地?zé)崮?第四章)

地?zé)崮堋?1世紀(jì)的綠色新能源

地?zé)崮芫C述

假若以目前全世界的能耗總量來對(duì)地?zé)崮苓M(jìn)行估計(jì)，那么，即便是全世界完全使用地?zé)崮埽?100萬年以后也只能使地球內(nèi)部的溫度至多下降1℃?？梢姡?zé)崮艿拈_發(fā)利用潛力竟是如此的巨大!已故著名地質(zhì)學(xué)家李四光說過：“開發(fā)地?zé)崮?，就像人類發(fā)現(xiàn)煤、石油可以燃燒一樣，開辟了利用能源的新紀(jì)元?！?/p>

地球的內(nèi)部構(gòu)造

地球是由一個(gè)物質(zhì)分布不均勻的同心球?qū)訕?gòu)成，它包括地殼、地幔和地核。地殼厚度不一，平均厚度約17公里。上層為花崗巖層，下層為玄武巖層。地球內(nèi)部的溫度和壓力隨深度加深而增加。經(jīng)檢測(cè)，地殼巖石的年齡絕大多數(shù)小于20多億年，而地球生成到現(xiàn)在大約已有46億年了，這說明構(gòu)成地殼的巖石不是地球的原始?xì)樱堑貧?nèi)部的物質(zhì)通過火山活動(dòng)和造山活動(dòng)形成的。

地球的內(nèi)部構(gòu)造

地幔厚度約2900千米，上地幔主要是橄欖石，下地幔是具有一定塑性的固體物質(zhì)。地核的平均厚度約3400千米，外核是液態(tài)的，可流動(dòng)；內(nèi)核是固態(tài)的，主要由鐵、鎳等金屬元素構(gòu)成。中心密度為每立方厘米13克，溫度最高可達(dá)5000℃左右，壓力最大可達(dá)370萬個(gè)大氣壓。

地?zé)崮?/p>

地球的內(nèi)部是一個(gè)高溫高壓的世界，是一個(gè)巨大的“熱庫”，蘊(yùn)藏著無比巨大的熱能。地球內(nèi)部蘊(yùn)藏的熱量有多大呢？假定地球的平均溫度為2000℃，地球的質(zhì)量為6×1024kg，地球內(nèi)部的比熱為1.045J／g·℃，那么整個(gè)地球內(nèi)部的熱含量大約為1.25×1031J。地?zé)崮?/p>

即便是在地球表層10km厚這樣薄薄的一層，所貯存的熱量就有1025J。地球通過火山爆發(fā)、間歇噴泉和溫泉等等途徑，源源不斷地把它內(nèi)部的熱能通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的方式傳到地面上來。ThissteaminggroundisinthePhilippines.Whenhotwaterandsteamreachthesurface,theycanformfumaroles,hotsprings,mudpotsandotherphenomena.Whentherisinghotwaterandsteamistrappedinpermeableandporousrocksunderalayerofimpermeablerock,itcanformageothermalreservoir.地?zé)嵫h(huán)

Volcanoesareobviousindicationsofundergroundheat,thisvolcano,Mt.MayonintheAlbayprovinceofthePhilippineseruptedin1999.Geologistsexplorevolcanicregionstofindthemostlikelyareasforfurtherstudy,likethissteaminghillsideinElHoyo,Nicaragua.地?zé)崮?/p>

地?zé)岬姆植际呛苡幸?guī)律的。從地表向地球內(nèi)部，溫度逐漸上升。在地殼層最上部的十幾千米范圍內(nèi)，深度每增加30米，地?zé)岬臏囟却蠹s升高1℃；在地下15～25千米的范圍內(nèi)，深度每增100米，地?zé)岬臏囟却蠹s升高1.5℃；到了25千米以下的區(qū)域，深度每增加100米，地?zé)岬臏囟却蠹s只升高0.8℃；從這個(gè)區(qū)域再往下深入到一定深度，其溫度就基本上保持不變了。地?zé)崮?/p>

在距地面25～50千米的地球深處，溫度為200～1000℃；到了地球中心處(距地球表面6370千米)，其溫度可高達(dá)4500℃左右。地球內(nèi)部推測(cè)溫度分布曲線

地?zé)崮?/p>

據(jù)估計(jì)，全世界地?zé)豳Y源的總量大約為14.5×1025J，相當(dāng)于4948×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)所放出的熱量。如果把地球上貯存的全部煤炭燃燒時(shí)所放出的熱量作為100來計(jì)算，那么，石油的貯量約為煤炭的8%，目前可利用的核燃料的貯量約為煤炭的15％，而地?zé)崮艿目傎A量則為煤炭的17000萬倍。地?zé)崮?/p>

可見，地球是一個(gè)名副其實(shí)的巨大“熱庫”，我們居住的地球?qū)嶋H上是一個(gè)龐大的“熱球”。

地?zé)崮?/p>

地球通過大地?zé)崃鞣艧岬默F(xiàn)象是十分普遍的，只是單位面積（1cm2）的放熱量很小，平均每秒鐘只有6.15×10-6J。熱流量的單位為4.1868×10-6J/cm2·s，通稱地?zé)崃髁繂挝唬℉FU）。雖然地表單位面積的每秒熱流量很小，但整個(gè)地球表面在一年中的放熱總量可以達(dá)到9.63×1020～1.09×1021J，這個(gè)數(shù)位相當(dāng)于燃燒300多億噸煤放出的熱量。

地?zé)豳Y源的類型

熱水型。它是反映以水為主體的對(duì)流水熱系統(tǒng)。這種地?zé)崮芊植驾^廣，約占已探明的熱資源的10%；其溫度范圍也很廣，從接近于室溫到高達(dá)390℃。

地?zé)豳Y源的類型

蒸氣型。是指以蒸氣為主體的對(duì)流水熱系統(tǒng)，以生產(chǎn)溫度較高的過熱蒸氣為主，其中夾雜有少量的不凝結(jié)氣體和少量的水(有的不含水)。這類地?zé)崮鼙容^容易開發(fā)利用，但儲(chǔ)量不多，僅占已探明的地?zé)豳Y源總量0.5%左右。

地?zé)豳Y源的類型

地壓型。是指在高壓下由深部地層提取含有可溶性甲烷(沼氣)的高鹽分熱水。它的溫度約為150～260℃；其儲(chǔ)量較大，約占已探明的地?zé)豳Y源的20%。地壓型地?zé)崮艿拈_發(fā)利用目前尚處于研究探索階段。

地?zé)豳Y源的類型

干熱巖型。是反映地層深處廣泛存在的不含水分(或含有少量蒸汽)的巖石。它的溫度約為150～650℃；其儲(chǔ)量更大，約占已探明的地?zé)豳Y源總量的30%。地?zé)豳Y源的類型

熔巖型。是埋藏部位最深的一種完全熔化的熱熔巖(即巖漿)，其溫度高達(dá)650～1200℃。熔巖儲(chǔ)存的熱能比其他幾種都多，約占已探明的地?zé)豳Y源總量的40%。不過在開采這種地?zé)崮軙r(shí)，需要在火山地區(qū)打幾千米深的鉆孔，所冒的風(fēng)險(xiǎn)很大，因此這種地?zé)崮苣壳吧形吹玫綄?shí)際開發(fā)利用。各類地?zé)豳Y源開發(fā)技術(shù)概況

環(huán)太平洋地?zé)釒?/p>

環(huán)太平洋地?zé)釒鞘澜缱畲蟮奶窖蟀鍓K與美洲、歐亞、印度板塊的碰撞邊界。世界許多著名的地?zé)崽?，如美?guó)的蓋瑟爾斯、長(zhǎng)谷、羅斯福；墨西哥的塞羅、普列托；新西蘭的懷臘開；中國(guó)的臺(tái)灣馬槽；日本的松川、大岳等均在這一帶。地中海一喜馬拉雅地?zé)釒菤W亞板塊與非洲板塊和印度板塊的碰撞邊界。世界第一座地?zé)岚l(fā)電站意大利的拉德瑞羅地?zé)崽锞臀挥谶@個(gè)地?zé)釒е?。中?guó)的西藏羊八井及云南騰沖地?zé)崽镆苍谶@個(gè)地?zé)釒е小４笪餮笾屑沟責(zé)釒н@是大西洋海洋板塊開裂部位。冰島的克拉弗拉、納馬菲亞爾和亞速爾群島等一些地?zé)崽锞臀挥谶@個(gè)地?zé)釒А?/p>

紅?！獊喍场獤|非裂谷地?zé)釒?/p>

它包括吉布提、埃塞俄比亞、肯尼亞等國(guó)的地?zé)崽铩?/p>

地?zé)嵩谑澜绺鞯氐姆植己軓V泛

美國(guó)阿拉斯加的“萬煙谷”是世界上聞名的地?zé)峒械?，?4km2的范圍內(nèi)，有數(shù)萬個(gè)天然蒸氣和熱水的噴孔，噴出的熱水和蒸氣的最低溫度為97℃，高溫蒸氣達(dá)645℃，每秒噴出2.3萬m3的熱水和蒸氣，每年從地球內(nèi)部帶往地面的熱能相當(dāng)于600萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

地?zé)嵩谑澜绺鞯氐姆植己軓V泛

新西蘭約有近70個(gè)地?zé)崽锖?000多個(gè)溫泉。橫跨歐亞大陸的地中?！柴R拉雅地?zé)釒?，從地中海北岸的意大利、匈牙利?jīng)過土耳其、俄羅斯的高加索、伊朗、巴基斯坦和印度的北部、中國(guó)的西藏、緬甸、馬來西亞，最后在印度尼西亞與環(huán)太平洋地?zé)釒嘟印?/p>

地?zé)崮艿睦?/p>

目前世界上大約有120多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和開采的地?zé)崛暗責(zé)峋噙_(dá)7500多處。對(duì)于地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，目前主要是在采暖、發(fā)電、育種、溫室栽培和洗浴等方面。

地?zé)崮艿睦每煞譃榈責(zé)岚l(fā)電和直接利用兩大類。

地?zé)崮艿睦?/p>

在工業(yè)上，地?zé)崮芸捎糜诩訜?、干燥、制冷、脫水加工、提取化學(xué)元素、海水淡化等方面。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，地?zé)崮芸捎糜跍厥矣?、栽培作物、養(yǎng)殖禽畜和魚類等。例如，地處高緯度的冰島不僅以地?zé)釡厥曳N植蔬菜、水果、花卉和香蕉，近年來又栽培了咖啡、橡膠等熱帶經(jīng)濟(jì)作物。

地?zé)崮艿睦?/p>

在浴用醫(yī)療方面，人們?cè)缇陀玫責(zé)岬V泉水醫(yī)治皮膚病和關(guān)節(jié)炎等，不少國(guó)家還設(shè)有專供沐浴醫(yī)療用的溫泉。地?zé)岚l(fā)電

1904年，意大利人拉德瑞羅利用地?zé)徇M(jìn)行發(fā)電，并創(chuàng)建了世界上第一座地?zé)嵴魵獍l(fā)電站，裝機(jī)容量為250千瓦。60年代以來，由于石油、煤炭等各種能源的大量消耗，美國(guó)、新西蘭、意大利等國(guó)又對(duì)地?zé)崮苤匾暺饋?，相繼建成了一批地?zé)犭娬?，總?jì)約有150多座，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)350萬千瓦。地?zé)岚l(fā)電

到80年代末，全世界運(yùn)行的地?zé)犭娬?，其發(fā)電功率每年已超過500萬千瓦，1995年達(dá)到680萬千瓦，年增16％。中國(guó)最著名的地?zé)犭娬?，是西藏的羊八井地?zé)犭娬荆b機(jī)容量2.5萬千瓦。

地?zé)岚l(fā)電地?zé)岚l(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動(dòng)力源的一種新型發(fā)電技術(shù)。其基本原理與火力發(fā)電類似，也是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，首先把地?zé)崮苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。Naturalsteamfromtheproductionwellspowertheturbinegenerator.Thesteamiscondensedbyevaporationinthecoolingtowerandpumpeddownaninjectionwelltosustainproduction.Likeallsteamturbinegenerators,theforceofsteamisusedtospinthetrubinebladeswhichspinthegenerator,prducingelectricity.Butwithgeothermalenergy,nofuelsareburned.Turbinebladesinsideageothermalturbinegenerator.TurbinegeneratoroutdoorsatanImperialValleygeothermalpowerplantinCalifornia.TurbinegeneratorinageothermalpowerplantinCerroPrieto,Mexico.地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)主要有四種：地?zé)嵴羝l(fā)電系統(tǒng)：利用地?zé)嵴羝苿?dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。本系統(tǒng)技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠，是地?zé)岚l(fā)電的主要形式。西藏羊八井地?zé)犭娬静捎玫谋闶沁@種形式。

地?zé)嵴羝l(fā)電系統(tǒng)

ThefirstmoderngeothermalpowerplantswerealsobuiltinLardello,Italy.TheyweredestroyedinWorldWarIIandrebuilt.Todayafter90years,theLardellofieldisstillproducing.ThefirstgeothermalpowerplantsintheU.S.werebuiltin1962atTheGeysersdrysteamfield,innorthernCalifornia.Itisstillthelargestproducinggeothermalfieldintheworld.20plantsarestilloperatingatTheGeysers.Wastewaterfromnearbycitiesisinjectedintothefield,providingenvironmentallysafedisposalandincreasedsteamtopowerplants.地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)：也稱有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。它以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)，使工質(zhì)在流動(dòng)系統(tǒng)中從地?zé)崃黧w中獲得熱量，并產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)蒸汽，進(jìn)而推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

Inabinarycyclepowerplant(binarymeanstwo),theheatfromgeothermalwaterisusedtovaporizea"workingfluid"inseparateadjacentpipes.Thevapor,likesteam,powerstheturbinegenerator.Binarytechnologyallowstheuseoflowertemperaturereservoirs,thusincreasingthenumberofreservoirsthatcanbeused.ThisbinaryplantisatSodaLake,Nevada.Thispowerplantprovidesabout25%oftheelectricityusedontheBigIslandofHawaii.Itisahybridbinaryandflashplant.Thisbinarypowerplant,atWendell-Amadee,California,runsbyitself.Ifitdetectsaproblem,itautomaticallyradiostheoperatortocometothesite.地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

全流發(fā)電系統(tǒng)：本系統(tǒng)將地?zé)峋诘娜苛黧w，包括所有的蒸汽、熱水、不凝氣體及化學(xué)物質(zhì)等，不經(jīng)處理直接送進(jìn)全流動(dòng)力機(jī)械中膨脹做功，其后排放或收集到凝汽器中。這種形式可以充分利用地?zé)崃黧w的全部能量，但技術(shù)上有一定的難度，尚在攻關(guān)。

全流發(fā)電系統(tǒng)FlashtechnologywasinventedinNewZealand.Flashsteamplantsarethemostcommon,sincemostreservoirsarehotwaterreservoirs.ThisflashsteamplantisinEastMesa,California.ThisflashplantisinJapan.Inflashplants,boththeunusedgeothermalwaterandcondensedsteamareinjectedbackintotheperipheryofthereservoirtosustainthelifeofthereservoir.ThisplantoperatesinthemiddleofcropsintheImperialValley,California.HighmineralcontentsofsomesouthernCaliforniageothermalreservoirsprovidesalablebyproductslikesilicaandzinc.ThisflashplantisinDixieValley,Nevada.Nevadaisrichingeothermalresources,withmorehotspringsforitssizethananyotherstate.地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

干熱巖發(fā)電系統(tǒng)：利用地下干熱巖體發(fā)電的設(shè)想，是美國(guó)人莫頓和史密斯于1970年提出的。1972年，他們?cè)谛履鞲缰荼辈看蛄藘煽诩s4000米的深斜井，從一口井中將冷水注入到干熱巖體，從另一口井取出自巖體加熱產(chǎn)生的蒸汽，功率達(dá)2300千瓦。進(jìn)行干熱巖發(fā)電研究的還有日本、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和俄羅斯，但迄今尚無大規(guī)模應(yīng)用。

干熱巖

地?zé)岚l(fā)電的好處利用地?zé)崮軄磉M(jìn)行發(fā)電其好處很多：①建造電站的投資少，通常低于水電站；②發(fā)電成本比火電、核電及水電都低；③發(fā)電設(shè)備的利用時(shí)間較長(zhǎng)；（90%）④地?zé)崮鼙容^干凈，不會(huì)污染環(huán)境；⑤發(fā)電用過的蒸汽和熱水，還可以再加以利用，如取暖、洗浴、醫(yī)療、化工生產(chǎn)等。地?zé)崮苤苯永?/p>

地?zé)崮苤苯永糜谂腼?、沐浴及暖房，已有悠久的歷史。至今，天然溫泉與人工開采的地下熱水，仍被人類廣泛使用。據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，世界地?zé)崴闹苯永眠h(yuǎn)遠(yuǎn)超過地?zé)岚l(fā)電。中國(guó)的地?zé)崴苯永镁邮澜缡孜?，其次是日本。地?zé)崴闹苯佑猛痉浅V泛，主要有采暖空調(diào)、工業(yè)烘干、農(nóng)業(yè)溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖、溫泉療養(yǎng)保健等。地?zé)崮苤苯永?/p>

全世界分布在38個(gè)國(guó)家中的地?zé)?/p>

直接利用設(shè)備熱功率為9047MW，最大的利用專案采暖占33％，沐浴、游泳和醫(yī)療等占19％，溫室占14％，熱泵占12％，養(yǎng)殖占11％，工業(yè)應(yīng)用占9％，農(nóng)產(chǎn)品干燥占：4％，融雪占：2％，年利用的能量為365萬噸石油當(dāng)量。

SinceRomantimes,wehavepipedthehotwaterintopoolstobettercontrolthetemperature.ThesearephotosofoutdoorandindoorpoolandspabathinginJapan,theUS,andEurope.地?zé)峁┡疨ipesofgeothermalwatercanbeinstalledundersidewalksandroadstokeepthemfromicingoverinwinter,likethissidewalkinKlamathFalls,Oregon.Insomeplaces,geothermalwaterispipedfromwellstoheatsinglehomesorwholeresidentialorcommercialdistricts.Thistruck-mounteddrillrigisdrillingawellforuseinKlamathFalls,Oregon.地?zé)釀?wù)農(nóng)

Thissmallgreenhouseisheatedwithgeothermalwater.Plantsgrowfasterandlargerwhentheyhaveadditionalheatavailable.InseveralwesternUSstates,manylonggreenhousesarebuiltandheatedwithgeothermalwater.ThisoneisinNewMexico.Peppers,tomatoes,andflowersarecommonlygrowningeothermallyheatedgreenhouses.地?zé)狃B(yǎng)殖

Geothermalwaterisalsousedtospeedthegrowthoffish.ThesearegrowinginageothermallyheatedhatcheryatMammothLakes,California.ThisnetfulloffishwasgrowningeothermallyheatedwatersinCalifornia'sImperialValley.Hotwaterfromoneormoregeothermalwellsispipedthroughaheatexchangerplanttoheatcitywaterinseparatepipes.Hotcitywaterispipedtoheatexchangersinbuildingstowarmtheair.美國(guó)