什么是地热能？
了解这种清洁的可再生能源资源如何帮助减少世界对化石燃料的依赖。
什么是地热能？
随着人们、组织和国家/地区寻求减少碳排放的方法，政府和公司已经推进了重要的碳减排承诺。寻找煤炭、天然气和石油等化石燃料的替代品对实现这些目标至关重要。为此，太阳能、水能、风能和地热能等可再生清洁能源的重要性日益增加。
如今，地热能被认为是最高效且最可持续的能源类型之一，因为这种资源清洁、可靠且可再生。地热能利用地球表面储存的热量来发电，并为家庭和企业提供地热供暖和制冷。地热资源在北美已经被使用了 10,000 多年，美国古印第安人利用地热温泉来取暖、做饭和洗澡。
地理位置对一个地区利用地热能的能力起着至关重要的作用。最好的地热资源通常位于构造板块的边界附近。由于地壳的运动，火山活动和地震都集中在这些边界附近。例如，围绕太平洋边缘分布的火山带是一系列火山和地震活动，主要由板块构造引起。因此，该区域具有世界上最活跃的地热区。
目前，美国在地热能生产方面处于世界领先地位，尽管地热能仅占美国能源消耗的一小部分。由于地热能在构造板块边界附近很常见，大多数美国地热发电厂都在西部各州。加利福尼亚州拥有最大的地热发电能力，由 40 家正在运营的地热发电厂。
冰岛、菲律宾和萨尔瓦多也是地热领域的世界领先者，地热能占每个国家/地区总能源使用量的 25% 以上。
请阅读本文，了解地热能、评估其优缺点，并查看地热能示例。你还将了解地热能的未来，以及技术如何帮助加速地热能创新。
地热能的类型
地热能是从地球内部产生的热量中获得的。“geothermal”（地热）这个词来自希腊语“geo”（意思是“地球”）和“thermos”（意思是“热”）。在由岩石和水构成的地壳下面，有一层炽热的熔岩，叫做岩浆。岩浆的温度可达到 1,300°F 至 2,400°F，并以熔岩的形式涌出到地球表面。岩浆还可以加热岩石和地下水层，这些水可以通过间歇泉、温泉和蒸汽喷口释放出来 - 所有这些都是地热能的例子。
然而，地球上的大多数地热能仍以蒸汽和热水的形式存在于地下，并通过各种方法获得：
低温地热能
- 从靠近地球表面的地热流体获得的热量会自行上升，或者通过井获得。
- 几乎可以在世界上任何地方获得。
- 直接使用的地热应用，包括对家庭、温室、渔场和一些工业流程供暖。
联产地热能
- 将加热的水用作石油和天然气井的副产品。
- 产生供工厂使用或售卖给电网的电力。
地热供暖和制冷
- 地热热泵在地下钻到 10 到 300 英尺深。
- 在冬天为房屋和建筑供暖，在夏天为其降温。
地热发电厂
- 利用地下 2 英里深的地热储层。
- 发电。
地热能的优点和缺点
虽然地热能是一种可再生的清洁能源资源，但它也有缺点，包括前期成本高昂、可能引起地震和沉降（一块地面的逐渐下沉）。
地热能的优点：
- 环保：地热发电厂的碳足迹最小，与之相关的污染也非常少。 地热供暖和制冷可减少温室气体排放。
- 可再生：与化石燃料不同，地球内部的地热能可再生储层会自然补充，并将持续数十亿年。
- 可靠且稳定：与风能和 太阳能发电不同，地热能随时可用，而且不会波动。管理人员可以准确预测地热发电厂的功率输出，这使得它们是满足基本负荷能源需求的理想选择。
地热能的缺点：
- 环境副作用：地热能会导致地下的一些温室气体逸出到大气中。 地热发电厂会影响土地的稳定性，并引发地震和沉降。
- 需要管理：一旦地热发电厂利用了地热储层，就必须适当地管理这些储层，确保它们不会被耗尽。
- 只能在特定地点设厂：地热发电厂只能建在靠近构造板块边界的地区，那里有地热储层。
地热发电厂
地热发电厂使用来自干蒸汽或热水井的高温地热资源。与开采石油类似，地热发电厂在地下深处钻井。蒸汽或热水被泵送到地面，在那里用来旋转发电的涡轮机。
有 3 种类型的地热发电厂：
干蒸汽发电厂
使用天然的地下蒸汽源。蒸汽在生产井中上升到地球表面，将其能量转移到涡轮机，进行冷凝，然后被泵回到地球或释放到大气中。干蒸汽发电厂是最古老的地热发电厂，被认为是最简单和最高效的。
最古老的干蒸汽发电厂位于意大利的拉雷多。它建于 1911 年，至今仍在为超过 100 万居民供电。另一个重要的干蒸汽发电厂是美国旧金山北部的间歇泉地热资源区。自 20 世纪 60 年代以来，它一直在发电，提供了加利福利亚州大约 1/5 的可再生能源。
闪蒸发电厂
将地球深处温度超过 360°F 的高压水转化为蒸汽。当热水到达地面时，会被送到一个“闪蒸罐”，这个罐子保持在低得多的压力下。压力降低会导致一些水“闪蒸”，这意味着水快速蒸发成蒸汽来驱动涡轮机。剩余的液体可以在第二个闪蒸罐中再次闪蒸，以提取更多能量。
闪蒸发电厂是目前最常使用的地热发电厂类型。冰岛是一座火山岛，利用闪蒸地热发电厂提供该国需要的几乎所有电力。菲律宾沿着火山带分布，拥有世界上最大的闪蒸发电厂。
二元循环发电厂
采用不同的方法来产生热量。这些发电厂在较低的温度（225°F 至 330°F）下使用高压水。该方法使用热交换器将热水的热量传递到二次流体，二次流体为涡轮机提供动力。
由于中温水的可用性更广，二元循环发电厂有望成为未来最常见的地热发电厂类型。
如何使用地热能？
地热能的 3 种最常见用途是直接使用、发电以及地源供暖和制冷。
地热直用系统
利用地表下方几英尺到一英里以内的自然加热地下水。钻井以提取可能高达 200°F 或更高的地下水。在某些情况下，热水或蒸汽可能会自行上升，无需主动抽水，可以直接使用或通过换热器循环使用。
直接利用地热水可支持多种应用，包括为渔场供暖、融化人行道和道路上的冰雪、大型水池供暖、建筑物供暖以及供应热水。虽然直接利用地热系统的资金成本低于深层地热系统，但该技术仅限于在地表附近或地表有天然热地下水体的地区，如火山或构造活动地区。
发电
上述三种地热发电厂利用地球深处的地热资源发电。大多数都有闭环水系统，即在使用后将提取的水直接抽回地热储集层。由于大部分水已经汽化成蒸汽，发电厂需要重新注入大量的水，以保持储集层中水量稳定。虽然地热能是一种可再生资源，目前约有 20 个国家/地区在使用，但大多数地热井会随着时间的推移而变冷，尤其是当热量的提取速度大于补水速度时。
地热供暖和制冷
也称为地源供暖和制冷，是当今最常见的地热能利用方式。如果要回答“什么是地热供暖”这个问题，务必要了解地热热泵（也称地源热泵）的工作原理。这种泵不产生热量，而是利用地球作为热源，将热量在地球和住宅或建筑物之间流动。
水泵钻入地下 10 到 300 英尺，与长长的管道相连，使液体在地下和整个建筑物内循环。冬季，液体吸收地球的热量并将其带入建筑物，地热供暖通过管道系统将热量释放出来。夏季，液体吸收建筑物内的热量，并将其带入地下降温。
使用地热能的更多方式
- 农业利用地热能向土壤中释放蒸汽，使植物在冬天保持温暖。
- 一些健康水疗中心使用地热喷口来加热他们的热水浴缸和浴池。
- 温泉以其改善人们健康的治疗能力而闻名。
- 天然间歇泉可以成为令人敬畏的旅游景点。黄石国家公园的“老忠实间歇泉”是一个地热奇观，每 60 到 90 分钟喷发一次，每年约有 400 万人参观。
地热能的未来
地热能的水力压裂
在石油和天然气行业，压裂法是提高产能的一种常见方法。压裂法将高压流体注入岩层，使其破裂，并使其具有渗透性。地热能的水力压裂采用类似的方法，也被称为“增强型地热系统”(ESG)。尽管这一过程与天然气行业使用的压裂法类似，但有一些重要的区别。地热压裂产生更小、更可控的裂缝，使用的流体造成的污染也小得多。
ESG 通过从岩石中提取能量来产生蒸汽，这些岩石足够热，但太干，没法自己产生蒸汽。开发商将“注入井”垂直探到地下约 0.6 至 2.8 英里的深度，以到达热干岩储层。然后，他们使用高压水或炸药来使岩石破裂，形成流体的地热储层。一个生产井将热水泵回到地球表面，这与二元循环发电厂类似，会加热二次流体，将它闪蒸成蒸汽。地热发电厂使用蒸汽驱动涡轮机来发电。
地热能发展的阻碍
- 缺乏天然地热资源。正如文本开头所讨论的，只有靠近构造板块边界的地方有地热资源。 大多数能获得地热能的国家/地区已经在一定程度上利用了该资源。
- 地热发电厂的勘探成本和风险。3 到 5 个地热井的初步勘测和钻探计划需要花费 2000 万美元至 3000 万美元 (USD$)。 再加上勘测失败的风险，这些都是在全球扩大地热能使用的阻碍。
- 增强型地热系统发电厂的成本和风险。虽然 ESG 有潜力扩大地热资源的可用性，但与钻探石油或天然气相比，钻探地热井的成本非常高昂。 另一个阻碍是，与传统的“压裂”法类似，ESG 井也会引发地震。值得注意的是，如果水力压裂发生在已经存在的断层附近，那么有可能会发生更大的地震，强度可能足以破坏附近的建筑物。
- 地热供暖和制冷系统的初始成本高。地热热泵的成本是一个基本单元 3,500 美元到 7,500 美元 (USD$) 之间，配有热水供暖等选项的更昂贵型号甚至成本更高。 此外，挖掘和安装成本可能会使价格高达 12,000 美元到 15,000 美元 (USD$) 之间。不过，一些国家/地区可能会提供退税或税收抵免来抵消其中的一些成本。这些系统最终会带来投资回报，因为它们非常节能。地热供暖和制冷系统的投资商估计每年可节省 30% 至 70% 的能源费用。
地热能对环境有何影响？
作为一种清洁的可再生资源，地热能越来越被视为化石燃料的替代品。但是，地热能会以多种方式影响环境。总的来说，地热能的利大于弊。
负面影响
水消耗
空气排放
沉降
ESG 压裂
ESG 压裂可能引发地震，这是在城市地区、企业和住宅附近修建发电厂的一个阻碍。此外，很多人认为，ESG 压裂有可能产生与气体压裂类似的负面影响，例如泄露、溢出、土壤和地下水污染。
正面影响
低碳排放
减少对替代能源的依赖
减少碳足迹
技术助推能源转型
世界面临着一个巨大挑战，那就是通过建立净零碳经济来稳定气候。 这些创新技术有助于为全球向清洁能源过渡提供支持：
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常见问题解答
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地热能是一种清洁、可靠和可再生的资源，被认为是最可持续和最高效的能源类型之一。它利用地球表面储存的热量来发电，并为家庭和企业提供地热供暖和制冷。
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地热能主要有三大优势：
- 它是环保的。
- 它可再生。
- 它可靠且稳定。
这种清洁的可再生能源资源可帮助减少世界对化石燃料的依赖。
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与其他能源来源相比，地热能有三个劣势：
- 它会导致地球地表下的温室气体逸出到大气中，并且可能会影响土地的稳定性。
- 必须管理地热储层，确保它们不会被耗尽。
- 地热发电厂只能建在靠近构造板块边界的地区，那里有地热储层。
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地热能用于对住宅弄暖和制冷、对温室加热、为工业流程提供支持，它还用于发电。
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有下面 4 种类型的地热能：
- 低温地热能。
- 联产地热能。
- 地热供暖和制冷。
- 地热发电厂。