文丨神奇的瑪利亞
編輯丨神奇的瑪利亞
前言
基於化石燃料的大容量電力系統在經濟方面變得不那麼可靠和穩定，在技術上更耗費勞動力並且對環境造成有害影響。
這些問題促使許多國家尋找通過綠色和可持續能源供應電力的方法。來自水能、太陽能、風能、生物質能和地熱能等可再生能源的電力被稱為綠色和可持續能源。
地熱能不僅可用於發電，還可用於產生環保熱能。截至2018年底，全球地熱累計裝機容量超過13GW，產生能量約630petajoule。
根據發電廠的類型介紹地熱能源資源，發電原理及世界地熱資源利用現狀．還考慮了地熱能在經濟和環境方面的優勢和劣勢以及克服缺點的手段等問題。地熱產業發展的主要障礙包括資源和勘探風險高、總體開發成本特別是鑽探成本高以及融資和贈款支持不足。
地熱設施的全球平均電力成本接近0.072美元/千瓦時，而陸上風電為0.056美元/千瓦時，水電為0.047美元/千瓦時。該技術與其他可再生能源相比更具競爭力，例如聚光太陽能和海上風能。
干蒸汽設備
干蒸汽設備是簡單且更高效的GPP類型。這種類型的發電廠於1911年首先在義大利部署用於發電。但是，干蒸汽發電廠的可用性較低，因為蒸汽應該從世界上為數不多的以蒸汽為主的水庫中產生。
為了提供高效率的渦輪機，在蒸汽相中流體分數的擴展期間，蒸汽冷凝被最小化。通常，現代干蒸汽設備的等熵效率約為85%。根據提取這些電廠最大效率的可行性研究，發電量應至少為1MWe。
以蒸汽為主的源應更靠近地表，以將熱水升高至沸點。地熱流體源上方應該有足夠的開口，通過顯著降低液位，讓蒸汽在很長一段時間內下降到地表。
干蒸汽發電廠示意圖。干蒸汽發電廠的運行基於以下原理，來自地熱生產井的水和蒸汽流通過閥門傳輸到渦輪機，並通過將熱能和動能轉化為電能來旋轉蒸汽渦輪機。
閃蒸裝置
目前，大多數GPPs都是閃蒸汽工廠。他們使用具有混合源即以蒸汽和液體為主的地熱儲層來發電。這意味著蒸汽和水的溫度和焓值低於臨界點。因此，閃光燈一般都是將地熱能轉化為電能的基本途徑。在該系統中，使用壓力係數基本損失的圓柱形氣旋壓力罐將蒸汽與水分離。然後，干蒸汽離開分離器，流向動力室並帶動汽輪機旋轉。定義閃蒸流體的蒸汽質量如下。
與單閃蒸蒸汽不同，在雙閃蒸蒸汽中，流體的閃蒸過程應用於兩個分離器。儘管這些設備更昂貴且更耗費勞動力，但它們比單閃速設備更可取，因為它們在相同狀態的流體儲層中多產生15-25%的電力。
流體從油井流向高壓閃蒸分離器，蒸汽從混合流體中分離出來，並通過管道輸送到兩級渦輪機。
另一部分——鹽水液體被節流到第二個分離器。在像第一個一樣的低壓分離器中，部分沸騰的液體再次分離成蒸汽和水。蒸汽被引導到低壓渦輪機通過保持冷凝器中的壓力，來自低壓渦輪機的蒸汽使用噴灑的冷水進行冷卻。將水以及來自冷凝器的冷水重新注入注入井。
基本地熱二元系統的標準工作機制可以概括為：當地熱滷水被泵送通過生產井時，在經過初級循環的不同組件後完成熱量提取過程。地熱流體最初通過除砂器過濾，通過熱交換器，即蒸發器/汽化器和預熱器，最後通過注入井泵回儲層。
在二次循環的另一側，加壓的工作流體在預熱器中變成沸騰狀態。然後它作為飽和蒸汽離開汽化器，隨後在驅動發電機的渦輪機中膨脹。離開渦輪機的低壓工作流體蒸汽最終在ACC中冷凝並泵送回汽化器，關閉循環系統並不斷重複該過程。低沸點工質的熱力過程始於它以飽和蒸汽狀態膨脹進入渦輪機，並在它通過冷凝器冷卻並被抽回到熱交換器時完成。再次以飽和蒸氣形式出現。
對於高焓場，地熱ORC的效率可高達23%。循環配置在二元發電廠的熱力學中起著關鍵作用。最近開展了許多性能和優化研究，以檢查ORC地熱發電設施的最佳配置以及ORC中最佳工作流體的調查。
研究人員調查了二元地熱發電廠ORC的三種配置的性能簡單ORC、再生ORC和帶內部熱交換器的ORC。得出的結論是，從熱力學角度來看，優於其他配置，而簡單的ORC具有最高的淨輸出功率值。二元循環的2級設計產生更高的淨電力輸出以及熱效率和火用效率。
世界地熱發電現狀
截至2018年底，全球地熱發電累計裝機容量13.28吉瓦，年發電量約86太瓦時。地熱資源對部分地區的電力生產貢獻巨大，2018年，紐西蘭17%的電力生產和冰島31%的電力生產由地熱提供。到2020年，全球新增地熱容量估計為300兆瓦。
印度尼西亞和土耳其引領了新的發展，分別為這兩個國家增加了145兆瓦和70兆瓦的容量。預計到2022年，該技術的全球總容量將達到16.5GW。
雖然美利堅合眾國在地熱發電能力方面一直位居世界前列、土耳其、肯亞、印度尼西亞和菲律賓將負責大部分技術增長，並在2022年以後繼續引領產能增加。描繪了主要國家/地區的地熱發電累計容量和增加量。
地熱技術的開發主要取決於資源潛力和經濟考慮，但一般來說，全球大多數現有地熱設施都使用閃蒸或干蒸汽技術。
在全球範圍內，雙循環技術是近年來發展最快的技術，部分原因是相對低溫資源的利用率不斷提高。直接利用，即地熱能技術的熱能消耗是利用地下熱能的常見和通用形式之一。到2018年底，全球直接使用部門的地熱發電總裝機容量估計為26GWt。
地熱直接利應用分布分類為熱泵58.8%，沐浴和游泳18%，空間供暖16%，溫室供暖3.5%，工業應用1.6%，水道供暖和養殖池塘1.3%，而其餘部分用於其他應用，例如農業乾燥和融雪和冷卻等。
地源熱泵是全球地熱利用最多的地區，到2020年占年能源使用量的59.2%和裝機容量的71.6%。地熱熱泵的裝機容量接近77,547MWt，主要建在北美、歐洲和中國。單個系統的規模範圍從用於住宅安裝的5.5kW到用於商業和機構單位的大於150kW。
歐洲的大多數熱泵系統都是根據供暖負荷來設計的，這些供暖負荷是為滿足基本負荷而設計的，隨著化石燃料的激增。在芬蘭，其中一些機組達到了每年高達3,000等效滿負荷供暖小時的運行，即容量係數為0.34。
空間供暖，包括區域供暖和個人空間供暖，目前裝機容量為12,768兆瓦，年能源使用量為162,979太焦/年。就年能源使用量而言，領先的是土耳其、俄羅斯、日本、美國和瑞士，約占世界個人空間供暖的75%，占世界區域供暖總使用量的近90%。
深度直接使用或所謂的級聯使用提供了大規模可行的系統，通過多種用途優化低溫資源的價值流，從電力生產到直接冷卻和加熱、商業和工業應用等。提供裝機容量係數的摘要，以及2020年各種直接使用類別的領先狀態。
地熱能的經濟和環境影響
除了用於生產電能外，地熱能還可用於各種熱應用，包括工業熱輸入和空間加熱。地熱水對健康和福祉非常有益，可以治療關節炎和皮膚病。利用地熱資源的熱回注滷水生產淡水和礦物也是一種可行且經濟的選擇。
地熱能源通過在跑道和直升機場供暖等軍事設施中的開發以及熱泵的廣泛應用，提高了國家的安全和防禦。鑑於上述優勢，許多國家為使用該技術提供了激勵措施。瑞士將地熱發電上網電價從每千瓦時0.48美元提高到0.54美元。
然而，地熱產業發展的主要障礙包括資源和勘探風險高、總體開發成本特別是鑽井成本高、項目交付周期長、融資和贈款支持不足相關的經濟風險，以及缺乏明確的政策和監管構架。例如，印度尼西亞未能實現其2018年加速地熱投資的目標，這主要是由於開發商的鑽探延誤。
COVID-19危機引發的經濟衰退極大地影響了技術進步，即使對於近年來未出現顯著增長的義大利、美國和紐西蘭等地熱能先驅用戶也是如此。全球危機導致融資等戰略決策的推遲，以及材料和機械全球供應鏈的中斷。據報導，有關地熱資源的更好數據的可用性有助於吸引新投資者和開發新項目。
地熱發電機組每兆瓦成本高達700萬美元。表5列出了全球範圍內的電力成本及其各種技術的加權平均值。可以看出，可再生能源技術正在與化石燃料競爭，而地熱項目緊隨其後。由於其對相對低溫資源的充足性以及對電力和熱力的適用性，地熱二元技術的主要參與者包括義大利、美國和義大利，三菱重工的子公司日本。
許多國家的人口增長和經濟發展需要增加對電能的需求。另一方面，滿足未來對電能社會的需求，在提供能源可持續性並顯著減少對環境的負面影響的同時，應考慮不可再生資源的局限性。在這種情況下，可再生能源的作用應成為優先事項。
地熱能是可持續和環保的能源之一，它具有很高的使用率和可靠性地熱干蒸汽和閃蒸發電廠利用中高熱焓地下源發電，地熱二元發電系統適用於低地下熱源發電；通常，入口溫度範圍在80到170°C之間。
結語
二元地熱系統中的二次工作流體以常規排序循環運行。工作液的主要特點是沸點低。為了獲得地熱二元設施的最佳熱力學性能和效率，應優化循環的配置和工作流體的類型。使用有機工作流體的二元朗肯循環已經證明了它的效率和實用性。已報導的二元地熱發電廠ORC配置包括簡單ORC、再生ORC和ORC-IHE。
除了標準的二元地熱發電系統外，地熱能轉換系統的高級配置也得到了很好的研究。它們包括混合單閃和雙閃系統、混合閃-雙星配置和混合化石地熱技術。將地熱發電廠與生物質、燃料電池、風能、太陽能系統和WTE技術相結合的混合動力系統的開發也引起了廣泛關注。
據報導，與單閃和雙閃循環相比，二元ORC電廠的熱效率和輸出功率最高。另一方面，與雙閃對應物相比，單閃/ORC集成循環提供最高的能量和火用效率。
全球地熱發電累計裝機容量為13.28吉瓦，預計到2022年全球地熱發電裝機容量將達到16.5吉瓦。美國地熱發電裝機容量一直位居世界前列。，土耳其、肯亞、印度尼西亞和菲律賓將負責大部分技術增長，並在2022年以後繼續引領產能增加。
儘管全球大多數現有地熱設施都使用閃蒸或干蒸汽技術，但二元循環技術已經是近年來發展最快的技術。地熱能直接利用技術是地熱利用的常見形式之一。
參考文獻
FridleifssonIB、BertaniR、HuengesE、LundJW、RagnarssonA、RybachL。地熱能對減緩氣候變化的可能作用和貢獻。在：IPCC可再生能源範圍界定會議，會議記錄，2008年1月20-25日；德國呂貝克：2008年。59-80
波拉克HN赫特SJ詹森；小詹森。1993;來自地球內部的熱流：全球數據集分析，地球物理學，30(3)，第267-280頁，DOI:10.1029/93RG01249
DicksonM、FanelliM，地熱能：利用和技術。勞特利奇；2013
LundW,TothAN。地熱能直接利用2020年全球回顧。地熱學。2021;90：1-39。DOI：10.1016/j.geothermics.101915
技術路線圖。地熱和電力。技術報告，2011年。國際能源署。法國巴黎