近年來世界地熱發(fā)電發(fā)展迅速，全球地熱發(fā)電裝機容量從2000年的8594MW，增加到2016年6月的13200MW。亞太地區(qū)與北美地區(qū)地熱發(fā)電裝機容量居主導(dǎo)地位，分別為4.8GW和3.9GW。美洲地熱發(fā)電市場以美國、墨西哥和尼加拉瓜為主。亞太地區(qū)的地熱發(fā)電市場主要有印尼、日本、菲律賓和新西蘭。美國擁有全球最多的地熱資源，估計地熱儲量約為31000MW，地熱能開發(fā)規(guī)模最大，地熱發(fā)電居世界第一。北歐冰島是全球地熱開發(fā)的楷模，約1/3的電力來自地熱發(fā)電，地熱在一次能源中占54%。菲律賓是發(fā)達的地熱發(fā)電國家，地熱發(fā)電量僅次于美國，約占國內(nèi)總發(fā)電量的20%。印尼的活火山數(shù)和地熱潛能居世界第二位。印尼地熱發(fā)電裝機容量居世界第三。目前地熱發(fā)電量占印尼全國總用量的3%，印尼的地熱儲量約為29000MW，占全球總量的40%。肯尼亞地熱發(fā)電開發(fā)以驚人的速度向前推進，2016年裝機容量超過600MW，肯尼亞的地熱發(fā)電量占總用電量的49%。
2017年2月，國家發(fā)展和改革委員會編制的《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》已經(jīng)正式印發(fā)。根據(jù)規(guī)劃內(nèi)容，“十三五”期間地熱能開發(fā)將拉動總計2600億元投資。在此過程中，將探索建立地熱能開發(fā)的特許經(jīng)營權(quán)招標制度和PPP模式，并且將放開城鎮(zhèn)供熱市場準入限制，引導(dǎo)地熱能開發(fā)企業(yè)進入城鎮(zhèn)供熱市場。“十三五”期間，新增地熱發(fā)電裝機容量500兆瓦，到2020年，地熱發(fā)電裝機容量約530兆瓦。
1、地熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展
地熱發(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發(fā)電技術(shù)。其基本原理與火力發(fā)電類似，也是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，首先把地熱能轉(zhuǎn)換為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)換為電能。地熱發(fā)電實際上就是把地下的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后再將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)變過程或稱為地熱發(fā)電。
地熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)過近百年的發(fā)展，種類多種多樣，主要包括干蒸汽發(fā)電、擴容式蒸汽發(fā)電、雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電和卡琳娜循環(huán)發(fā)電等。
1.1、中-低溫地熱能
目前開發(fā)的地熱發(fā)電項目以普通型干蒸汽方式與閃蒸方式為主。最近10年利用中-低溫地熱能的雙工質(zhì)方式發(fā)電發(fā)展較快。對于具體的地熱資源，需要從地熱溫度、地熱總儲量、地熱水品質(zhì)等方面，結(jié)合發(fā)電效率、運行維護、設(shè)備投資、環(huán)境保護等因素綜合考慮，進而確定適合該地熱資源的具體的發(fā)電技術(shù)路線。
中低溫 (t<130℃) 地熱資源在目前已探明的地熱資源中占有較大的比例，其中溫度在90℃ 左右的地熱資源約占這類資源總量的90%。針對這一類型的地熱資源，雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)是較為適用的。雙循環(huán)發(fā)電又稱為有機郎肯循環(huán)(ORC，Organic Rankine Cycle)，ORC發(fā)電技術(shù)能夠利用的余熱種類繁多，加之在效率、流程精簡程度、運維成本等方面的優(yōu)勢，使得這項技術(shù)成為低品位熱能回收利用的一個發(fā)展趨勢。
在中低溫地熱資源的開發(fā)利用過程中，雙工質(zhì)循環(huán)和卡琳娜循環(huán)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。
我國從美國引進的卡琳娜(Kalina)動力循環(huán)技術(shù)是盛合公司能夠在太陽能光熱發(fā)電、地熱發(fā)電、水泥余熱發(fā)電、浮法玻璃、鋼鐵行業(yè)、火電廠提高循環(huán)效率、焦炭行業(yè)和鐵合金爐的余熱發(fā)電及余熱利用領(lǐng)域取得突破性進展的主要手段。這項技術(shù)能使目前在常規(guī)火力發(fā)電和余熱發(fā)電系統(tǒng)中使用的朗肯循環(huán)效率大幅提高。這種采用氨水作為循環(huán)工質(zhì)的技術(shù)脫胎于常規(guī)的朗肯循環(huán)，具有很大的特殊性。
卡琳娜循環(huán)是區(qū)別于常規(guī)朗肯循環(huán)的一種新的熱力循環(huán)，采用氨和水的混合物作為工質(zhì)，這種混合工質(zhì)的沸點是變化的，隨著氨與水比例的變化而變化。當熱源參數(shù)發(fā)生變化時，只需要調(diào)整氨和水的比例即可達到較好的循環(huán)效果。工質(zhì)的升溫曲線更接近于熱源的降溫曲線，盡可能地降低傳熱溫差，減少傳熱過程中系統(tǒng)的熵增，提高循環(huán)效率。由于卡琳娜循環(huán)的這個顯著的特點，使它在中低溫地熱發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前的工業(yè)化應(yīng)用表明，卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)的循環(huán)效率比朗肯循環(huán)的效率高20%～50%。但是由于其采用液態(tài)氨作為循環(huán)工質(zhì)，對系統(tǒng)的密封性有較高的要求，同時工質(zhì)儲存和使用過程中對環(huán)境將造成一定的影響，在電站建設(shè)過程中要注意加強環(huán)評工作。
1.2、中深層地熱資源和干熱巖資源的開發(fā)
另外，在淺層地熱能得到大規(guī)模開發(fā)后，中深層地熱資源和干熱巖資源將成為地熱發(fā)電技術(shù)新的資源。 在地熱發(fā)電技術(shù)下一步的發(fā)展過程中，應(yīng)注重中深層地熱資源和干熱巖資源的開發(fā)。
旨在開發(fā)和利用地底深層3～10 km、以干熱巖(hot dry rock，HDR)熱能為主的增強型地熱系統(tǒng)(enhanced geothermal systems，EGS)正在興起，增強型地熱發(fā)電技術(shù)，通過將水回灌到地下水，創(chuàng)造出新的地熱資源，可以獲得更高溫度的地熱資源，可以達到175～225℃。一般采用雙循環(huán)發(fā)電，以維持地熱水的壓力，降低回灌的能耗。
美國的 Fenton EGS、法國的 SoultzEGS、英國的 Rosemanowes EGS、日本的 Hijiori EGS、澳大利亞的 Cooper EGS等經(jīng)過40年的野外試驗研究，已經(jīng)在鉆井探測、水力壓裂、人造熱儲和采熱循環(huán)等方面獲得了技術(shù)成就。在干熱巖領(lǐng)域，中國前期投入較小，主要資助開展學術(shù)交流、探索研究，并未形成國家層面的干熱巖技術(shù)研發(fā)基地和裝備條件。
1.3、地熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢
然而，新型的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)是地熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。單一的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)循環(huán)效率較低，僅為20% 以下;尾水排放溫度較高，一般在 100℃ 以上，地熱能利用不夠充分。 雙工質(zhì)循環(huán)和卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及到兩套工質(zhì)系統(tǒng)，但循環(huán)效率高，尾水排放溫度可以降至 60℃ 以下。在未來的地熱發(fā)電技術(shù)中，可以采用聯(lián)合循環(huán)的方式。在地熱水的高溫階段，采用擴容式蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，利用地熱能的高溫部分;在地熱水溫度不能滿足擴容發(fā)電方式運行條件時，采用雙工質(zhì)循環(huán)或卡琳娜循環(huán)技術(shù)，充分利用地熱能的低溫部分，最大限度地提高地熱發(fā)電循環(huán)的效率。土耳其 Kizildere地熱電站在采用擴容系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合使用雙工質(zhì)循環(huán)技術(shù)進行試驗機組的研究， 最大功率達到18.238kW，循環(huán)效率達到38.58%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)性能穩(wěn)定。
還可以將地熱發(fā)電與太陽能熱利用相結(jié)合。在雙工質(zhì)循環(huán)或卡琳娜循環(huán)中，在低溫地熱水的熱交換階段引入太陽能熱利用方式，克服地熱水溫度較低、能源品位較差的弱點，提高循環(huán)效率。目前，這種技術(shù)已經(jīng)在美國、智利等國家開展了實驗室研究。
2、全球地熱資源分布情況
就全球來說，地熱資源的分布是不平衡的。明顯的地溫梯度每公里深度大于30℃的地熱異常區(qū)，主要分布在板塊生長、開裂-大洋擴張脊和板塊碰撞，衰亡-消減帶部位。環(huán)球性的地熱帶主要有下列4個：
（1）大西洋中脊地熱帶：冰島的克拉弗拉 、納馬菲亞爾和亞速爾群島等一些地熱田就位于這個地熱帶。
(2)紅海-亞丁灣-東非裂谷地熱帶：包括吉布提、埃塞俄比亞、肯尼亞等國的地熱田。
（3）環(huán)太平洋地熱帶：世界許多著名的地熱田，如美國的蓋瑟爾斯、長谷、羅斯福;墨西哥的塞羅、 普列托;新西蘭的懷臘開;中國的臺灣馬槽;日本的松川、大岳等均在這一帶。
（4）地中海-喜馬拉雅地熱帶：世界第一座地熱發(fā)電站意大利的拉德瑞羅地熱田就位于這個地熱帶中。中國的西藏羊八井及云南騰沖地熱田也在這個地熱帶中。
冰島就是富地熱資源的國家。它地處北極圈附近，盡管氣候寒冷，但地下卻蘊藏著巨大的熱能。冰島的巖流幾乎占全球巖流的三分之一，近幾個世紀里，平均每五年有一次火山爆發(fā)，有形成地熱的得天獨厚的條件。據(jù)統(tǒng)計，冰島擁有溫泉、熱泉、蒸汽泉、間歇泉等達1500多個。
美國也蘊藏著豐富的地熱資源，據(jù)地質(zhì)調(diào)查表明，美國高溫地熱發(fā)電潛力相當于755——7297億噸標準煤，或600——4750億桶石油;可以直接利用的中、低溫熱能則相當于1606——9139億噸標準煤。此外，日本、新西蘭、意大利、前蘇聯(lián)、印度、菲律賓、法國、匈牙利、墨西哥、肯尼亞等許多國家都蘊藏著地熱資源。
我國的地熱資源也比較豐富。通過地質(zhì)調(diào)查，全國已發(fā)現(xiàn)地熱異常3200多處，其中進行地熱勘查的并已對地熱資源進行評價的地熱田有50多處。全國已打成地熱井2000多眼。 發(fā)現(xiàn)高溫地熱系統(tǒng)255處，經(jīng)過評估總發(fā)電潛力5800MW·30a，主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。在西藏羊八井地熱田ZK4002孔，孔深2006m，已探獲329.8℃的高溫地熱流體。 發(fā)現(xiàn)中低溫地熱系統(tǒng)2900多處，據(jù)調(diào)查，總計天然放熱量約為1.04×1014kJ/a，相當于每年360萬噸標準煤當量。主要分布在東南沿海諸省區(qū)和內(nèi)陸盆地區(qū)，如松遼盆地、華北盆地、江漢盆地、渭河盆地以及眾多山間盆地區(qū)。這些地區(qū)1000—3000m深的地熱井，可獲80—100℃的地熱水。
中國地熱資源按其屬性可分為三種類型：
（1）高溫（〉150℃）對流型地熱資源，這類資源主要分布在西藏、騰沖現(xiàn)代火山區(qū)及臺灣，前二者屬地中海地熱帶中的東延部分，而臺灣位居環(huán)太平洋地熱帶中。
（2）中溫（90-150℃）、低溫（〈90℃）對流型地熱資源，主要分布在沿海一帶如廣東、福建、海南等省區(qū)；
（3）中低溫傳導(dǎo)型地熱資源。
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