图3 地热直接利用能量对比图

　　表1 各种地热直接利用方式的装机容量(单位：MWt)

　　地热综合梯级利用无疑提高了地热资源的利用率和经济效益，许多国家已经开始纷纷采用这一技术，肯尼亚近年来在地热发电方面发展很快，而其在地热直接利用上也很有特色，肯尼亚Eburru项目利用2口浅层井中产出的地热资源依次用于干燥农产品、温室加热、家禽孵化等，另外，冰岛、奥地利、德国等也有相关的地热梯级利用项目。1995年首次世界地热大会以来，中国地热直接利用的热量一直稳居世界第1位。2014年底，中国地热直接利用发生了可喜的变化，地热供暖比例首次超过温泉洗浴。2019年底，中国地热直接利用装机规模40610MW，占世界总装机的37.7%，年利用能量443492TJ/年，占世界总利用能量的43.4%。地热供暖是除地源热泵之外中国最重要的地热利用方式，年利用热量约占世界总量的55.6%。1990年，全国地热供暖面积仅190万m2，2000年为1100万m2，2019年达到了4.78亿m2。2019年，河北省水热型地热供暖面积达到1.6亿m2，而雄县也被打造成地热供暖的“无烟城”。在“双碳”目标的引领下，可以预见地热资源开发利用的速度将不断加快。

　　地热储能利用

　　地热储能是一种利用地下含水层作为介质以存储热能的储能系统。它通过地下水井从含水层中注入和抽取地下水，实现热能储存和回收(图4)。地热储能可以弥补能源供需在时间/空间分布的不平衡，能够综合利用多种可再生能源形式，减少对矿物燃料的依赖，为节能减排和环境保护提供了一个很好的解决途径，也是助力中国实现“双碳”目标的有力手段。

图4 地热储能模式概念

　　根据含水层深度，可将地热储能系统分为如下2类：(1)浅部地热储能，含水层深度在500m以浅，存储热水温度一般低于50℃;(2)深部地热储能，含水层深度通常在500m以深，存储热水温度一般在50~150℃。

　　浅部地热储能因温度较低，其最主要的利用方式是建筑的供暖和制冷。国际上对浅部地热储能系统的实际利用始于20世纪中叶。中国在利用浅部地下含水层进行储热方面的实践开展较早，20世纪60年代，上海开展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水层储热技术。截至目前，中国共有6座浅层地热储能系统已建成并投入使用。近年来，随着新兴产业的发展，浅部地热储能的利用方式也更加多元化。目前在温室农业和大型数据中心，都有利用浅部地热储能的实际案例。

　　深部地热储能可储温度较高，有的甚至超过100℃，主要可用于发电和供暖。深部地热储能研究和利用始于20世纪80近年代，近年来，随着能源需求日益增长，深部地热储能技术又重新受到重视，关于深部地热储能技术的研究和工程实践也越来越多。2018年，欧盟资助了地下储热项目HEATSTORE，总投资达到5000万欧元，9个国家参与(德国、法国、荷兰、瑞士、比利时、丹麦、冰岛等)，项目为期5年(2018—2022年)，共资助6个地下储热示范项目，其中包括3个深部地热储能项目。另外，美国国家科学基金会(NSF)资助的储热项目Geothermal Battery，总投资1000万美元，由犹他大学牵头，爱达荷国家实验室联合多家企业参与其中。中国在深部地热储能方向的研究开展较晚，当前以中国科学院地热团队为主体承担的深层含水层地下储热研究已从理论模型研究进入到技术研发和示范工程建设阶段。

　　地热储作为巨大的天然能源储库，最适宜在多能互补系统中承担蓄能和实现热能稳定输出的功能，可以把风能、太阳能等可再生能源储蓄起来，实现高效规模化跨季节储能利用，提高可再生能源的利用效率并克服可再生能源的间歇性和不稳定性等缺点，可以加快中国能源结构的调整，助力实现“碳达峰”和“碳中和”发展目标。据研究表明，通过对荷兰74个浅部地热储能系统的调查显示，从系统中每开采1m3的地下水，可以实现平均CO2减排量为0.46kg。这对于一个小规模地热储能系统(功率在0.1~3MW)来说相当于每年可以减少150t/a的CO2排放，而对于一个大规模系统(功率达到5~30MW)来说每年碳减排多达1500t/a。相比之下，地源热泵(GSHP)系统的平均CO2减排量在1.8~4.0t/a。据报道，埃因霍温(荷兰)科技大学校园内全球最大的浅部地热储能系统每年可减排超过13000t的CO2，这相当于800名美国公民或1300名德国公民的年平均碳排放。

　　同时，在一定条件下，地热储能系统与普通地热系统相比，具有更为显著的经济效益优势。典型地热储能系统的投资回报时间仅为2~10a。用于制冷的地热储能系统投资回报时间甚至更短，因为储存的冷量可以直接使用，不需要借助热泵。据研究报道表明，地热储能系统平均使用寿命可达到25~50a。

　　结论

　　目前，全球的浅层地热资源均通过地热泵技术进行开发利用，该技术是全球发展最快的可再生能源技术之一，也是地热利用技术中发展最快的部分。它们的增长速度惊人，呈指数级增长。深部地热资源可以直接利用，例如区域供暖、沐浴和游泳/保健、工业、农业(尤其是温室)和水产养殖。深部地热能的高效规模化开发利用已经在北方地区冬季清洁供暖以及缓解大气雾霾中发挥了重要作用，地热供暖技术已趋于成熟。深部高温水热系统只存在特定的地质构造环境中，相对稀缺，严重制约高温地热发电的增长。因此，在有条件的地区发展各种地热直接利用技术，采用综合梯级利用提高地热资源利用效率。

　　虽然地球是一个庞大的热库，但地热资源分布极不均匀。往往在有需求的地区没有足够的可开采的地热资源，在需求量较小的地区地热资源非常丰富。另外，中国西北、东北、华北的部分地区均见有弃风、弃光现象，有些地区弃风率高达50%以上，除此以外，工业余热、核能余热等其他形式的热量均可以存储在地球介质中，实现高效规模化跨季节储能。因此，如何将这些废弃的能量储存起来并加以充分利用，是摆在地热界以至整个新能源和可再生能源界的大问题。事实上，规模化跨季节储能是能源行业的重大科学问题，当前可利用方式主要为抽水蓄能，但抽水蓄能面临能源利用效率低、场地要求高等难题，亟需探索新的规模化储能技术，而地热储能提供了极大的可能性。

　　来源：科技导报 　作者：汪集暘 中国科学院院士