為了告別霧霾，科學家正在喚醒這種地下沉睡的能源…

出品：&34;公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中科院地質與地球物理研究所地熱資源研究中心主任龐忠和演講實錄：

人類社會的需求至關重要的兩大主題，一個是健康，一個是能源。可是當健康跟能源發生衝突的時候怎麼辦呢？

因為當回過頭來看化石能源，它雖然促進了工業化，帶動了社會經濟的發展，但是同時也帶來了很現實的問題——環境汙染。

例如霧霾，就是這兩者衝突的一大體現。大氣汙染正是非常突出、迫切的問題。

所以，我們需要找到一條出路。而可再生的清潔能源，或許能解決我們現在面臨的能源與環境的巨大衝突。

這次我想分享其中一種可能性——地熱。火山噴發、溫泉、噴氣孔這些自然現象，都與它相關。

作為一種可再生能源，地熱在地球上分布廣泛。

下圖是全球的四大地熱帶——從環太平洋地熱帶到阿爾卑斯至喜馬拉雅地熱帶，然後到東非裂谷地熱帶，再到大西洋中脊地熱帶。

圖中右下方是亞速爾群島，這裡的地熱資源是非常豐富的。

中國也有非常豐富的地熱資源。西藏、滇西、川西都位於喜馬拉雅地熱帶上，都富含高溫地熱資源，並且是可利用的。

什麼是地熱

作為一種能源，地熱資源的特點是可再生且清潔，以及來自地球內部。

我們常說「地熱是地球內心的奉獻」，實際上它與太陽能是可比的。

地心的溫度可達五千到六千度，所以它能量巨大。其中約50%的「熱」是來自地球，因為地球本來就是熱的。

在宇宙大爆炸學說中，地球是在慢慢的冷卻中，到目前為止，地球應該是到中年時期。它已經過了45億年，或許還能夠再活45億年。

那另外一部分，大約50%的熱量，是來自地殼當中的鈾、釷、鉀等放射性元素。它們不斷衰變產生放射性衰變熱量。

因此，地球不僅是個熱庫，同時還在不斷地生熱，也就是說地球的熱量是可持續的。

所以我們可以總結出地熱資源顯著的特點：

它能量巨大。人類利用的能量大小佔地球總能量的比例非常小，小到可以忽略不計。所以它是可持續，甚至可以說是取之不盡，用之不竭的。

它是連續穩定的。與太陽能、風能不一樣，它不受天氣幹擾，一天24小時、一周7天、一年365天都存在的

它是綠色能源。在滿足人類能源需求的同時，它不排放汙染物，不會產生大量的二氧化碳等溫室氣體，更不會加重溫室效應。所以在環境成本上，它競爭力強。

它儲集方便。因為地熱資源是在地下儲層中，它們就像電池一樣，幫助人類儲集能量。

能源領域最突出、最現實的技術瓶頸是儲能技術，而儲能技術上限制了很多的能源利用。並且，地熱能與太陽能、風能等其他能源相互結合或互補，以起到儲集的作用，這也是未來的發展前景。

那麼有哪些叫地熱資源？

我喜歡用這六個字來歸納地熱資源的三種類型：淺熱、水熱和乾熱。

淺熱是淺層地熱能，在我們腳下兩百米以內的淺度，也就主要是土壤層裡邊的熱能；

水熱是像溫泉、噴氣孔這些以水的形式出現的地熱能。我們現在主要利用了這部分常規的地熱能，它大概是在兩百米到三千米的深度。

乾熱是只有熱沒有水，所以很難開採。地球越往地心越熱，並且隨著深度的升高，巖石的滲透性卻是逐漸下降的。這樣一對矛盾促成了這一類型地熱的特點：有熱無水難開採。

因此淺熱和水熱是人類目前開發利用地熱的主要形式，而對於乾熱，歐美發達國家已探索將近四十年，仍未達到真正的產業化，我國也只是處於基礎研究階段。

地熱的應用

那我們為什麼要開發地熱呢？

它可以減緩霧霾。為了打造「無煙城」，地質工作者堅持不懈地勘測隱伏的地熱資源，並且完成了規模化利用，從而成功實現了北方的冬季供暖。

大家對南方桂林、雲南石林都很熟悉，也許很多人去看過蘆笛巖、象鼻山。在那個地方，有很多的巖溶的縫孔，以及地下的暗河。

研究地下水的工作人員都知道這是最好的含水層，因為它的儲水空間是最大的。

但是我們不太清楚實際上，在華北地區——北京、天津的地下也存在著巖溶。

比方說北京的石花洞，洞裡邊的空間巨大，具備儲集熱水的極佳條件。

所以我們發現這一種儲集層，如要作為地熱開發利用，在三千米以淺的深度上是最有利的。

一是因為它單井出水量非常大，可達三千方，也就是三千噸，甚至每天可以到八千方，個別情況能到上萬噸的。

而在花崗巖地區，一般的井只能出三百噸至五百噸。這就是數量級的差別，

另一個是因為它水質較好，礦物質含量較低；

以及最重要的特點是，在這種儲層，把水採出後、用完後還能輕易地灌回去。這能很大程度上消解在堅硬巖石中開發利用地熱水帶來的負面影響，例如地面沉降。

地質工作者正是在河北的雄縣找到了極佳的地熱開採區。

雄縣位於北京、天津、保定這個金三角的左下角上。北邊是燕山山脈，西邊是太行山脈。

實際上，河北雄縣是牛駝鎮地熱田的其中一部分。作為大熱田，牛駝鎮地熱田範圍廣——北到固安，固安實際上距離天安門只有幾十公裡。

雄縣就是在這個大熱田的最南端。這個地方的地質條件比較特別。例如北邊有燕山山脈，西邊有太行山脈，它的地層是很厚的，最厚的有三四千米。

表面是新生代鬆散的沙層、土層等沉積物，往下是好幾層的石灰巖，有碳酸鹽的這種儲層，也就是前面提到的大型巖溶熱儲。

大家要注意，大型巖溶熱儲與上邊的石灰巖儲層，它們的熱導率要相差兩倍到三倍。

熱導率差別很大，也就影響了深部的地熱分配。

地球深部向外散發的熱量是均勻的，但到了兩三公裡的地方，它就開始分離，進行重新分配——熱流會湧向、集中導熱性質好的巖石地層。因此，這會出現熱流向碳酸鹽集中的趨勢。

所以如果在碳酸鹽儲層打個鑽孔，我們就會拿到高溫度的地熱，而在凹陷的黑的沙層去打的話，就會是在溫度很低的熱水井，取到溫度低的地熱。

另外，地下水的循環也會影響熱的再分配。

下圖表示的地下水的循環，從燕山山脈和太行山脈來的地下水，經過兩三百公裡長距離的運移，不斷把巖石當中的熱量帶到盆地中心，使得盆地中心熱量聚集。

所以以上兩個因素導致的熱的聚集，為二元聚熱模式，形成了我們要開發的雄縣的巖溶熱儲。

為了開發它，我們要對它進行勘探評價——立體化描述各層、計算總的資源量，可供暖的面積，然後進行開採井、回灌井的布局。

下圖右方是溫度場的分布。紅色的是開採井，藍色的是回灌井。

我們做各種各樣的試驗，回灌試驗包括試中試驗。這是為了獲得好的流場、溫度場，獲得不同井之間的相互連通性關係，以實現百分百的回灌。

回灌是指熱水被開採出來後，用了以後冷水會回灌下去。

下圖綠色的是地下熱水的水位。紅色的是開採量，藍色的是回灌量。

回灌之前，地下熱水的水位就像飛機俯衝一樣的在下降——每年它下降五米。

但是到回灌以後，它在圖中2010年後的水位就回升了。

所以我們認為它是可持續的。

雄縣有三十萬人口。目前我們打的地熱井有七十口左右。一千五百米左右的深井，溫度在六十到七十度之間。

因此一年的冬天這四個月，90%以上的人口享受了地熱供暖，並且地熱供暖是清潔的。

大家可以看到整個城市是無煙囪的。

下面的卡通形象地展示了一對井——紅色是開採井，藍色的是回灌井。

如何利用這一對井對巖溶儲層進行開採？

首先開採熱水，送到供熱站經過換熱後，送到各家各戶，然後降溫的水，也就是地熱圍水再回來，從冷水井回灌下去。最終就實現了循環往復的利用。

上圖是供熱站的水泵和換熱器的管線。

因此這個工作當時引起了國際的關注，國內外的很多專家學者到井口、供熱站以及到老百姓家裡面看我們的控制，看我們的整個系統，都是贊口不絕。目前來講，我們的規模應該是世界上最大的（演講時間為2016年10月30日）。

地熱的發展前景

整個大華北地區也有巖溶熱儲。大華北地區包括京、津、冀、魯、豫，為了治理霧霾，我們必須是整體的。

京津冀聯動還不夠，我們要把山東把河南都加進來，整個大華北地區一起來治理才會有效。

下圖深顏色畫圈圈的地方都是有巖溶熱儲的分布。上面的三個紅點是現在已經開發的實例，所以在很多地方還有這樣的巖溶熱儲。

下圖展示了地熱在全國的分布範圍。熱量是從地球內部向外散熱，那麼在這個分布之上，我們疊加了這個陰影，也就是上面提到的巖溶熱儲的分布範圍。

可以看出來全國大約1/3的國土都有這樣非常好的熱儲，所以它的勘探和開發利用的潛力巨大。

我們如果把此圖與我國霧霾的分布圖對比，可以看出來它們的吻合性非常好，所以，這樣的地熱資源是可以幫助我們緩解霧霾。

最後我們簡單地展望一下未來的發展。中國在地熱利用上努力了將近40年。從十幾年前開始，在地熱能的直接利用方面，我國排世界第一。

一方面是因為中國幅員遼闊，另一方面是在中低溫地熱利用上，我們在國際上確實是有地位的。

除了供暖，地熱還有許多的應用。例如用溫度較高地熱發電，發電完後，溫度下降再用於供暖，最後經過地緣熱泵提熱之後，再用於別處，比如說溫泉洗浴和溫室大棚。

我們未來的目標是要實現這樣的地熱的梯級利用。充分的利用有限的地熱資源，實現循環往復的可持續利用。

不僅如此，高溫發電也是具有非常好的發展前景。

在原來的西藏和雲南基礎上，我們國家的喜瑪拉雅帶又增加了川西地區。

四川西部的地熱資源特別豐富。大概在這一口井的三百米處就可以測到了180度，並且通過計算，我們發現它的儲層溫度可達260度。

另外還有乾熱的開發應用。我國對於深層的乾熱巖的工程化技術發展也有一套技術路線的規劃。

上圖是中國科學院做的能源技術路線圖，預期到2030或者2035年，初步實現這個技術成熟；到2050年，實現完全地商業化應用。

總的來說，我國大華北地區以至於整個北方地區，都有非常好的地熱資源，並且地熱資源巖溶儲層特別好用。

就像雄縣寶貴的巖溶熱儲可以替代燃煤，解決北方城鎮供暖，從而緩解大氣汙染的。

而除了巖溶儲層之外，還有別的儲層，比如說砂巖儲層，它的分布也十分廣泛。因此我國的地熱資源非常豐富。

從更廣的意義上來講，如果我們能把中深層的地熱與淺層地熱相結合，再進一步探索乾熱巖的深層地熱的開發利用，都會對我們的可再生能源，以及整個能源供應起到更大的作用。

所以，讓我們大家一起努力，喚醒更多沉睡的能源！

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