暖，但這往往很困難，因為具體國家的報告沒有作出這種區(qū)分。我們盡最大可能的估計結(jié)果是，區(qū)域供熱占地?zé)峁�熱裝機容量的91%，占年能源使用的59%。融雪在融雪/空調(diào)類別中占大多數(shù)(>90%)。“其他”是一個涵蓋各種用途的類別，各國并未提供詳細(xì)情況，但已知包括畜牧業(yè)、螺旋藻養(yǎng)殖和軟飲料碳酸化等方面(LundJ.W.和FreestonD.H.，2001;LundJ.W.,etal.2006;LundJ.W.,etal.2011;LundJ.W.和FreestonD.H.，2016)。

　　4.1地源熱泵

　　地源熱泵是世界上地?zé)崂�用最廣泛的形式之一，按裝機容量計算占總量的71.6%，按年能源使用量計算占總量的59.2%。裝機容量為77547MW，能源使用量為599981TJ/a，供熱模式下的容量系數(shù)為0.245。盡管大多數(shù)熱泵安裝在北美、歐洲和中國，但安裝熱泵的國家或地區(qū)數(shù)量已從2000年的26個增加到2005年的33個，2010年的43個，2015年的48個，2020年的54個。所安裝的12kW機組當(dāng)量(美國和西歐的典型家庭)的熱泵數(shù)量約為646萬臺。這比2015年的裝機數(shù)量增加了54%，是2010年的兩倍多。然而，單個單元的裝機容量從住宅用的5.5kW到商業(yè)和機構(gòu)設(shè)施用大型單元的150kW以上不等。

　　在美國，除北部各州外，大多數(shù)機組的規(guī)模都是針對峰值冷負(fù)荷的，并且對于供暖來說規(guī)模過大：因此，估計平均每年只有2000個等效的滿載供暖小時(容量系數(shù)為0.23)。在歐洲，大多數(shù)機組都是按熱負(fù)荷來設(shè)計的，并且通常按化石燃料的峰值來提供基本負(fù)荷。然而，其中一些機組的運行時間可能達(dá)到每年3000個等效滿載供熱小時(容量系數(shù)為0.34)，例如在北歐國家(特別是芬蘭)。

　　根據(jù)平均績效系數(shù)(COP)3.5，用裝機容量推斷熱泵的能量使用量(若未報告)，這允許一個單位的能量輸入(通常是電)產(chǎn)生2.5個單位的能量輸出，地?zé)峤M件的額定容量為71%(即(COP-1)/COP=0.71)。在這種情況下，冷負(fù)荷不被視為是地?zé)幔�因為熱量被排放到地下或地下水中。然而，冷卻在替代化石燃料和減少溫室氣體排放方面有著重要作用，因此將在后文加以討論。裝機容量(MW)最大的國家是：中國、美國、瑞典、德國和芬蘭，占世界總量的77.4%;所生產(chǎn)能源(TJ/a)的主要國家也是這五個國家，占世界總量的83.5%。

　　5利用地?zé)峁?jié)省了多少化石能源?

　　地?zé)崾且环N可持續(xù)和可再生能源的無碳“國產(chǎn)”能源，可以替代其他形式的能源使用，特別是化石燃料。對許多國家來說，地?zé)崮軠p少了其對進(jìn)口燃料的依賴，對所有國家來說，地?zé)崮芤馕吨�消除碳顆粒和溫室氣體等污染物。本文試圖量化使用地?zé)崮軐�化石燃料的�?jié)省，如果用于發(fā)電，則效率系數(shù)為0.35，如果直接用于產(chǎn)生熱量，如在熔爐中，則效率系數(shù)為0.70。使用2020年地?zé)嶂苯討?yīng)用消耗的1020887TJ/a能源，每桶燃料油為61.5億焦，燃料用于發(fā)電，則每年可節(jié)省4.74億桶或6440萬噸石油。

　　4.74億桶相當(dāng)于1.6天的全球石油消費量。利用美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室等的數(shù)據(jù)，碳、CO2、SOx、NOx將實現(xiàn)以下能源節(jié)省(表10)。與用電相比，天然氣、石油和煤炭的碳排放量分別為20.32t/TJ、86.81t/TJ、100.82t/TJ，總碳排放量分別減少約1481萬t、6338萬t和7362萬t。同樣，在用天然氣、石油和煤炭發(fā)電時，分別用193kg/MW時(53.6t/J)、817kg/MW時(227.0t/J)和953kg/MW時(264.7t/J)排放CO2，可減少CO2排放量5427萬t、2.2988億t和2.6807億t。利用天然氣、石油和煤炭發(fā)電的SOx的減排量分別為33萬t、139萬t和151萬t，NOx減排量分別為1406萬t、4222萬t和4576萬t。

　　如果通過燃燒這些燃料產(chǎn)生熱量，那么碳、CO2、SOx、NOx的排放量將是這些數(shù)值的一半。同樣，由于用于取暖和發(fā)電的是混合化石燃料，因此實際減少的排放量將介于這些數(shù)值之間(GoddardW.B和GoddardC.B，1990)。如果考慮地源熱泵冷卻方式的減排，這不是地?zé)幔�那么這相當(dāng)于每年額外減少約1.22億桶(1810萬t)燃料油，以及燃燒燃料油發(fā)電產(chǎn)生的1550萬t碳污染。這假設(shè)每年用于冷卻的能量大約是用于加熱模式的一半。表10匯總了上述數(shù)字。

　　62015-2019年間鉆探的地?zé)峋當(dāng)?shù)

　　據(jù)報道，2015-2019年，42個國家或地區(qū)鉆探約2647口地?zé)峋�用于地�(zé)岚l(fā)電和直接使用。這些數(shù)字不包括淺層熱泵井，但可能有大約20000口井深達(dá)100m。這一數(shù)字比2010-2014年增長3.6%(也是42個國家或地區(qū))，平均63口井。超過100多口地?zé)峋�的國家包括中國、土耳其、肯尼亞、印度尼西亞和哥斯達(dá)黎加(按降序排列)。從井的類型來看，發(fā)電井占43.2%，直接利用井占40.5%，熱電聯(lián)產(chǎn)井占8.7%，研究井或梯度井占7.6%。42個國家或地區(qū)的地?zé)徙@井總深度為4,464km，平均1.69km，而2010-2014年每口井的平均鉆井深度為4.30km;然而，直接利用地?zé)峋�的平均深度將更小。在此期間地?zé)峋�鉆探超過100km以上的國家包括：中國、肯尼亞、土耳其和印度尼西亞(按降序排列);中國鉆進(jìn)總進(jìn)尺1624km。

　　7結(jié)論

　　(1)全球地?zé)崮芊植紡V泛，地?zé)岚l(fā)電與地?zé)崮苤苯永�用呈明顯上升趨勢。2020年世界地?zé)岚l(fā)電總裝機容量為15950MW，比2015年增加約27%。截至2019年底，全球地?zé)嶂苯永�用的總裝機容量為107727MW，比2015年增加52.0%;年總能源使用量為1020887TJ(283,580GWh)，比2015年增長72.3%。

　　(2)地?zé)崾亲钪匾�的潔凈能源之一，是未來碳中和首選能源。未來應(yīng)加強非常規(guī)地?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)研究，采用新技術(shù)降低鉆探成本并實現(xiàn)石油熱能協(xié)同生產(chǎn)，加大淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，加強海上地?zé)豳Y源開發(fā)與含水層熱能儲存的技術(shù)研發(fā)，擴大地?zé)崮荛_發(fā)范圍，提高地?zé)崮芾�用水平�?/p>

　　(3)加強地?zé)峥碧健㈤_發(fā)、利用技術(shù)研究，制定有效的扶持與監(jiān)管政策，積極開展跨部門合作，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。同時要加強監(jiān)測，注重節(jié)能與環(huán)保，使地?zé)岙a(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入良性循環(huán)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

　　作者：馬冰，賈凌霄，于洋，王歡