世界能源形势分析4.docx
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世界能源形势分析4
第四节 世界地热能利用状况
一、地热能概论
地球内部的熔岩浆和放射性物质的衰变不断释放热量，高温的热量透过厚厚的岩层向外释放，这种“大地热流”产生的能量，称地热能。
据估计，地球中心温度可达到6000℃，在地下约40千米处温度约为1200℃，一般而言，在地壳里深度每增加1km,温度平均上升25－30℃，随着地热能向外传播，温度逐渐降低。
据估计，地球内部每小时放出的热量约相当于燃烧6000万吨优质煤，每年从地球内部传到地面的热能相当于100万亿千瓦时。
人类可以利用的只是浅层的地热能，据推算，离地球表面5000米深、15℃以上的岩石和液体的总含热量约为14.5×1025焦耳（J），约相当于4948万亿吨（t）标准煤的热量，中国科学院院士汪集旸认为，全球地热可采资源量为每年5亿兆焦耳，超过全球一次性能源的年消耗量。
地热能的分布比较分散，由于目前经济上可行的钻探深度仅在3000m以内，再加上热储空间地质条件的限制（例如资源的高温环境和高盐度），因而只有当热能运移并在浅层局部富集时，才形成可供开发利用的地热田。
根据资源的性质和赋存状态，地热可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型五种类型。
前两类统称为水热型，是现在开发利用的主要地热资源，后两类属于潜在地热资源，地压型地热资源虽然生成条件不太普遍（往往在含油盆地深部），但其能量潜力巨大，且除热能外，往往还贮存有甲烷之类的化学能及高压所致的机械能。
世界地热资源集中分布在地壳构造板块的边缘地带，在这里富集的热量可以通过火山口、热蒸汽、温泉等天然出口释放出来，世界岩石圈板块边界见图6－12，具体来说，地热资源主要分布于以下5个地热带：
①环太平洋地热带。
世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界，即从美国的阿拉斯加、加利福尼亚到墨西哥、智利，从新西兰、印度尼西亚、菲律宾到中国沿海和日本。
世界许多地热田都位于这个地热带，如美国的盖瑟斯地热田，墨西哥的普列托、新西兰的怀腊开、中国台湾的马槽和日本的松川、大岳等地热田。
②地中海、喜马拉雅地热带。
欧亚板块与非洲、印度板块的碰撞边界，从意大利直至中国的滇藏。
如意大利的拉德瑞罗地热田和中国西藏的羊八井及云南的腾冲地热田均属这个地热带。
③大西洋中脊地热带。
大西洋板块的开裂部位，包括冰岛和亚速尔群岛的一些地热田。
④红海、亚丁湾、东非裂谷地热带。
包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田。
⑤其他地热区。
除板块边界形成的地热带外，在板块内部靠近边界的部位，在一定的地质条件下也有高热流区，可以蕴藏一些中低温地热，如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平原的地热田。
图6－12 世界岩石圈板块边界图
来源：
USGS
人类很早以前就开始了利用地热能的历史，早期对地热能的利用有沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。
对地热能最早的工业化利用始于1827年，当时在意大利的Larderello地方使用喷泉蒸汽从火山泥浆中提取硼酸。
1911年，在Larderello又建立了世界上第一个地热电站。
20世纪中叶以后人类才真正认识到地热资源的重要性并进行较大规模的开发利用。
地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下：
①200～400℃直接发电及综合利用；
②150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；
③100～150℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品；
④50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；
⑤20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。
现在，许多国家为了提高地热利用率而采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖等。
二、地热能利用现状
目前全世界有76个国家在对地热能实行工业化利用，对地热能的利用有两种：
发电和直接利用。
地热发电是地热利用的最重要方式。
地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。
按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。
前者直接利用地热井喷出的过热蒸汽送入汽轮机驱动发电机发电；后者则利用地热井涌出的汽水混合物或热水，通过闪蒸系统或双回路系统发电。
地热发电属于可再生能源商业化利用中比较成熟的技术，它的负荷因子很高，达90％左右，相比之下，太阳能只有20％，风能只有25％。
1911年，在意大利Larderello建立了世界上第一个地热电站。
1966年日本在松川建成第一座商用地热电站，功率2万千瓦。
1960年美国在加利福尼亚州盖瑟斯地热田建成1.1万千瓦地热发电机组，1985年发展到179.2万千瓦的电站，其最大机组为13.3万千瓦，分别是世界上最大的地热电站和机组。
中国最大的地热电站是西藏羊八井地热电站，装机容量为1.3万千瓦。
地热能的利用是可再生能源中增长最慢的，过去十年地热能利用的增长速度平均为3%。
2007年地热发电的装机容量增长了1.5％，达到9.7GW，占世界总发电量的0.3%。
增长主要来自美国和冰岛，两国分别新增了106MW和34MW。
从装机容量来看，美国仍居世界第一位，占了世界总量的30%，美国的地热能利用集中在加利福尼亚州，该州5％的电力是地热能提供的。
近年来世界各国地热能发电状况见下表：
表6－4 2000-2007年世界各国地热发电装机容量（MW）及占2007年世界装机总量的百分比
2000
2003
2004
2005
2006
2007
占2007年世界总量之比
阿根廷
0.7
－
－
－
－
－
－
奥地利
－
1．3
1.2
1.2
1．2
1．2
<0.05
澳大利亚
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0．1
<0.05
中国
32．1
32.1
32.1
32.1
32．1
32．1
0.3
哥斯达黎加
142.5
162．5
162．5
162.5
162.5
162．5
1.7
萨尔瓦多
161.2
161.2
151.2
151.2
204.0
204．0
2.1
埃塞俄比亚
7.3
7.3
7．3
7.3
7.3
7．3
0.1
法国（瓜德罗普岛）
4.2
4.2
14.7
14．7
14．7
14．7
02
德国
－
0.2
0.2
0.2
0．2
0．2
<0.05
危地马拉
33.4
33.4
33．6
49.5
49.5
49．5
0.5
冰岛
170.0
200.0
202．0
232.0
422.0
456．0
4.7
印度尼西亚
589．5
807.0
807.0
807．0
807.0
807．8
8.3
意大利
785.0
790.5
790.5
790．5
810．5
810．5
8.3
日本
535.3
535.3
535.3
535．3
537.3
537．3
5.5
肯尼亚
45.0
121.0
127．0
127．0
127.0
127．0
1.3
墨西哥
755．0
953．0
953．0
953．0
953.0
959．5
9.9
新西兰
431.0
399.0
397．0
434．0
434.0
434．0
4.5
尼加拉瓜
70.0
77.5
77．5
77.5
77.5
77．5
0.8
巴布亚新几内亚
—
5.5
5．5
5．5
5.5
5．5
0.1
菲律宾
1931．0
1931.5
1931.0
1978．0
1978.0
1978．0
20.3
葡萄牙（亚速尔群岛）
16.0
16.0
16.0
16．0
16.0
16．0
0.2
俄罗斯（堪察加）
23.0
73.0
79．0
79.0
79．0
79．0
0.8
泰国
0.3
0．3
0.3
0．3
0．3
0．3
<0.05
土耳其
20.4
20.4
20．4
20．4
24.7
24．7
0.3
美国
2228.0
2020.0
2534．0
2828．3
2830.7
2936．5
30.2
世界
7981.1
8352.4
8878.5
9302.7
9574.2
9720.4
100
由于增长缓慢，地热发电在总发电中的比例不断下降，但在一些国家，地热发电仍然是本国电力供应的重要组成部分。
如在萨尔瓦多，地热发电占了总发电量的四分之一，菲律宾和肯尼亚约五分之一的电力是由地热提供的，在工业化国家，冰岛20％左右的发电量是由地热提供的，新西兰7％的发电量也来自地热资源。
下图所示为世界上地热发电在总发电量中比重最高的一些国家及其所占比重：
图6－13 2004年地热发电在总发电量中比重最高的国家及所占比重
来源：
Bertani,2005
地热能直接利用的发展比地热能发电快得多，近年来的年均增长率达30%－40%。
2004年，地热能直接利用的装机容量为28，268MWth，其中主要的利用形式是供暖，占了总量的52%，而其中的32%是地源热泵，洗浴和游泳又占了30%，其他的还有温室加热占8%，水产养殖池塘供暖4%，工业利用占4.0%，具体情况见下图：
图6－14 各种类型地热能直接利用在2004年全球地热能利用总量中所占比重
在世界各国中，中国直接利用的地热能数量最大，其次是瑞典、美国、土耳其和冰岛，冰岛85%的供暖由地热能提供，世界各国直接利用地热能的情况见下表：
表6－5 2004年直接利用地热能最多的前15个国家
国家
利用（GWh）
国家
利用（GWh）
国家
利用（GWh）
中国
12605
日本
2862
格鲁吉亚
1752
瑞典
10000
匈牙利
2206
俄罗斯
1707
美国
8678
意大利
2098
法国
1443
土耳其
6900
新西兰
1968
丹麦
1222
冰岛
6806
巴西
1840
瑞士
1175
地热泵（geothermalheatpump：
GHPs）是增长最快的可再生能源技术之一。
GHPs占了全球地热能直接利用量的54.4％和总地热利用量的32％，2005年的装机容量为15384MWt，其生产的能源总量为87503TJ，据估计2005年的总安装数目为130万，是2000年安装数目的两倍多。
图6－15所示是近年来地热泵利用快速增长的状况：
图6－15 世界地热泵利用增长状况及2005年地热泵利用领先国家
2005年有33个国家使用地热泵，而2000年只有26个国家，地热泵利用的主要地区在北美和欧洲。
中国在利用地热泵加热方面是最重要的后来者，据统计，中国地热泵供暖面积从2004的800万平方米发展至2006年的2000万平方米，传统地热供暖面积从2004年的1300万平方米增至2006年的1700万平方米。
三、地热能发展前景
地热资源数量巨大，且具有可再生、清洁无污染的特征，尤其是在CO2排放方面，比化石能源要少得多，由于大量利用地热能，冰岛首都雷克雅未克成为世界上最清洁的首都，因而地热能的发展具有非常广阔的前景。
不同发电方式CO2排放情况见下图：
图6－16 地热、天然气、石油、煤发电排放的CO2量（gCO2/kWh）
但地热能利用也存在能源分散、温度较低、能量质量较差、受地理限制大，初始投入大、成本高等缺点，对地热的勘探、钻井、修建电厂的成本还很高，凭借现有的技术，在经济上具有开采价值的场所还非常有限，对发电来说，只有最高级别的地热资源才能被经济地利用，这些都限制了对地热能的开发利用。
不过，随着近年来油价大幅上涨和温室气体排放形势日益严峻，地热能利用越来越受到世界各国的重视，许多国家都加大了对地热能的投资，澳大利亚政府宣布，将拨款5000万澳元，开发地热能源，澳大利亚地热能协会预计，到2020年时可望生产2200兆瓦特的基本负荷动力，这相当于那时候澳大利亚可再生能源的40%；葡萄牙计划在20年内利用经过改良的地热发电方法，向国内大部分地区供电，科英布拉大学科学系科学和指导委员会主席若昂·加布里埃尔·席尔瓦说，这种地热发电方法对环境没有影响，而且投资少，估计10年内年发电能力可达到5亿瓦，20年内葡萄牙国内大部分地区的电力供应将来自地热发电；美国阿拉斯加州则着手开发本州境内的火山能源，从而造福成千上万家庭；中国也制定了发展包括地热能在内的可再生能源的规划。
IEA对未来地热发电的发展情况进行了预测，认为2005－2015和2005－2030地热发电的年均增长率分别为6.7%和4.9%，2015年的地热发电量将达99TWh，2030达173TWh。
地热发电的增长速度虽然比所有化石能源及水电、核电的发展速度要快得多，但与风能、太阳能相比却要慢得多，其在发电总量中所占比重也几乎为零。
地热能直接利用的增长要远远快于地热发电，而在地热能直接利用中GHP的增长又占了绝大部分。
下面的三个图表是政府间气候变化专门委员会（IPCC）对未来地热能直接利用前景的预测：
表6－6 2005年至2050年地热能直接利用的可能情景
年份
从2005年开始的年均增长率
除GHP外的地热能直接使用
GHP
总量
直接利用（%）
GHP（%）
MWth
TJ/yr
MWth
TJ/yr
MWth
TJ/yr
2005
12855
185869
15384
87503
28239
273372
2010
7
22
18000
260000
41500
236000
59500
496000
2020
6
16
30900
446000
143000
811000
173000
1260000
2030
5
12.5
43600
630000
292000
1660000
336000
2290000
2040
4
10
50800
734000
476000
2710000
527000
3444000
2050
3.5
9
60500
874000
744000
4230000
804000
5100000
图6－17 地热能直接利用和GHP装机容量增长的可能情景（MWt）
图6－18 地热能直接利用和GHP能源生产增长的可能情景（TJ/年）
第五节 世界潮汐能和波浪能利用状况
海洋能（oceanenergy）是海水运动过程中产生的可再生能，主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、盐差能等。
潮汐能和潮流能源自月球、太阳和其他星球引力，其他海洋能均源自太阳辐射。
海洋能具有以下特点：
①蕴藏量大，并且可以再生。
据1981年联合国教科文组织估计，全世界海洋能资源的理论可再生总量为766亿千瓦，其中温差能为400亿kW,盐差能为300亿kW，潮汐和波浪能各为30亿kW,海流能为6亿kW，其中技术上允许利用功率为64亿kW,其中盐差能30亿kW,温差能20亿kW,波浪能10亿kW,海流能3亿kW,潮汐能1亿kW（估计数字）；②能流密度低，且分布不均。
大洋表面与500～1000米深层水之间的较大温差仅20℃左右,潮汐、波浪水位差小,较大潮差仅7～10米，较大波高仅3米，潮流、海流速度小,较大流速也只有4～7节；③能量多变、不稳定。
海水温差能、海流能和盐差能都是较稳定的，24小时不间断，昼夜波动小，只稍有季节性的变化，但其利用性差；潮汐、潮流则作恒定的周期性变化，海浪是海洋中最不稳定的，有季节性、周期性，而且相邻周期也是变化的。
人类对海洋能的利用最早是从潮汐能开始的，一千多年前的唐朝，我国沿海居民就利用潮力碾谷子，11世纪的欧洲也出现了潮汐磨房。
1799年法国工程师吉拉德父子首次申请从波浪获取动力的专利。
1910年，法国人布索·白拉塞克在其海滨住宅附近建了一座气动式波浪发电站，供应其住宅l000瓦的电力。
60年代，日本研制成功用于航标灯浮体上的气动式波力发电装置，此种装置已经投入批量生产，产品额定功率从60瓦到500瓦不等，产品除日本自用外，还出口国外，成为仅有的少数商品化波能装备之一。
现在日本、英国、挪威和中国等国家正在进行多种波力发电试验研究，其中较大型的是日本等5国在日本海试验的“海明号”波力发电船,第一期试验年发电量19万度,并初步成功地把电力输送到了岸上。
日本还建立了岸式波力发电试验站。
中国研制出采用对称翼型空气涡轮机的新型波力发电装置，装在南海海域航标灯浮上试用。
在潮汐能利用方面，早在1966年法国就建成了朗斯潮汐电站，装机容量24万千瓦，是目前世界上规模最大的潮汐能发电站。
1981年中国江厦潮汐试验电站第一台500千瓦机组正式投产。
20世纪70年代以来，美国用在研究海洋热能转换的经费在世界上占居首位。
1979年，美国在夏威夷岛海域驳船上进行了50千瓦装机容量海水温差发电试验。
其后，日本在瑙鲁岛建立岸式试验性海水温差电站，装机容量100千瓦。
然而总体来看，目前对海洋能的开发利用仍然处于试验阶段，只有潮汐能和波浪能进入了商业化利用阶段。
一、潮汐能的利用
潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的海水的势能。
海水主要受月球的引力作用，并随着地球、月球、太阳的相对位置不同，每天发生周期性的涨落，在一些海湾和河口，潮差可达几米或十几米。
修筑堤坝等水工建筑物，就能利用潮水的落差进行水力发电。
世界上潮差的较大值约为13米～15米,我国的最大值（杭州湾澉浦）为8.9米，世界上潮汐能最大的地方是加拿大的芬迪湾，那里的海潮最高时达到18米。
一般说来，平均潮差在3米以上就有实际应用价值。
全世界潮汐能的理论估值为10亿千瓦量级。
世界上潮汐能最为丰富的地区有：
美国阿拉斯加州的库克湾、加拿大芬迪湾、英国塞文河口、阿根廷圣约瑟湾、澳大利亚达尔文范迪门湾、印度坎贝河口、俄罗斯远东鄂霍茨克海品仁湾、韩国仁川湾等地。
利用潮汐能的主要方式就是发电，其运行原理跟普通水电厂相同，就是利用潮汐涨落时海水水位的升降，使海水通过水轮机时推动水轮发电机组发电。
潮汐发电有三形式：
第一种是单库单向电站，即落潮发电。
涨潮时坝门打开，海水充满蓄水库；落潮时坝门关闭，潮水驱动水轮机发电。
第二种是单库双向电站，即落潮和涨潮都发电，且与扬水并用。
为了保持落差，并非落潮一开始就发电，而是向水库泵水，然后停机待机，直到潮水落到潮差的一半时才开始放水发电。
反之亦然，涨潮一开始也不立即发电，而是将水库剩余的水抽向大海，再停机待机一段时间，直到潮水涨到一半潮差时再开始发电。
第三种是双库双向电站，此时备有上、下两个水库，发电机组则布置在两库之间。
涨潮时上池被充满，落潮时将下池放水，从而形成两池之间的水位差。
利用该水位差可使机组连续运转。
潮汐能的现代开发始于20世纪50年代，第一座同时也是世界最大的具有商业实用价值的潮汐电站是1966年建成的法国郎斯电站，装机容量为240MW，加拿大于1984年在安纳波利斯的芬迪湾建成了世界第二大潮汐电站，装机容量为18MW，建成于上世纪70年代的我国浙江江厦潮汐电站装机容量为500kW，居世界第三位，俄罗斯也建有一座装机容量为400kW的潮汐电站。
目前世界上计划或拟议中建立的大型潮汐电站有20多座，其中装机容量百万kW级的就有9座，预计到2030年世界潮汐电站的年发电总量将达600亿kW·h。
世界第一批商业规模潮汐能发电装置也在英国开始建设，其中建设于美国威尔士（Welsh）海岸的装置将于2011年投用，预计年发电10.5MW，可供6000户家庭用电。
潮汐能本质上是一项成熟的技术，且具有清洁、无污染，不受洪水、枯水期等水文因素影响的优点，但是由于其资本支出高、建设时间长、负载系数低导致回收期长、发电成本高，因而很难同常规电站竞争，全世界建成投产的商业用潮汐电站不多。
而且可开发的潮汐能总量并不多，以欧盟为例，在欧洲共同体国家，技术上可以开发利用的资源估计每年有105．4×104亿瓦·小时，而经济上可行的资源每年只有大约50×104亿瓦·小时，并大多数（90％）坐落在法国和英国，因而即使开发了所有在技术上有潜在开采价值的地方，潮汐能也只占我们所需能源的很小部分。
二、波浪能的利用
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。
波浪的能量与风速、持续的时间及吹动的距离有很大关系，在盛风区和长风区的沿海，波浪能的密度一般都很高，南半球和北半球4O°～60°纬度间是世界风力最强的地区，这里也是波浪能密集的地区，信风区（赤道两侧30°之内）的低速风也会产生很有吸引力的波候，因为这里的低速风比较有规律。
全世界波浪能的理论估算值约为10亿千瓦量级，在现有设备成熟的情况下，全球波浪能经济可利用资源量在每年140-750TWh之间，如果对现有设备进行改进，全球经济可利用资源可达每年2000TWh。
世界波浪能最为丰富的地区有欧洲西部沿海、英国北部海岸、美洲太平洋沿岸、南部非洲、澳大利亚和新西兰等，世界各地海浪的能量分布见下图。
在全球石化能源逐渐枯竭之际，波浪能发电已引起各国的关注及投入。
然而波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源，台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千千瓦，但一般情况下，波浪能的功率并不高，在波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20千瓦/平方米～40千瓦/平方米，中国海岸大部分的年平均波浪功率密度只有2千瓦/平方米～7千瓦/平方米。
图6－19 世界各地年均波浪功率（波前：
kW/m）
波浪能可用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等，波浪发电是波浪能利用的主要方式。
波浪发电的原理主要是将波力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。
当波浪上升时将空气室中的空气顶上去，被压空气穿过正压水阀室进入正压气缸并驱动发电机轴伸端上的空气透平使发电机发电，当波浪落下时，空气室内形成负压，使大气中的空气被吸入气缸并驱动发电机另一轴伸端上的空气透平使发电机发电。
波浪能发电装置目前主要有以下几种装置形式：
第一种：
漂浮式波浪能装置。
1985年至1986年，日本进行了“海明号”波力发电试验，研究在长80米、宽12米，由13个振荡水柱气室组成的船型漂浮式结构上进行，参与研究的国家还有美国、英国、挪威、瑞典、加拿大等。
试验首次实现了波浪能向电能的转换，但研究表明，系统发电总效率不高，发电成本令人失望。
不久，日本又设计试验了另一个装机容量为110千瓦的船型波力发电装置，其电机类型为三相感应式，设三个机组，一号机组装机容量可在50千瓦和10千瓦之间自动切换，增强了适应性。
经海况试验，这个装置运转正常，最大总发电效率为12%，从能源利用角度来说，其造价仍过于昂贵。
第二种：
固定式波浪能装置。
这种装置又分为岸式、收缩波道式、摆式、沉箱式等多种形式。
1984年以来，英国、葡萄牙、挪威、印度、印尼等国相继进行试验，但成功的运行装置并不多。
1984年，挪威投资120万美元在卑尔根市建造了一个500千瓦的波力电站，正常工作两年后在一次强台风中该电站钢结构被破坏，发电机组没入海中。
随后，英国、印度、日本等国设计的这类装置和电站也因土建或其他技术原因失败或运行不良。
比较成功的是英国于2000年11月在苏格兰建成的500千瓦岸式波能装置，目前已上网发电，可以为当地400户居民供电。
2008年9月
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