[科普中国]-干热岩系统

介绍

干热岩是指地层深处（深埋超过2000m）普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体，赋存状态有蒸汽型、热水型、地压型、岩浆型的地热资源。较常见的干热岩有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。干热岩型地热资源是专指埋藏较深，温度较高，有开发经济价值的热岩体。

干热岩是一种地热资源。在学术界，干热岩有时被称为“热干岩”，其英文名称为“Hot Dry Rock”。干热岩的分布几乎遍及全球，用一些科学家的话说，它是无处不在的资源。从理论上说，随着地球向深部的地热增温，任何地区达到一定深度都可以开发出干热岩，因此干热岩又被称为是无处不在的资源。但就现阶段来看，由于技术和手段等限制，干热岩资源专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。目前干热岩开发利用潜力最大的地方，是新火山活动区，或地壳已经变薄的地区，这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。

干热岩发电系统目前，人们对干热岩的开发利用，主要是发电。利用干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，且不受季节、气候制约。而且将来利用干热岩发电的成本仅为风力发电的一半，只有太阳能发电的十分之一。
干热岩发电的基本原理是：通过深井将高压水注入地下2000～6000米的岩层，使其渗透进入岩层人工压裂造出的缝隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（相距约200～600米左右）将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面；取出的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

采热的关键技术是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。试验中，常用的地下热交换系统的模式主要有三种。

最早的模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”，即通过人工高压注水到井底，干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙，水在这些裂隙间穿过，即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。

第二种模式是英国卡门波矿产学校提出的“天然裂隙模式”，即较充分的利用地下已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育，但另一方面当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换更充分。2

最新的模式，即第三种模式是在欧洲苏尔茨(Soultz)干热岩工程中由研究人员提出来的“天然裂隙－断层模式”。这种模式除了利用地下天然的裂隙，而且还利用天然的断层系统，这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战，即不需通过人工压裂的方式连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。2

因为干热岩发电既不像火电那样，向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物；而且也不像水电那样，因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害。因此，干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。目前，已有部分国家建设了试验性干热岩发电厂，但规模普遍较小，因此尚未形成商业规模。

干热岩采暖系统干热岩因其得天独厚的较高温度，一旦成功开采出来，将是冬季供暖的良好热源。但因其造价较高，对于面积较小的建筑供暖，高昂的成本是一般人难以承受的。因此，用干热岩技术来进行集中供暖是比较合适的选择。
如我国陕西四季春清洁热源股份有限公司的干热岩供热技术，目前已成功在陕西省内进行了商业应用。据其施工安装的干热岩供热示范项目——长安信息大厦2013年供暖季的运行数据表明，干热岩供热这一技术在该项目的住宅及商业供热面积共计3.8万平方米中的供热效果良好。

干热岩供暖技术是通过钻机向地下2000~4000m深度高温岩层钻孔，在孔中安装一种密闭的金属换热器，将地下深层的热能导出，并通过地源热泵系统向地面供暖的新技术。

干热岩供热技术虽然优点众多，但目前在市场推广应用中也还存在着部分困难和问题：一是该技术为新技术，缺乏相关的政策、法规、技术标准等支撑。二是由于该技术在社会上应用较少，希望得到土地、水务、市政、物价等有关部门的认可和支持。

开发利用干热岩，从对大气环境的保护角度和资源的储备量讲，其优势是其他能源类别不可比的。干热岩资源在其利用过程中不燃烧化石燃料，因此不会排放温室气体二氧化碳和其他污染物。干热岩储量丰富，并可循环利用，可满足人类长期使用的需要。

优点（1）无温室气体排放。基于干热岩资源利用的新式发电系统不燃烧化石燃料，因此不会排放温室气体二氧化碳和其他污染物。

（2）干热岩可循环利用。冷水变热后可能最终会使岩石温度降低到20℃左右，因此一处干热岩发电站可能只能连续工作20年左右。但是，这个热储库关闭后，地心的炽热岩浆会重新加热这些岩石。几十年后，这些热岩就能再次被用于发电。而且，在关闭期间，发电站可以得到充分的维修和技术升级，为下次发电做好准备，实现周期性循环发电。

（3）干热岩储量丰富。开采使用干热岩，可满足人类长期使用需要。麻省理工学院一份研究表明，只要开发地球上3~10公里深度中2%的干热岩资源储量，就能产生2×1020EJ能量，是美国2005年全年能耗总量的2800倍。也有专家保守估计，地壳中距地表3~10公里深处的干热岩所蕴含的能量相当于全球石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。