新能源课件 第四章地热能

地热能 21世纪的绿色新能源 地热能综述 假若以目前全世界的能耗总量来对地热能进行估计 那么 即便是全世界完全使用地热能 4100万年以后也只能使地球内部的温度至多下降1 可见 地热能的开发利用潜力竟是如此的巨大 已故著名地质学家李四光说过 开发地热能 就像人类发现煤 石油可以燃烧一样 开辟了利用能源的新纪元 地球的内部构造 地球是由一个物质分布不均匀的同心球层构成 它包括地壳 地幔和地核 地壳厚度不一 平均厚度约17公里 上层为花岗岩层 下层为玄武岩层 地球内部的温度和压力随深度加深而增加 经检测 地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年 而地球生成到现在大约已有46亿年了 这说明构成地壳的岩石不是地球的原始壳层 是地壳内部的物质通过火山活动和造山活动形成的 地球的内部构造 地幔厚度约2900千米 上地幔主要是橄榄石 下地幔是具有一定塑性的固体物质 地核的平均厚度约3400千米 外核是液态的 可流动 内核是固态的 主要由铁 镍等金属元素构成 中心密度为每立方厘米13克 温度最高可达5000 左右 压力最大可达370万个大气压 地热能 地球的内部是一个高温高压的世界 是一个巨大的 热库 蕴藏着无比巨大的热能 地球内部蕴藏的热量有多大呢 假定地球的平均温度为2000 地球的质量为6 1024kg 地球内部的比热为1 045J g 那么整个地球内部的热含量大约为1 25 1031J 地热能 即便是在地球表层10km厚这样薄薄的一层 所贮存的热量就有1025J 地球通过火山爆发 间歇喷泉和温泉等等途径 源源不断地把它内部的热能通过传导 对流和辐射的方式传到地面上来 ThissteaminggroundisinthePhilippines Whenhotwaterandsteamreachthesurface theycanformfumaroles hotsprings mudpotsandotherphenomena Whentherisinghotwaterandsteamistrappedinpermeableandporousrocksunderalayerofimpermeablerock itcanformageothermalreservoir 地热循环 Volcanoesareobviousindicationsofundergroundheat thisvolcano Mt MayonintheAlbayprovinceofthePhilippineseruptedin1999 Geologistsexplorevolcanicregionstofindthemostlikelyareasforfurtherstudy likethissteaminghillsideinElHoyo Nicaragua 地热能 地热的分布是很有规律的 从地表向地球内部 温度逐渐上升 在地壳层最上部的十几千米范围内 深度每增加30米 地热的温度大约升高1 在地下15 25千米的范围内 深度每增100米 地热的温度大约升高1 5 到了25千米以下的区域 深度每增加100米 地热的温度大约只升高0 8 从这个区域再往下深入到一定深度 其温度就基本上保持不变了 地热能 在距地面25 50千米的地球深处 温度为200 1000 到了地球中心处 距地球表面6370千米 其温度可高达4500 左右 地球内部推测温度分布曲线 地热能 据估计 全世界地热资源的总量大约为14 5 1025J 相当于4948 1012t标准煤燃烧时所放出的热量 如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为100来计算 那么 石油的贮量约为煤炭的8 目前可利用的核燃料的贮量约为煤炭的15 而地热能的总贮量则为煤炭的17000万倍 地热能 可见 地球是一个名副其实的巨大 热库 我们居住的地球实际上是一个庞大的 热球 地热能 地球通过大地热流放热的现象是十分普遍的 只是单位面积 1cm2 的放热量很小 平均每秒钟只有6 15 10 6J 热流量的单位为4 1868 10 6J cm2 s 通称地热流量单位 HFU 虽然地表单位面积的每秒热流量很小 但整个地球表面在一年中的放热总量可以达到9 63 1020 1 09 1021J 这个数位相当于燃烧300多亿吨煤放出的热量 地热资源的类型 热水型 它是反映以水为主体的对流水热系统 这种地热能分布较广 约占已探明的热资源的10 其温度范围也很广 从接近于室温到高达390 地热资源的类型 蒸气型 是指以蒸气为主体的对流水热系统 以生产温度较高的过热蒸气为主 其中夹杂有少量的不凝结气体和少量的水 有的不含水 这类地热能比较容易开发利用 但储量不多 仅占已探明的地热资源总量0 5 左右 地热资源的类型 地压型 是指在高压下由深部地层提取含有可溶性甲烷 沼气 的高盐分热水 它的温度约为150 260 其储量较大 约占已探明的地热资源的20 地压型地热能的开发利用目前尚处于研究探索阶段 地热资源的类型 干热岩型 是反映地层深处广泛存在的不含水分 或含有少量蒸汽 的岩石 它的温度约为150 650 其储量更大 约占已探明的地热资源总量的30 地热资源的类型 熔岩型 是埋藏部位最深的一种完全熔化的热熔岩 即岩浆 其温度高达650 1200 熔岩储存的热能比其他几种都多 约占已探明的地热资源总量的40 不过在开采这种地热能时 需要在火山地区打几千米深的钻孔 所冒的风险很大 因此这种地热能目前尚未得到实际开发利用 各类地热资源开发技术概况 环太平洋地热带 环太平洋地热带是世界最大的太平洋板块与美洲 欧亚 印度板块的碰撞边界 世界许多著名的地热田 如美国的盖瑟尔斯 长谷 罗斯福 墨西哥的塞罗 普列托 新西兰的怀腊开 中国的台湾马槽 日本的松川 大岳等均在这一带 地中海一喜马拉雅地热带 它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界 世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中 中国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中 大西洋中脊地热带 这是大西洋海洋板块开裂部位 冰岛的克拉弗拉 纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带 红海 亚丁湾 东非裂谷地热带 它包括吉布提 埃塞俄比亚 肯尼亚等国的地热田 地热在世界各地的分布很广泛 美国阿拉斯加的 万烟谷 是世界上闻名的地热集中地 在24km2的范围内 有数万个天然蒸气和热水的喷孔 喷出的热水和蒸气的最低温度为97 高温蒸气达645 每秒喷出2 3万m3的热水和蒸气 每年从地球内部带往地面的热能相当于600万吨标准煤 地热在世界各地的分布很广泛 新西兰约有近70个地热田和1000多个温泉 横跨欧亚大陆的地中海 喜马拉雅地热带 从地中海北岸的意大利 匈牙利经过土耳其 俄罗斯的高加索 伊朗 巴基斯坦和印度的北部 中国的西藏 缅甸 马来西亚 最后在印度尼西亚与环太平洋地热带相接 地热能的利用 目前世界上大约有120多个国家和地区 已经发现和开采的地热泉及地热井多达7500多处 对于地热能的开发利用 目前主要是在采暖 发电 育种 温室栽培和洗浴等方面 地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类 地热能的利用 在工业上 地热能可用于加热 干燥 制冷 脱水加工 提取化学元素 海水淡化等方面 在农业生产上 地热能可用于温室育苗 栽培作物 养殖禽畜和鱼类等 例如 地处高纬度的冰岛不仅以地热温室种植蔬菜 水果 花卉和香蕉 近年来又栽培了咖啡 橡胶等热带经济作物 地热能的利用 在浴用医疗方面 人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等 不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉 地热发电 1904年 意大利人拉德瑞罗利用地热进行发电 并创建了世界上第一座地热蒸气发电站 装机容量为250千瓦 60年代以来 由于石油 煤炭等各种能源的大量消耗 美国 新西兰 意大利等国又对地热能重视起来 相继建成了一批地热电站 总计约有150多座 装机总容量达350万千瓦 地热发电 到80年代末 全世界运行的地热电站 其发电功率每年已超过500万千瓦 1995年达到680万千瓦 年增16 中国最著名的地热电站 是西藏的羊八井地热电站 装机容量2 5万千瓦 地热发电 地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术 其基本原理与火力发电类似 也是根据能量转换原理 首先把地热能转换为机械能 再把机械能转换为电能 Naturalsteamfromtheproductionwellspowertheturbinegenerator Thesteamiscondensedbyevaporationinthecoolingtowerandpumpeddownaninjectionwelltosustainproduction Likeallsteamturbinegenerators theforceofsteamisusedtospinthetrubinebladeswhichspinthegenerator prducingelectricity Butwithgeothermalenergy nofuelsareburned Turbinebladesinsideageothermalturbinegenerator TurbinegeneratoroutdoorsatanImperialValleygeothermalpowerplantinCalifornia TurbinegeneratorinageothermalpowerplantinCerroPrieto Mexico 地热发电系统 地热发电系统主要有四种 地热蒸汽发电系统 利用地热蒸汽推动汽轮机运转 产生电能 本系统技术成熟 运行安全可靠 是地热发电的主要形式 西藏羊八井地热电站采用的便是这种形式 地熱蒸汽發電系統 ThefirstmoderngeothermalpowerplantswerealsobuiltinLardello Italy TheyweredestroyedinWorldWarIIandrebuilt Todayafter90years theLardellofieldisstillproducing ThefirstgeothermalpowerplantsintheU S werebuiltin1962atTheGeysersdrysteamfield innorthernCalifornia Itisstillthelargestproducinggeothermalfieldintheworld 20plantsarestilloperatingatTheGeysers Wastewaterfromnearbycitiesisinjectedintothefield providingenvironmentallysafedisposalandincreasedsteamtopowerplants 地热发电系统 双循环发电系统 也称有机工质朗肯循环系统 它以低沸点有机物为工质 使工质在流动系统中从地热流体中获得热量 并产生有机质蒸汽 进而推动汽轮机旋转 带动发电机发电 双循环发电系统 Inabinarycyclepowerplant binarymeanstwo theheatfromgeothermalwaterisusedtovaporizea workingfluid inseparateadjacentpipes Thevapor likesteam powerstheturbinegenerator Binarytechnologyallowstheuseoflowertemperaturereservoirs thusincreasingthenumberofreservoirsthatcanbeused ThisbinaryplantisatSodaLake Nevada Thispowerplantprovidesabout25 oftheelectricityusedontheBigIslandofHawaii Itisahybridbinaryandflashplant Thisbinarypowerplant atWendell Amadee California runsbyitself Ifitdetectsaproblem itautomaticallyradiostheoperatortocometothesite 地热发电系统 全流发电系统 本系统将地热井口的全部流体 包括所有的蒸汽 热水 不凝气体及化学物质等 不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功 其后排放或收集到凝汽器中 这种形式可以充分利用地热流体的全部能量 但技术上有一定的难度 尚在攻关 全流发电系统 FlashtechnologywasinventedinNewZealand Flashsteamplantsarethemostcommon sincemostreservoirsarehotwaterreservoirs ThisflashsteamplantisinEastMesa California ThisflashplantisinJapan Inflashplants boththeunusedgeothermalwaterandcondensedsteamareinjectedbackintotheperipheryofthereservoirtosustainthelifeofthereservoir ThisplantoperatesinthemiddleofcropsintheImperialValley California HighmineralcontentsofsomesouthernCaliforniageothermalreservoirsprovidesalablebyproductslikesilicaandzinc ThisflashplantisinDixieValley Nevada Nevadaisrichingeothermalresources withmorehotspringsforitssizethananyotherstate 地热发电系统 干热岩发电系统 利用地下干热岩体发电的设想 是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的 1972年 他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井 从一口井中将冷水注入到干热岩体 从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽 功率达2300千瓦 进行干热岩发电研究的还有日本 英国 法国 德国和俄罗斯 但迄今尚无大规模应用 干热岩 地热发电的好处 利用地热能来进行发电其好处很多 建造电站的投资少 通常低于水电站 发电成本比火电 核电及水电都低 发电设备的利用时间较长 90 地热能比较干净 不会污染环境 发电用过的蒸汽和热水 还可以再加以利用 如取暖 洗浴 医疗 化工生产等 地热能直接利用 地热能直接利用于烹饪 沐浴及暖房 已有悠久的历史 至今 天然温泉与人工开采的地下热水 仍被人类广泛使用 据联合国统计 世界地热水的直接利用远远超过地热发电 中国的地热水直接利用居世界首位 其次是日本 地热水的直接用途非常广泛 主要有采暖空调 工业烘干 农业温室 水产养殖 温泉疗养保健等 地热能直接利用 全世界分布在38个国家中的地热直接利用设备热功率为9047MW 最大的利用专案采暖占33 沐浴 游泳和医疗等占19 温室占14 热泵占12 养殖占11 工业应用占9 农产品干燥占 4 融雪占 2 年利用的能量为365万吨石油当量 SinceRomantimes wehavepipedthehotwaterintopoolstobettercontrolthetemperature ThesearephotosofoutdoorandindoorpoolandspabathinginJapan theUS andEurope 地热供暖 Pipesofgeothermalwatercanbeinstalledundersidewalksandroadstokeepthemfromicingoverinwinter likethissidewalkinKlamathFalls Oregon Insomeplaces geothermalwaterispipedfromwellstoheatsinglehomesorwholeresidentialorcommercialdistricts Thistruck mounteddrillrigisdrillingawellforuseinKlamathFalls Oregon 地热务农 Thissmallgreenhouseisheatedwithgeothermalwater Plantsgrowfasterandlargerwhentheyhaveadditionalheatavailable InseveralwesternUSstates manylonggreenhousesarebuiltandheatedwithgeothermalwater ThisoneisinNewMexico Peppers tomatoes andflowersarecommonlygrowningeothermallyheatedgreenhouses 地热养殖 Geothermalwaterisalsousedtospeedthegrowthoffish ThesearegrowinginageothermallyheatedhatcheryatMammothLakes California ThisnetfulloffishwasgrowningeothermallyheatedwatersinCalifornia sImperialValley Hotwaterfromoneormoregeothermalwellsispipedthroughaheatexchangerplanttoheatcitywaterinseparatepipes Hotcitywaterispipedtoheatexchangersinbuildingstowarmtheair 美国 直接利用从19