提要：地熱能作為一種零碳、清潔能源，其開發利用對于碳中和具有重要價值。2015-2020年，全球新增地熱發電約3649GW，增長約27%;地熱直接利用總裝機容量增長52.0%。兩者之和，所用熱能比2015年增長72.3%。全球每年地熱直接利用可防止7810t碳和2.526億tCO2排放到大氣中。世界地熱能發展呈現五大趨勢：(1)發展非常規地熱系統;(2)向海上地熱資源開發進軍;(3)降低鉆探成本與石油熱能協同生產;(4)加大淺層地熱能的開發利用;(5)加強含水層熱能儲存技術研發。

　　關鍵詞：地熱能;地熱發電;地熱能直接利用;非常規地熱系統;熱能儲存;碳達峰;碳中和

　　1引言

　　地熱能是一種儲量豐富、穩定可靠的零碳、清潔能源。大力開發利用地熱能，對于推動CO2等溫室氣體減排，實現氣候目標和經濟可持續發展具有重要意義(張薇等，2019;藺文靜等，2013)。目前，地熱資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熱能發電、地熱直接利用的現狀，并對地熱能開發利用的趨勢進行了展望。其中世界范圍內地熱能開發利用數據主要是基于2020年在冰島召開的世界地熱大會。世界地熱大會由國際地熱協會(InternationalGeothermalAssociation，IGA)主辦，是全球地熱資源領域政、產、學、研各方面交流最新研究成果、最新進展的重要平臺(中國科學報，2019)。

　　能源論文范例：地熱勘查現狀及新能源應用研討

　　2世界2015-2020年地熱發電概況

　　2015-2020年，全球用于電力項目的地熱鉆井總數為1159口，用于電力項目的地熱總投資為103.67億美元。列出了目前正在生產地熱發電的國家或地區和幾個被認為近期內有潛力進行地熱發電的國家或地區(BeardsmoreG.,etal.2020;BoissavyC.，etal.2020;CareyB.,etal.2020;GoldbrunnerJ.E.2020;GrajedaE.C.2019;LahanM.,etal.2020)。

　　3世界地熱能直接利用2020年回顧

　　地熱能直接利用是最古老、最通用和最常見的熱能利用形式之一。按地區和大陸總結了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。截至2019年底，全球地熱直接利用的總裝機容量為107727MW，比2015年增加52.0%，年復合增長率為8.7%。

　　年總能源使用量為1020887TJ(283580GWh)，比2015年增長72.3%，年復合增長率為11.5%。全球容量系數為0.300(相當于每年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。總結了過去30年地熱直接利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熱能的直接利用產生了最顯著的影響，據報道，2020年58個國家或地區直接利用地熱能，高于2015年的48個國家或地區。

　　年裝機容量增長1.54倍，復合增長率9.06%。這些機組的年能源利用量比2015年增長1.84倍，復合增長率為12.92%。這在一定程度上是由于報告數據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。據估計，全球安裝了646萬臺熱泵設備，其中這五個國家占77.4%。

　　4地熱直接利用形式

　　對1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的容量(MW)、能源利用(TJ/a)和容量或負荷系數(C.F.)數據，按地熱的不同用途進行了劃分。其中前6種地熱能直接利用用途情況。曾試圖區分開具體空間供暖和區域供暖，但這往往很困難，因為具體國家的報告沒有作出這種區分。我們盡最大可能的估計結果是，區域供熱占地熱供熱裝機容量的91%，占年能源使用的59%。融雪在融雪/空調類別中占大多數(>90%)。“其他”是一個涵蓋各種用途的類別，各國并未提供詳細情況，但已知包括畜牧業、螺旋藻養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熱利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為0.245。盡管大多數熱泵安裝在北美、歐洲和中國，但安裝熱泵的國家或地區數量已從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機組當量(美國和西歐的典型家庭)的熱泵數量約為646萬臺。這比2015年的裝機數量增加了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到商業和機構設施用大型單元的150kW以上不等。

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

　　根據平均績效系數(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)產生2.5個單位的能量輸出，地熱組件的額定容量為71%(即(COP-1)/COP=0.71)。在這種情況下，冷負荷不被視為是地熱，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利用地熱節省了多少化石能源?

　　地熱是一種可持續和可再生能源的無碳“國產”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，地熱能減少了其對進口燃料的依賴，對所有國家來說，地熱能意味著消除碳顆粒和溫室氣體等污染物。本文試圖量化使用地熱能對化石燃料的節省，如果用于發電，則效率系數為0.35，如果直接用于產生熱量，如在熔爐中，則效率系數為0.70。使用2020年地熱直接應用消耗的1020887TJ/a能源，每桶燃料油為61.5億焦，燃料用于發電，則每年可節省4.74億桶或6440萬噸石油。

　　4.74億桶相當于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據，碳、CO2、SOx、NOx將實現以下能源節省(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生熱量，那么碳、CO2、SOx、NOx的排放量將是這些數值的一半。同樣，由于用于取暖和發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，這不是地熱，那么這相當于每年額外減少約1.22億桶(1810萬t)燃料油，以及燃燒燃料油發電產生的1550萬t碳污染。這假設每年用于冷卻的能量大約是用于加熱模式的一半。表10匯總了上述數字。

　　62015-2019年間鉆探的地熱井數

　　據報道，2015-2019年，42個國家或地區鉆探約2647口地熱井用于地熱發電和直接使用。這些數字不包括淺層熱泵井，但可能有大約20000口井深達100m。這一數字比2010-2014年增長3.6%(也是42個國家或地區)，平均63口井。超過100多口地熱井的國家包括中國、土耳其、肯尼亞、印度尼西亞和哥斯達黎加(按降序排列)。從井的類型來看，發電井占43.2%，直接利用井占40.5%，熱電聯產井占8.7%，研究井或梯度井占7.6%。42個國家或地區的地熱鉆井總深度為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，直接利用地熱井的平均深度將更小。在此期間地熱井鉆探超過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);中國鉆進總進尺1624km。

　　7結論

　　(1)全球地熱能分布廣泛，地熱發電與地熱能直接利用呈明顯上升趨勢。2020年世界地熱發電總裝機容量為15950MW，比2015年增加約27%。截至2019年底，全球地熱直接利用的總裝機容量為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)地熱是最重要的潔凈能源之一，是未來碳中和首選能源。未來應加強非常規地熱系統相關研究，采用新技術降低鉆探成本并實現石油熱能協同生產，加大淺層地熱能的開發利用，加強海上地熱資源開發與含水層熱能儲存的技術研發，擴大地熱能開發范圍，提高地熱能利用水平。

　　(3)加強地熱勘探、開發、利用技術研究，制定有效的扶持與監管政策，積極開展跨部門合作，實現產學研結合。同時要加強監測，注重節能與環保，使地熱產業鏈進入良性循環，實現可持續發展。

　　作者：馬冰，賈凌霄，于洋，王歡