什么是地热发电？

什么是地热发电？

2023/07/19

日本是世界上火山最多的国家之一，拥有大量的地热能。地热发电是从地下1,000m至3,000m深处提取高温（200℃至300℃）水或蒸汽，并利用该能量转动涡轮机发电的方法。类似的术语还有“地热能利用”，它是利用接近地表20m至100m深度的恒温，并利用其进行高效加热和冷却的节能技术。地热能无论季节或天气如何，都可以全年提供稳定的能源供应，因此地热发电有望发挥基本负荷电源的作用，稳定地供应一定量的电力。我们采访了可再生能源研究中心地热小组的Yusuke Yamatani，了解了地热发电的概况和现状，以及AIST正在进行的地热发电研究。

什么是地热发电

日本地热发电现状

　地热发电是主要利用地下岩浆加热的高温蒸汽所含能量的发电方式。热、水和盖岩（不透水且能截留水的地质层）是地热发电的三要素。由于日本列岛位于火山带，因此拥有这三种要素的被称为“地热库”的地方比其他国家更多，可以认为存在大量可利用的地热能。

　日本地热能储量居世界第三位，仅次于美国、印度尼西亚，是地热发电利用潜力较大的国家。然而，实际安装的发电设备所能产生的电力只有06吉瓦左右，与资源量相比是极小的。政府将纯国产能源的地热发电视为基本负荷电源，并制定了到 2030 年将其增加到 15 吉瓦的目标。为了实现这一目标，正在进行各种技术开发以增加发电量。

地热发电技术

　地热发电是在地下1000m～3000m的地热库中挖一口被称为水井的井，抽取高温高压的地下水（蒸汽），使发电涡轮旋转来发电的“闪速发电方式”。水用于发电后，被冷却到一定温度并从另一口井返回地下，但也可以将其中的一部分用于梯级，根据温度范围将其用于第二或第三用途，例如取暖或洗澡。

还有“二元发电”，即使用闪蒸发电后的热水或温泉水来加热沸点比水低的介质，例如氨或替代氟氯化碳，并将其蒸发以驱动涡轮机。当地下水温度低于150℃，且发电设备相对较小时，也可以采用这种方法，使得增加小型地热发电成为可能。

　与此同时，能够大幅增加发电量的“超临界地热发电技术”的研究正在取得进展。超临界地热发电旨在利用“超临界状态”的水（由于温度为374摄氏度或更高、压力为218个大气压或更高，无法区分液态和气态的水），从地下约3,000至5,000米深处发电。

　超临界地热发电在日本2050年能源战略中被定位为一项有前景的创新技术。目前日本四个地区正在进行详细调查，其中包括岩手县的Kakkonda地热区，目的是钻探测试井。其他国家正在进行测试，但现阶段还没有投入实际使用，我相信如果日本能够在发电方面领先的话，它可以领先世界。

地热发电的问题

　提高钻探成功率、降低开发风险是合理利用地热能、推动地热发电大规模推广的关键。

　为了研究和发电而挖一口井需要花费数亿日元以上。根据发电厂的规模，在开始发电之前需要10口以上的井的情况并不少见。然而，由于很难了解地下资源，因此无法准确知道哪些区域适合地热发电或在哪里会产生蒸汽。即使挖了一口井，如果不能正常产生蒸汽，也会造成巨大的损失。为了提高钻井的成功率，鼓励人们进行初期投资，我们认为推广的重要内容之一是提高打井发电前的测量精度。

　AIST 旨在通过开发一种使用物理和化学方法准确估计地下结构和条件的方法来解决这个问题，并通过使用经过各种地球科学数据训练的人工智能来提高估计有希望的钻探位置的确定性。我们还在开展研究，以提高代表适合国内地热发电的地区的地热资源图的准确性。

环境影响评估及未来展望

　为了可持续地利用地热能，我们必须减轻对环境的负担。我们还评估和分析地热发电厂周围温泉和地下监测的环境影响。

监测地热发电厂周围的地下环境

如果继续地热发电，蒸汽量可能会减少，水质可能会变成酸性。通过人工将水引入地下地热库，蒸汽产量有望恢复。 AIST 开展的研究包括监测地下发生的微地震以及可视化人工注入水时地下水的流动，​​这对于长期维护地热储层的适当管理非常有用。

提高环境监测系统的准确性并促进区域了解

　虽然有时会解释说，国内尚未出现过地热发电对温泉产生明显影响的案例，但很少有数据证实这一点，也不能说未来就没有风险。因此，我们还开发了“AI-IoT温泉监测系统”，以获得地热发电对温泉影响的科学数据。

　该系统将测量仪器安装在温泉管道上，远程测量温泉的流量、温度、电导率（通电的难易度）、外部温度、压力等，并使用人工智能分析数据。我们已经在全国10多个温泉度假村完成了测试，目前正处于实施阶段。

　在开发技术使环境监测更加精准的同时，我们希望向企业经营者和其他当地居民提供科学数据并提供详细解释。

未来展望

　AIST正在从各种角度开发适当利用地热能的技术，目标是在2050年实现碳中和。从确保能源安全的角度来看，扩大地热发电这种纯国产可再生能源的引进也很重要。我们将在继续扩大传统发电的技术开发的同时，推进超临界地热发电等下一代地热发电技术的研究，为地热发电的普及做出贡献。