出品：科普中國

(資料圖)

作者：馬青山，陳娟雯 博士（中國科學院廣州能源研究所）

天氣漸寒，不少人都會叫上幾個好友一起泡溫泉放松身心。而我們今天介紹的主角——地熱能，正和暖身舒心的溫泉密切相關。在我們每個人的腳下，都存在著一種儲量巨大的清潔可再生能源——地熱能。迄今為止，人類已有幾千年利用地熱能的歷史，舒服又養(yǎng)生的溫泉便是其中之一。

冰島藍湖溫泉

（圖片來源：Veer圖庫）

地熱能根據(jù)其資源特點，可以初步分為**淺層地熱、水熱型地熱、干熱巖地熱和巖漿地熱資源，**其中最為我們所熟知且開發(fā)最為容易的就是水熱型地熱資源，深受人們喜愛的溫泉便是一種地面出露的水熱型地熱。

然而，儲量最大，分布最廣的卻是干熱巖型地熱資源。據(jù)估計，在地殼10km以上區(qū)域儲藏的干熱巖地熱資源約為1.3×1027，大約占總地熱資源的98%，按照現(xiàn)在的消耗速度計算，可供人們使用2.17億年，幾乎可以稱得上是**“無限的能源”**了。

為何能源無限，使用卻有限？

可能有人會問，既然我們擁有這么多能源，為什么之前沒有得到大規(guī)模的利用呢？這是因為干熱巖位于地下數(shù)千米，且沒有天然的傳熱流體介質(zhì)，開采難度非常大。

目前，主流的開采思路是增強型地熱技術（EGS），即在干熱巖中通過水力壓裂等手段建造一個具有滲透性的人造熱儲，然后通過至少兩口井與地下熱儲連通，再通過其中一口井向地下熱儲注水，吸熱后從另外的井流出的方式進行開發(fā)。

相較單井地熱技術，增強型地熱技術（EGS）具有采熱量大的顯著優(yōu)勢。然而由于大規(guī)模造儲和鉆井工程，需要大量的前期投資，且工質(zhì)漏失、結(jié)垢嚴重、熱儲短路等技術問題尚未解決，因此，目前還未有成功商業(yè)化的EGS案例，需要進一步的技術積累和進步。

增強型地熱系統(tǒng)示意圖

（圖片來源：Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016）

熱管是一種利用工質(zhì)相變和流動來實現(xiàn)熱傳導的高效傳熱設備，其工質(zhì)在熱端吸熱蒸發(fā)為飽和蒸汽，流動到冷端釋放潛熱，冷凝為液態(tài)后再回流到熱端。**熱管的傳熱系數(shù)非常高，**其傳熱系數(shù)比良導熱材料銅大2-3個數(shù)量級，已經(jīng)在很多應用場景下大展手腳。

一般的重力熱管長度在10米以內(nèi)，若長度超過10米，熱管就會出現(xiàn)氣液相流動卷攜和管內(nèi)蒸發(fā)相變不穩(wěn)定等問題，傳熱性能就可能會大幅下降，難以維持良好的傳熱性能。限于此，長期以來一直沒有實現(xiàn)大長度熱管的技術突破。

用于電腦主機散熱的熱管

（圖片來源：作者自制）

**超長重力熱管（SLGHP）地熱開采技術是中科院廣州能源所蔣方明研究團隊在2017年提出的一種新型干熱巖開采技術路線，**其核心思路是通過一根千米級的超長重力熱管，將地下干熱巖當中的熱能傳輸?shù)降孛孢M行利用。

這項技術所采用的重力熱管就是冷凝液滴在重力作用下回落的一種熱管，其主要的技術創(chuàng)新也凝結(jié)在這根“超級長”的重力熱管之上。

應用于地熱開采的重力熱管的長度往往在數(shù)千米，長徑比則達到數(shù)萬。面對這樣的大尺寸超長重力熱管，如何保證工質(zhì)高效穩(wěn)定蒸發(fā)、減小流動阻力、消除氣液卷攜效應成為技術關鍵和難點。

技術突破：超長重力熱管系統(tǒng)

超長重力熱管地熱開采系統(tǒng)簡圖

（圖片來源：Energy,2022）

經(jīng)過數(shù)年的研發(fā)，科研團隊通過熱管結(jié)構(gòu)設計攻克了這些難點，成功研發(fā)了可用于數(shù)千米干熱巖地熱開采的超長重力熱管。研發(fā)團隊在唐山開展的現(xiàn)場試驗中，利用一根3000米長的熱管，在平均地下地層溫度為95.6℃時，在地面上獲得了最高溫度為90℃的蒸汽，長期采熱量達190kW，這是首次成功實施的千米級重力熱管。

隨后，團隊通過進一步的熱管設計優(yōu)化和工質(zhì)優(yōu)選，開發(fā)了新一代地熱熱管。在河北雄安，團隊從4000米地熱井內(nèi)，實現(xiàn)了熱管系統(tǒng)長期采熱率達到800kW以上，為目前最高的中深層地熱單井采熱率。

超長重力熱管地熱能系統(tǒng)采熱雄安測試

（圖片來源：作者自制）

作為一種全新的技術路線，超長重力熱管系統(tǒng)擁有許多技術優(yōu)勢。

首先，熱管完全自驅(qū)動，無需額外消耗泵功，管內(nèi)熱傳輸過程?損更低；其次，熱管采用相變采熱，以保持更大的井下?lián)Q熱溫差，采熱效率更高；此外，地熱熱管輸出飽和蒸汽，可以直接驅(qū)動冷、電循環(huán)，無需換熱，效率更高，結(jié)構(gòu)更簡單。該系統(tǒng)規(guī)避了EGS幾乎所有的技術難題，使得技術及其投資風險更小。

其實，除干熱巖外，超長重力熱管技術也可以應用在水熱型地熱資源當中，以避免采水過程中誘發(fā)的地質(zhì)沉降、鹵水結(jié)垢等問題。

超長重力熱管采出的蒸汽可以進行方便的綜合化熱利用。對于地溫條件較好的地熱井，可以直驅(qū)汽輪機發(fā)電或制冷，隨后通過冷凝器管路為住宅提供生活熱水。而對于地溫條件較差的地熱井，通常考慮供熱的利用方式，從熱管中分離出的溫度較低的蒸汽經(jīng)過壓縮后，一部分用于工廠設備高溫蒸汽的供應，另一部分則能夠通過冷凝器凝結(jié)為生活熱水，輸送給住宅使用。

隨著國家十四五規(guī)劃和“雙碳”戰(zhàn)略的出臺，清潔能源技術迎來了發(fā)展的春天。目前，超長重力熱管系統(tǒng)已初步形成標準化產(chǎn)品，其商業(yè)模式也在逐步建立。相信經(jīng)過科研人員的持續(xù)努力，這項技術將變得愈發(fā)成熟，并最終為發(fā)掘干熱巖資源、助力“碳中和”愿景貢獻力量。

或許在不久以后，“隨地取熱”的時代就會來臨。

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