出品：科普中国
作者：马青山，陈娟雯 博士（中国科学院广州能源研究所）
监制：中国科普博览
天气渐寒，不少人都会叫上几个好友一起泡温泉放松身心。而我们今天介绍的主角——地热能，正和暖身舒心的温泉密切相关。在我们每个人的脚下，都存在着一种储量巨大的清洁可再生能源——地热能。迄今为止，人类已有几千年利用地热能的历史，舒服又养生的温泉便是其中之一。
冰岛蓝湖温泉
（图片来源：Veer图库）
地热能根据其资源特点，可以初步分为浅层地热、水热型地热、干热岩地热和岩浆地热资源，其中最为我们所熟知且开发最为容易的就是水热型地热资源，深受人们喜爱的温泉便是一种地面出露的水热型地热。
然而，储量最大，分布最广的却是干热岩型地热资源。据估计，在地壳10km以上区域储藏的干热岩地热资源约为1.3×1027，大约占总地热资源的98%，按照现在的消耗速度计算，可供人们使用2.17亿年，几乎可以称得上是“无限的能源”了。
为何能源无限，使用却有限？
可能有人会问，既然我们拥有这么多能源，为什么之前没有得到大规模的利用呢？这是因为干热岩位于地下数千米，且没有天然的传热流体介质，开采难度非常大。
目前，主流的开采思路是增强型地热技术（EGS），即在干热岩中通过水力压裂等手段建造一个具有渗透性的人造热储，然后通过至少两口井与地下热储连通，再通过其中一口井向地下热储注水，吸热后从另外的井流出的方式进行开发。
相较单井地热技术，增强型地热技术（EGS）具有采热量大的显著优势。然而由于大规模造储和钻井工程，需要大量的前期投资，且工质漏失、结垢严重、热储短路等技术问题尚未解决，因此，目前还未有成功商业化的EGS案例，需要进一步的技术积累和进步。
增强型地热系统示意图
（图片来源：Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016）
热管是一种利用工质相变和流动来实现热传导的高效传热设备，其工质在热端吸热蒸发为饱和蒸汽，流动到冷端释放潜热，冷凝为液态后再回流到热端。热管的传热系数非常高，其传热系数比良导热材料铜大2-3个数量级，已经在很多应用场景下大展手脚。
一般的重力热管长度在10米以内，若长度超过10米，热管就会出现气液相流动卷携和管内蒸发相变不稳定等问题，传热性能就可能会大幅下降，难以维持良好的传热性能。限于此，长期以来一直没有实现大长度热管的技术突破。
用于电脑主机散热的热管
（图片来源：作者自制）
超长重力热管（SLGHP）地热开采技术是中科院广州能源所蒋方明研究团队在2017年提出的一种新型干热岩开采技术路线，其核心思路是通过一根千米级的超长重力热管，将地下干热岩当中的热能传输到地面进行利用。
这项技术所采用的重力热管就是冷凝液滴在重力作用下回落的一种热管，其主要的技术创新也凝结在这根“超级长”的重力热管之上。
应用于地热开采的重力热管的长度往往在数千米，长径比则达到数万。面对这样的大尺寸超长重力热管，如何保证工质高效稳定蒸发、减小流动阻力、消除气液卷携效应成为技术关键和难点。
技术突破：超长重力热管系统
超长重力热管地热开采系统简图
（图片来源：Energy,2022）
经过数年的研发，科研团队通过热管结构设计攻克了这些难点，成功研发了可用于数千米干热岩地热开采的超长重力热管。研发团队在唐山开展的现场试验中，利用一根3000米长的热管，在平均地下地层温度为95.6℃时，在地面上获得了最高温度为90℃的蒸汽，长期采热量达190kW，这是首次成功实施的千米级重力热管。
随后，团队通过进一步的热管设计优化和工质优选，开发了新一代地热热管。在河北雄安，团队从4000米地热井内，实现了热管系统长期采热率达到800kW以上，为目前最高的中深层地热单井采热率。
超长重力热管地热能系统采热雄安测试
（图片来源：作者自制）
作为一种全新的技术路线，超长重力热管系统拥有许多技术优势。
首先，热管完全自驱动，无需额外消耗泵功，管内热传输过程㶲损更低；其次，热管采用相变采热，以保持更大的井下换热温差，采热效率更高；此外，地热热管输出饱和蒸汽，可以直接驱动冷、电循环，无需换热，效率更高，结构更简单。该系统规避了EGS几乎所有的技术难题，使得技术及其投资风险更小。
其实，除干热岩外，超长重力热管技术也可以应用在水热型地热资源当中，以避免采水过程中诱发的地质沉降、卤水结垢等问题。
超长重力热管采出的蒸汽可以进行方便的综合化热利用。对于地温条件较好的地热井，可以直驱汽轮机发电或制冷，随后通过冷凝器管路为住宅提供生活热水。而对于地温条件较差的地热井，通常考虑供热的利用方式，从热管中分离出的温度较低的蒸汽经过压缩后，一部分用于工厂设备高温蒸汽的供应，另一部分则能够通过冷凝器凝结为生活热水，输送给住宅使用。
随着国家十四五规划和“双碳”战略的出台，清洁能源技术迎来了发展的春天。目前，超长重力热管系统已初步形成标准化产品，其商业模式也在逐步建立。相信经过科研人员的持续努力，这项技术将变得愈发成熟，并最终为发掘干热岩资源、助力“碳中和”愿景贡献力量。
或许在不久以后，“随地取热”的时代就会来临。
编辑：应奕可
参考文献：
[1] Lu S M. A global review of enhanced geothermal system (EGS)[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 81: 2902-2921.
[2] Geiser P, Marsh B, Hilpert M. Geothermal: the marginalization of earth’s largest and greenest energy source[C]//Proceedings of the 41st workshop on geothermal reservoir engineering, Stanford University, Stanford, SGP-TR-209. 2016.
[3] Li T, Shiozawa S, Mcclure M W. Thermal breakthrough calculations to optimize design of a multiple-stage Enhanced Geothermal System[J]. Geothermics, 2016, 64:455-465.
[4] Schill E, Cuenot N, Genter A, et al. Review of the hydraulic development in the multi-reservoir/multi-well EGS project of Soultz-sous-Forets[C]//Proceedings World Geothermal Congress 2015. Australia: Melbourne, 2015: 19-25.
[5] 中科院4750米的超长热管利用地热能发电，经济分析及发电成本解读| https://baijiahao.baidu.com/s?id=1732014118388963005&wfr=spider&for=pc/ (2022/7/26获取)
[6] Olasolo P, Juárez M C, Morales M P, et al. Enhanced geothermal systems (EGS): A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 56: 133-144.
[7]蒋方明, 黄文博, 曹文炅. 干热岩热能的热管开采方案及其技术可行性研究[J]. 新能源进展, 2017, 5(6):9.
[8] Huang W, Cen J, Chen J, et al. Heat extraction from hot dry rock by super-long gravity heat pipe: A field test [J]. Energy, 2022, 247: 123492.
[9] Chen J, Huang W, Cen J, et al. Heat extraction from hot dry rock by super-long gravity heat pipe: Selection of working fluid [J]. Energy, 2022, 255:124531.
