按照其储存形式,地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。
全球地热分布
地热主要分布在构造板块边缘一带,该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度,那么地热能便是可再生的。地球地热资源很丰富,但热能的分布相对来说比较分散,开发难度大。
世界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。
我国的地热资源也很丰富,但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。
地热的不同用途
地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类,而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下:
(1)200~400℃直接发电及综合利用;
(2)150~200℃双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工;(3)100~150℃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;(4)50~100℃供暖,温室,家庭用热水,工业干燥;(5)20~50℃沐浴,水产养殖,饲养牲畜,土壤加温,脱水加工。
人类很早以前就开始利用地热能,例如利用温泉沐浴、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。但真正认识地热资源,并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。
地热发电
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。所不同的是,地热发电不像火力发电那样需要装备庞大的锅炉,也不需要消耗燃料,它所用的能源就是地热能。地热发电的过程,就是把地下热能首先转变为机械能,然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能,首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体,主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同,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。
地热供暖
将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。天津奥林匹克中心体育场——2008年北京奥运会足球预赛场采用地热能、太阳能等可再生能源,在冬季,该场馆水源热泵空调系统对地热井水梯级利用,夏季,系统则采用湖水辅之以冷却塔散热。
地热务农
地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉农田,可使农作物早熟增产;利用地热水养鱼,在28℃水温下可加速鱼的育肥,提高鱼的出产率:利用地热建造温室,育秧、种菜和养花;利用地热给沼气池加温,提高沼气的产量等。
地热行医
目前热矿水就被视为一种宝贵的资源,世界各国都很珍惜。由于地热水常含有一些特殊的化学元素,从而使它具有一定的医疗效果。如含碳酸的矿泉水供饮用,可调节胃酸、平衡人体酸碱度;含铁矿泉水饮用后,可治疗缺铁贫血症;氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊地质、地貌条件,使温泉常常成为旅游胜地,吸引大批疗养者和旅游者。
未来随着与地热利用相关的高新技术的发展,将使人们能更精确地查明更多的地热资源;钻更深的钻井将地热从地层深处取出,因此地热利用也必将进入一个飞速发展的阶段。
九、海洋能
海洋能指依附在海水中的可再生能源,海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量,这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。
地球表面积约为5.1×108km2,其中陆地表面积为1.49×108km2占29%;海洋面积达3.61×108km2占71%。一望无际的大海,不仅为人类提供航运、水源和丰富的矿藏,而且还蕴藏着巨大的能量,它将太阳能以及派生的风能等以热能、机械能等形式蓄在海水里,不像在陆地和空中那样容易散失。海洋能具有储量丰富、可再生、清洁等优点。
海洋能的常见利用形式有以下几种:
波浪能
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,并以势能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪发电是波浪能利用的主要方式,发电形式多样化。这里介绍的两种形式:振荡水柱式波浪发电系统和收窄水道式波浪发电系统。
振荡水柱式波浪发电系统通过波浪引起竖井或沉箱中的水柱上下运动来发电。水柱的上下振荡可以使到竖井中水面上的空气来回进出,从而推动涡轮旋转而发电。这类系统也称气动系统。
收窄水道式波浪发电系统,包含一个不断变窄的水道以将波浪聚集到比海平面高数米的储水湖中。波浪进入缩减水道后越是接近储水湖,波浪高度也就越高。最终一些水会越过水道的围墙而进入储水湖。通过这个过程,波浪的动能转化为储水湖中的水位能。最后储水湖中的水会被送到水轮机进行发电。除此之外,还有浮式碧浪发电等。
潮汐能
因月球引力的变化引起潮汐现象,潮汐导致海水平面周期性地升降,因海水涨落及潮水流动所产生的能量称为潮汐能。
潮汐能的主要利用方式也是发电,目前世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮汐电站,我国的江夏潮汐实验电站为国内最大。英国的潮汐发电潜力大,估计为整个欧洲的一半,为世界总量的10%到15%。英国有望成为“海洋能源中的沙特阿拉伯”。
海流能
海流能是指海水流动的动能,主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量,是另一种以动能形态出现的海洋能。
海水温差能
是表层海水和深层海水之间水温差的热能,是海洋能的一种重要形式。低纬度的海面水温较高,与深层冷水存在温度差,而储存着温差热能,其能量与温差的大小和水量成正比。据计算,从南纬20度到北纬20度的区间海洋洋面,只要把其中一半用来发电,海水水温仅平均下降1℃,就能获得600亿千瓦的电能,相当于目前全世界所产生的全部电能。
温差能的主要利用方式为也是发电,而温差能利用的最大困难是温差大小,能量密度低,其效率仅有3%左右,而且换热面积大,建设费用高,目前各国仍在积极探索中。
盐差能
是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能,是以化学能形态出现的海洋能。主要存在于河海交接处。盐差能的研究以美国、以色列的研究为先,中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。但总体上,对盐差能这种新能源的研究还处于实验室实验水平,离示范应用还有较长的距离。
十、可燃冰
可燃冰的学名叫“天然气水合物”,是一种白色固体物质,外形像冰,有极强的燃烧力,可作为上等能源。它主要由水分子和烃类气体分子(主要是甲烷)组成,所以也称它为甲烷水合物。天然气水合物是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下,由气体或挥发性液体在与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。一旦温度升高或压力降低,甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解。(1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水)所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。海底天然气水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态,其分布可以从海底到海底之下1000米的范围以内,再往深处则由于地温升高其固体状态遭到破坏而难以存在。
可燃冰被西方学者称为“21世纪能源”或“未来新能源”。迄今为止,在世界各地的海洋及大陆地层中,已探明的“可燃冰”储量已相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上,其中海底可燃冰的储量够人类使用1000年。世界上海底天然气水合物已发现,的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等,东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等,印度洋的阿曼海湾,南极的罗斯海和威德尔海,北极的巴伦支海和波弗特海,以及大陆内的黑海与里海等。
从20世纪80年代开始,美、英、德、加、日等发达国家纷纷投入巨资相继开展了本土和国际海底天然气水合物的调查研究和评价工作,同时美、日、加、印度等国已经制定了勘查和开发天然气水合物的国家计划。特别是日本和印度,在勘查和开发天然气水合物的能力方面已处于领先地位。2007年4月21日,我国正式启动南海北部陆坡海域天然气水合物钻探工作。5月1日凌晨,钻探船在南海北部神狐海域的一号钻探站位获取了可燃冰的样品,其沉积层厚18m,甲烷含量99.7%。
天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时,对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物中的甲烷,其温室效应为CO2的20倍,温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍,若有不慎,让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去,将产生无法想象的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物,一旦条件变化使甲烷气从水合物中释出,还会改变沉积物的物理性质,极大地降低海底沉积物的工程力学特性,使海底软化,出现大规模的海底滑坡,毁坏海底工程设施,如:海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难,一旦出了井喷事故,就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。由此可见,可燃冰在作为未来新能源的同时,也是一种危险的能源。可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”,需要小心对待。