具体地说,地热发电的方法主要有3种:(1)蒸汽法:将地热井喷出的高温蒸气用管道输送至发电机组,并直接驱动涡轮机和发电机组发电。(2)减压法:将地热井喷出的热水经过减压以产生蒸汽,再用蒸汽驱动机组发电。(3)热交换法:将地热井喷出的热水或蒸汽送至热交换器,使某种低沸点的物质蒸发,其蒸汽可以驱动机组发电。
由于地热中纯干蒸汽不多,多为水和蒸汽相混,所以,蒸汽发电系统多采用减压法。它的原理是,当压强降低时,水的沸点也降低,如压强降至0.5个大气压,水的沸腾温度不是100℃,而是81℃。当地热水温度不很高时(如西藏羊八井的地热水温为150℃),可采用扩容减压法,或多级扩容以获取更多的蒸汽来发电。
采用扩容减压法来发电的技术已较为成熟,在许多国家得到应用。采用多级扩容减压法发电的机组,其装机容量大者可达100多兆瓦的功率,取得了较好的效益。
由于多数地热井喷出是热水,需要采用热交换法。这是一种双循环发电系统。热水进入第一个热交换器,使管道中的工作物质迅速蒸发,变成蒸汽驱动发电机组。这种工作物质的沸点很低,主要是碳氢化合物和碳氟化合物。由于碳氟化合物(如各种氟利昂)对环境有破坏作用,所以现在多采用碳氢化合物。例如,异丁烷(常压下沸点为-11.7℃)、正丁烷(-0.5℃)、丙烷(-42℃)。
所谓双循环系统是经过热交换使工作物质变成蒸汽去发电,做完功的气体在冷凝器中再还原为液态的工作物质,这些工作物质还可再回到热交换器变成蒸汽,准备再做功。而地热水降温之后再回输到地下,以避免(特别是含盐高的)地热水对地面的污染。所以,地热水有一个循环系统,而工作物质也有一个循环系统。这就是所谓的双循环系统。
这种双循环系统技术并非只适于地热资源的开发,它具有广泛的用途,像太阳能蓄热发电、海洋温差发电、利用工业余热发电均可采用这种技术。我国应大力发展这种技术,在广泛吸收国外现有技术的基础上建立自己的技术体系,完善生产工艺,以利于开发各种形式的能源资源。
上面讲的是利用扩容减压法的蒸汽发电系统和双循环发电系统都是较为成熟且已在普及的技术。此外,还有一些新技术正处于研究阶段,这里也作一简单的介绍。
首先是全流发电系统。这种系统是将地热喷井口喷出的所有物质(不管是蒸汽、热水、化学物质等)不经过处理就送进全流动力设备中膨胀做功,而后排放或进入凝汽器中。这样,可以充分利用地热流体的所有能量。我国对这种技术正在研究,主要是由天津大学承担的。
还有一种是干热岩发电系统。由于地球深部的岩层具有较高的温度,其中蕴藏着很大的地热能。如何利用这种地热能呢?20世纪70年代,美国洛斯阿拉莫斯实验室首先采用人工钻探和注水的方法进行“人造地热”试验,后来,人们又建立了发电装置。
利用干热岩发电的具体做法是,先打两口井,利用其中的一口并向地下的干热岩注水,而后利用另一口井将升温的水提升至地面。这种方法的原理就是如此简单,但试验中发现,建立起完善的技术系统是有一定困难的。除了美国,日本、德国、英国和法国等国家也在开发这种新技术。我国虽未进行干热岩发电技术的研究,但这种高新技术已开始引起我国科学家的注意,也正在准备投入资金进行研究。
第一座地热发电站
说起地热发电,世界上第一座地热发电站要算是1904年在意大利的拉德雷诺建成那座小型地热电站,它是用地热蒸汽推动涡轮机发电的,但功率很小,只点亮了5盏电灯。后来经过充实发展,目前该电站的装机容量已达54.8万千瓦。
当初这座电站虽然只能点亮5盏电灯,但是人们一致认为,这座小电站开创了地热发电的历史。
地热发电现状
根据1993年的统计资料,目前地热发电装机容量最大的是美国(283.7万千瓦)。其余的国家依次有菲律宾、墨西哥、意大利、日本、印度尼西亚等,我国则排在第12位。当前主要国家的地热发电容量共约600万千瓦,年发电量共约300亿千瓦·时。
例如,日本九州电力与出光地热开发会社共同携手,于1979年起对大分县九重町地区进行了地热调查,计划建设规模为2.5万千瓦以上的地热发电所。目前总投资已达数百亿日元,开发出大川地热发电所、八丁原一号和二号地热发电所等6个总发电能力在15.5万千瓦的地热发电所。
美国于1992年在岛屿沿海地带进行了地热调查,据称,夏威夷岛具有发电规模为8万千瓦的地热资源。美国有关部门在加利福尼亚州建设了输出为32万千瓦的地热发电所,并于1993年开始工作。据估计,美国地下4000米处可利用的地热资源约有4亿千瓦。美国高温地热发电潜力相当于755-7297亿吨标准煤,可以直接利用的中、低温热能相当于1606亿-9139亿吨标准煤。
冰岛首都雷克雅未克的居民已多年不用煤和油取暖了。因为从1928年起他们就开采地热。现在冰岛人口中约有一半依赖于首都的热水供应系统,当地的地热发电能力为500兆瓦,这相当于一个大型火力发电厂的发电能力,每年可供电约30亿千瓦·时。
地热水发电
产生地热能源需要两个条件:发热的岩石和滚烫的水。在冰岛,这两者都具备,而且丰富得很。由此派生出地热利用的两种模式:一种是直接将地下热水抽出;另一种是向地下有热岩的地方注入冷水,利用热岩加热冷水,再把热水从另一处抽出。前一种方式较省事,但地下热水中含有多种腐蚀物,对供热管道的腐蚀极大,如不采取有效措施事先加以预防,这种地热利用是不会长久的。后一种方式虽然腐蚀问题不严重,但是,很难控制地下那个巨大的“加热炉”(即热岩)的活动。总之,不论采用哪种方式利用地热,都必须拥有先进的科学技术和工业基础。
冰岛利用地热主要靠注入冷水取得地热能。利用地下沸水的内斯韦利热能发电厂,居然提供了雷克雅未克所需热能的1/3。该厂位于地热高温区,地下2000米深处的温度已达400℃。从18个钻孔中冒出水与蒸汽的混合物。
这些混合物经过热交换器,冷水就被加热到约90℃。不过,由于水中存在的大量的氧气对管道系统具有相当强的腐蚀作用,所以必须去除水中的氧气。
为此,人们不仅使用普通的排气法,还在水中添加少量硫化氢。硫化氢与氧气发生反应后,就可以除去剩余的氧气,这就是为什么雷克雅未克的热水中常常会有一股淡淡的臭鸡蛋味的缘故。
冰岛人采用的这一措施还真有效,如果来自地层深处的沸水直接进入管道系统,管壁很快就会穿孔。因为地下水中含有丰富的矿物质以及酸性腐蚀物质,即使采用最好的钢管,用不了几个月也会被腐蚀。而硅酸,氯化钠及铁、钙等元素在冷却时却会凝固成黏合物,很快将水龙头堵塞。若在水中添加少量硫化氢,上述弊端即都能克服。
热岩石发电
目前,德国施瓦本地区和法国阿尔萨斯地区也正在开发地热能源。人们在施瓦本地区把钻头打到地下4444.4米深处,那里的温度超过170℃,德国人还在酝酿着一个大胆的设想:他们希望像开采鲁尔的煤那样开采地热,只是施瓦本地区的“煤”是干热的岩石。
如果从1立方千米岩石获取热能,那么只需使岩石降温100℃就可供一家30兆瓦的发电厂用30年,这些电能足够供应一个小城市的用电。
1985年,日本在山形县的肘析地区进行了高温岩石发电实验。1991年8月,日本人还开掘了深度为1800米的人工贮留槽,成功地利用地热获得了功率为5000千瓦的电力。据日本新能源产业技术综合机构估算,全日本可供高温岩石发电的地热资源量约为1500万千瓦。
意大利人在此方面也急起直追,1991年起,他们在火山易爆发地区,将地上1000米高的岩盘人工制造出许多裂口,成功地收集了地热,完成了输出功率为2000千瓦的高温岩石发电实验。
拥有众多火山岛的新西兰更不甘人后,1993年,新西兰人开始了地热发电的实地探索。目前,新西兰已接受了日本投资的9000亿日元,提供的30台地热发电设备。如果地热发电技术实验进展顺利,估计从地下可以获得9亿千瓦·时的电量,将是眼下新西兰发电设备容量的6倍。
你瞧,地热发电潜力有多大!
火山中的能源
火山发怒
在希腊神话中,火山之神梯丰常被看作是灾难的象征。它虽然被压在地下,但仍然口鼻喷火,吼声震撼着大地。
古人为什么对梯丰如此恐惧呢?其实,他们害怕的不是神,而是火山本身,因为火山给人类带来了数不尽的灾难和痛苦。
公元79年,意大利维苏威火山爆发。庞贝和赫库兰尼姆数以千计的罹难者因二氧化碳过量而魂归西天。
1883年,印度尼西亚813米高的克拉卡托火山沉睡200年后突然爆发。
爆炸声震裂了10千米开外的海员的鼓膜,这次火山爆发引起海底地震,海底地震所激起的冲天巨浪淹没了周围的海岛,夺取了3.6万条生命。数年后,人们在夜间尚能遥望到这座火山喷射到大气层的尘埃与气体构成的闪闪发光的云层。
1991年6月,沉睡了600余载的菲律宾皮纳图博火山爆发。2000万吨二氧化硫被喷射到平流层,炽热的浮石从空中降落到火山上,一朵高达3万米的蘑菇云遮天蔽日,尘埃雨使大地呈现一种月色景象。10多万惊恐万状的逃难者以为“世界末日”业已来临。风将火山的大气霾层吹到世界各地,数周之内,千百万人尚能观察到颜色异常的日落景象(因为大气层中的稀薄云层对阳光有滤色作用)。这场火山爆发造成875人死亡,迫使20万人迁居,释放到大气中的二氧化碳达1800万吨。
火山带给人类巨大的损失,数不尽的灾难和痛苦。
火山的礼物
尽管火山给人类带来种种危险,但火山地区对农民仍有极大的吸引力,造就了大片肥沃的土地。
因为那里含有大量矿物质的土壤极其肥沃,在美国,有人到科罗拉多州淘金,有人到内华达州采银,有人到亚利桑那州觅铜。他们之所以能在那些地方采掘到贵重金属,不能不归功于火山的威力,是火山将埋藏在地下深处的贵金属带上了地表。
南极附近的埃里伯斯火山爆发时给这个白色大陆铺了厚厚一层用显微镜才能看到的纯金微粒。南非和西伯利亚地区的火山空洞已成为在高压高温下的岩浆里形成的金刚石的矿床。
中国的长白山天池,日本的富士山,还有美国的夏威夷群岛,都是曾发生过火山喷发的地方,然而现在这些地方风景秀丽,游人如织。“魔鬼的烟囱”被打扮成了美丽的山庄,迎接着南来北往的游人到那里观光、休憩。
古巴具有“世界糖罐”之称,它盛产甘蔗。中美洲的厄瓜多尔和东南亚的菲律宾又盛产大个的香蕉,这些国家的经济作物,都得益于极其肥沃的天然土壤——火山灰土壤。火山灰里具有多种有益的肥料成分,会给作物生长提供源源不断的廉价肥料。将来,也许“火山肥料”将永远是主要肥料,人们甚至可以在火山频发地区建立“火山肥料工厂”,把价廉物美的火山肥料运往世界各地,促进其他地区的作物生长。
冰岛巧用地热能
然而,火山赐给人们的,除了肥沃的火山灰外,还有更为惊人的巨大的能源。在利用火山能源方面,冰岛人是很有办法的,他们常用“盖住火山口”
的方法来取得能源。如果把将要喷发的火山比作在炉子上即将燃烧的一口盛油的铁锅,那么,防止油着火的最好办法是用盖子把锅盖住。从哪里去找偌大的盖子呢?聪明的冰岛人想出了一个“釜底抽薪”的绝招,就好比在油锅中的油将要燃烧这一刹那,立即熄灭炉膛里的火,这样即使不用盖子,油也烧不起来了。具体办法是,在即将要喷发的火山口上,打上几口斜井,让积聚的能量分别从斜井中释放出来,于是灾难消除了,释放出来的能量还可用来发电,造福民众。冰岛人终于“盖”住了火山。火山也从根本上失去了猛烈喷发的可能,因为它借以喷发的能量已被一点一滴,一丝一缕地放逸出去了。冰岛非常寒冷,人们用火山中释放出来的热量给居室送去暖气,甚至用火山的能量去做饭、烧水、沐浴,那岂不是一举两得吗?在冰岛,人们常常看到这样一种奇观:大大小小、形状各异的输能管从火山口附近的斜井里引出,曲曲折折地送往千家万户,人们在四季如春的气温下舒适地生活,各种花卉四季吐艳,散发着迷人的芳香。威胁着冰岛人生存的火山竟然戏剧性地摇身一变,成了冰岛人的“能源宝库”。世界各国人民都戏称冰岛人是“玩火的冰岛人”。随着科学技术的发展,人们把更多更好的科学技术用到火山的开发和利用上之后,一定会把“火”玩得更明亮,更有魅力和新意。