雾霾|为了告别雾霾，科学家正在唤醒这种地下沉睡的能源…
出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中科院地质与地球物理研究所地热资源研究中心主任庞忠和演讲实录：
人类社会的需求至关重要的两大主题 ， 一个是健康 ， 一个是能源 。 可是当健康跟能源发生冲突的时候怎么办呢？
因为当回过头来看化石能源 ， 它虽然促进了工业化 ， 带动了社会经济的发展 ， 但是同时也带来了很现实的问题——环境污染 。
例如雾霾 ， 就是这两者冲突的一大体现 。 大气污染正是非常突出、迫切的问题 。
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所以 ， 我们需要找到一条出路 。 而可再生的清洁能源 ， 或许能解决我们现在面临的能源与环境的巨大冲突 。
这次我想分享其中一种可能性——地热 。 火山喷发、温泉、喷气孔这些自然现象 ， 都与它相关 。
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作为一种可再生能源 ， 地热在地球上分布广泛 。
下图是全球的四大地热带——从环太平洋地热带到阿尔卑斯至喜马拉雅地热带 ， 然后到东非裂谷地热带 ， 再到大西洋中脊地热带 。
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图中右下方是亚速尔群岛 ， 这里的地热资源是非常丰富的 。
中国也有非常丰富的地热资源 。 西藏、滇西、川西都位于喜马拉雅地热带上 ， 都富含高温地热资源 ， 并且是可利用的 。
什么是地热
作为一种能源 ， 地热资源的特点是可再生且清洁 ， 以及来自地球内部 。
我们常说“地热是地球内心的奉献” ， 实际上它与太阳能是可比的 。
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地心的温度可达五千到六千度 ， 所以它能量巨大 。 其中约50%的“热”是来自地球 ， 因为地球本来就是热的 。
在宇宙大爆炸学说中 ， 地球是在慢慢的冷却中 ， 到目前为止 ， 地球应该是到中年时期 。 它已经过了45亿年 ， 或许还能够再活45亿年 。
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那另外一部分 ， 大约50%的热量 ， 是来自地壳当中的铀、钍、钾等放射性元素 。 它们不断衰变产生放射性衰变热量 。
因此 ， 地球不仅是个热库 ， 同时还在不断地生热 ， 也就是说地球的热量是可持续的 。
所以我们可以总结出地热资源显著的特点：
它能量巨大 。 人类利用的能量大小占地球总能量的比例非常小 ， 小到可以忽略不计 。 所以它是可持续 ， 甚至可以说是取之不尽 ， 用之不竭的 。
它是连续稳定的 。 与太阳能、风能不一样 ， 它不受天气干扰 ， 一天24小时、一周7天、一年365天都存在的
它是绿色能源 。 在满足人类能源需求的同时 ， 它不排放污染物 ， 不会产生大量的二氧化碳等温室气体 ， 更不会加重温室效应 。 所以在环境成本上 ， 它竞争力强 。
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它储集方便 。 因为地热资源是在地下储层中 ， 它们就像电池一样 ， 帮助人类储集能量 。
能源领域最突出、最现实的技术瓶颈是储能技术 ， 而储能技术上限制了很多的能源利用 。 并且 ， 地热能与太阳能、风能等其他能源相互结合或互补 ， 以起到储集的作用 ， 这也是未来的发展前景 。
那么有哪些叫地热资源？
我喜欢用这六个字来归纳地热资源的三种类型：浅热、水热和干热 。
浅热是浅层地热能 ， 在我们脚下两百米以内的浅度 ， 也就主要是土壤层里边的热能；
水热是像温泉、喷气孔这些以水的形式出现的地热能 。 我们现在主要利用了这部分常规的地热能 ， 它大概是在两百米到三千米的深度 。
干热是只有热没有水 ， 所以很难开采 。 地球越往地心越热 ， 并且随着深度的升高 ， 岩石的渗透性却是逐渐下降的 。 这样一对矛盾促成了这一类型地热的特点：有热无水难开采 。
因此浅热和水热是人类目前开发利用地热的主要形式 ， 而对于干热 ， 欧美发达国家已探索将近四十年 ， 仍未达到真正的产业化 ， 我国也只是处于基础研究阶段 。
地热的应用
那我们为什么要开发地热呢？
它可以减缓雾霾 。 为了打造“无烟城” ， 地质工作者坚持不懈地勘测隐伏的地热资源 ， 并且完成了规模化利用 ， 从而成功实现了北方的冬季供暖 。
大家对南方桂林、云南石林都很熟悉 ， 也许很多人去看过芦笛岩、象鼻山 。 在那个地方 ， 有很多的岩溶的缝孔 ， 以及地下的暗河 。
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研究地下水的工作人员都知道这是最好的含水层 ， 因为它的储水空间是最大的 。
但是我们不太清楚实际上 ， 在华北地区——北京、天津的地下也存在着岩溶 。
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比方说北京的石花洞 ， 洞里边的空间巨大 ， 具备储集热水的极佳条件 。
所以我们发现这一种储集层 ， 如要作为地热开发利用 ， 在三千米以浅的深度上是最有利的 。
一是因为它单井出水量非常大 ， 可达三千方 ， 也就是三千吨 ， 甚至每天可以到八千方 ， 个别情况能到上万吨的 。
而在花岗岩地区 ， 一般的井只能出三百吨至五百吨 。 这就是数量级的差别 ，
另一个是因为它水质较好 ， 矿物质含量较低；
以及最重要的特点是 ， 在这种储层 ， 把水采出后、用完后还能轻易地灌回去 。 这能很大程度上消解在坚硬岩石中开发利用地热水带来的负面影响 ， 例如地面沉降 。
地质工作者正是在河北的雄县找到了极佳的地热开采区 。
雄县位于北京、天津、保定这个金三角的左下角上 。 北边是燕山山脉 ， 西边是太行山脉 。
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实际上 ， 河北雄县是牛驼镇地热田的其中一部分 。 作为大热田 ， 牛驼镇地热田范围广——北到固安 ， 固安实际上距离天安门只有几十公里 。
雄县就是在这个大热田的最南端 。 这个地方的地质条件比较特别 。 例如北边有燕山山脉 ， 西边有太行山脉 ， 它的地层是很厚的 ， 最厚的有三四千米 。
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表面是新生代松散的沙层、土层等沉积物 ， 往下是好几层的石灰岩 ， 有碳酸盐的这种储层 ， 也就是前面提到的大型岩溶热储 。
大家要注意 ， 大型岩溶热储与上边的石灰岩储层 ， 它们的热导率要相差两倍到三倍 。
热导率差别很大 ， 也就影响了深部的地热分配 。
地球深部向外散发的热量是均匀的 ， 但到了两三公里的地方 ， 它就开始分离 ， 进行重新分配——热流会涌向、集中导热性质好的岩石地层 。 因此 ， 这会出现热流向碳酸盐集中的趋势 。
所以如果在碳酸盐储层打个钻孔 ， 我们就会拿到高温度的地热 ， 而在凹陷的黑的沙层去打的话 ， 就会是在温度很低的热水井 ， 取到温度低的地热 。
另外 ， 地下水的循环也会影响热的再分配 。
下图表示的地下水的循环 ， 从燕山山脉和太行山脉来的地下水 ， 经过两三百公里长距离的运移 ， 不断把岩石当中的热量带到盆地中心 ， 使得盆地中心热量聚集 。
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所以以上两个因素导致的热的聚集 ， 为二元聚热模式 ， 形成了我们要开发的雄县的岩溶热储 。
为了开发它 ， 我们要对它进行勘探评价——立体化描述各层、计算总的资源量 ， 可供暖的面积 ， 然后进行开采井、回灌井的布局 。
下图右方是温度场的分布 。 红色的是开采井 ， 蓝色的是回灌井 。
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我们做各种各样的试验 ， 回灌试验包括试中试验 。 这是为了获得好的流场、温度场 ， 获得不同井之间的相互连通性关系 ， 以实现百分百的回灌 。
回灌是指热水被开采出来后 ， 用了以后冷水会回灌下去 。
下图绿色的是地下热水的水位 。 红色的是开采量 ， 蓝色的是回灌量 。
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回灌之前 ， 地下热水的水位就像飞机俯冲一样的在下降——每年它下降五米 。
但是到回灌以后 ， 它在图中2010年后的水位就回升了 。
所以我们认为它是可持续的 。
雄县有三十万人口 。 目前我们打的地热井有七十口左右 。 一千五百米左右的深井 ， 温度在六十到七十度之间 。
【雾霾|为了告别雾霾，科学家正在唤醒这种地下沉睡的能源…】因此一年的冬天这四个月 ， 90%以上的人口享受了地热供暖 ， 并且地热供暖是清洁的 。
大家可以看到整个城市是无烟囱的 。
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下面的卡通形象地展示了一对井——红色是开采井 ， 蓝色的是回灌井 。
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如何利用这一对井对岩溶储层进行开采？
首先开采热水 ， 送到供热站经过换热后 ， 送到各家各户 ， 然后降温的水 ， 也就是地热围水再回来 ， 从冷水井回灌下去 。 最终就实现了循环往复的利用 。
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上图是供热站的水泵和换热器的管线 。
因此这个工作当时引起了国际的关注 ， 国内外的很多专家学者到井口、供热站以及到老百姓家里面看我们的控制 ， 看我们的整个系统 ， 都是赞口不绝 。 目前来讲 ， 我们的规模应该是世界上最大的（演讲时间为2016年10月30日） 。
地热的发展前景
整个大华北地区也有岩溶热储 。 大华北地区包括京、津、冀、鲁、豫 ， 为了治理雾霾 ， 我们必须是整体的 。
京津冀联动还不够 ， 我们要把山东把河南都加进来 ， 整个大华北地区一起来治理才会有效 。
下图深颜色画圈圈的地方都是有岩溶热储的分布 。 上面的三个红点是现在已经开发的实例 ， 所以在很多地方还有这样的岩溶热储 。
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下图展示了地热在全国的分布范围 。 热量是从地球内部向外散热 ， 那么在这个分布之上 ， 我们叠加了这个阴影 ， 也就是上面提到的岩溶热储的分布范围 。
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可以看出来全国大约1/3的国土都有这样非常好的热储 ， 所以它的勘探和开发利用的潜力巨大 。
我们如果把此图与我国雾霾的分布图对比 ， 可以看出来它们的吻合性非常好 ， 所以 ， 这样的地热资源是可以帮助我们缓解雾霾 。
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最后我们简单地展望一下未来的发展 。 中国在地热利用上努力了将近40年 。 从十几年前开始 ， 在地热能的直接利用方面 ， 我国排世界第一 。
一方面是因为中国幅员辽阔 ， 另一方面是在中低温地热利用上 ， 我们在国际上确实是有地位的 。
除了供暖 ， 地热还有许多的应用 。 例如用温度较高地热发电 ， 发电完后 ， 温度下降再用于供暖 ， 最后经过地缘热泵提热之后 ， 再用于别处 ， 比如说温泉洗浴和温室大棚 。
我们未来的目标是要实现这样的地热的梯级利用 。 充分的利用有限的地热资源 ， 实现循环往复的可持续利用 。
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不仅如此 ， 高温发电也是具有非常好的发展前景 。
在原来的西藏和云南基础上 ， 我们国家的喜玛拉雅带又增加了川西地区 。
四川西部的地热资源特别丰富 。 大概在这一口井的三百米处就可以测到了180度 ， 并且通过计算 ， 我们发现它的储层温度可达260度 。
另外还有干热的开发应用 。 我国对于深层的干热岩的工程化技术发展也有一套技术路线的规划 。
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上图是中国科学院做的能源技术路线图 ， 预期到2030或者2035年 ， 初步实现这个技术成熟；到2050年 ， 实现完全地商业化应用 。
总的来说 ， 我国大华北地区以至于整个北方地区 ， 都有非常好的地热资源 ， 并且地热资源岩溶储层特别好用 。
就像雄县宝贵的岩溶热储可以替代燃煤 ， 解决北方城镇供暖 ， 从而缓解大气污染的 。
而除了岩溶储层之外 ， 还有别的储层 ， 比如说砂岩储层 ， 它的分布也十分广泛 。 因此我国的地热资源非常丰富 。
从更广的意义上来讲 ， 如果我们能把中深层的地热与浅层地热相结合 ， 再进一步探索干热岩的深层地热的开发利用 ， 都会对我们的可再生能源 ， 以及整个能源供应起到更大的作用 。
所以 ， 让我们大家一起努力 ， 唤醒更多沉睡的能源！
“格致论道” ， 原称“SELF格致论道” ， 是中国科学院全力推出的科学文化讲坛 ， 由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办 ， 中国科普博览承办 。 致力于非凡思想的跨界传播 ， 旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展 。 获取更多信息 。 本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks） ， 转载请注明公众号出处 ， 未经授权不得转载 。
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