综述：地热电站在全球能源与材料转型中的作用

【字体：大中小】 时间：2025年10月08日 来源：Nexus

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　　本综述系统分析了地热能在全球能源转型中的潜力与挑战，指出当前能源系统模型存在简化钻井成本（非线性关系被线性高估+420% at 1 km/低估-50% at 10 km）和忽视勘探不确定性问题。重点探讨了增强型地热系统（EGS）、CO2羽流地热（CPG）等技术创新，以及地热卤水中锂（Li）、铷（Rb）等关键材料提取对能源-材料关联（Energy-Material Nexus）的贡献，为可持续能源系统设计提供建模优化策略。

引言

全球沉积含水层和增强型地热系统（EGS）蕴藏着巨大的未开发地热潜力。尽管自2010年以来全球地热发电容量增长了7.7倍，但截至2023年，32个国家仅安装了16.3 GW装机容量，占全球发电量的0.34%。美国（3.9 GW）、印度尼西亚（2.4 GW）和菲律宾（2.0 GW）是领先国家。其中53%为闪蒸电厂，25%为二元有机朗肯循环（ORC）单元，18%为干蒸汽型，EGS电厂仍较少。由于高容量因子、地质可用性及现场材料提取潜力，地热电厂尤其是EGS电厂可能在未来热电生产中扮演更重要角色。

资源利用、商品与动力循环

地热系统主要分为传统水热系统（不含EGS）和岩石热提取EGS系统，CO₂羽流地热（CPG）作为特殊案例。多数研究仅关注一种资源利用方式：18篇文章研究传统水热系统，11篇研究EGS，2篇研究CPG。传统水热系统直接利用含水层中天然渗透水体，而EGS需通过水力/热力/化学刺激增强低渗透岩层渗透性。CPG则利用CO₂作为工作流体，避免压裂需求。53%研究同时供电供热，36%仅供电，8%仅供热。因主要涉及低温地热源（<150°C），二元电厂（如ORC）被广泛建模，仅三篇文章研究闪蒸动力循环，而全球现有电厂中61%采用该技术。布雷顿循环使用超临界CO₂，具有无毒、不易燃、成本低等优势。

温度与钻井深度

研究涵盖低温（<150°C）和高温地热源，最高分析温度达550°C（超临界系统）。仅9项研究考虑可变钻井深度，其他将深度固定为参数。例如Ricks等人为降低计算复杂度，按1 km深度间隔和25°C温度间隔计算成本曲线。Dalla Longa和van der Zwaan在TIAM-ECN模型中实现了9种温度-深度组合，各对应特定应用和区域资源潜力。Kleinebrahm和Weinand等人将钻井深度作为连续变量优化，并针对德国不同盆地（如北德盆地、摩尔asse盆地、上莱茵地堑）采用线性温度梯度或异常梯度建模。Weinand等人还通过400个离散选项（10 m间隔）优化深度选择，显著提升模型精度。Molar-Cruz则根据德国摩尔asse盆地不同区域 aquifer深度（北部500 m，慕尼黑周边2000-3000 m，南部阿尔卑斯边界>5000 m）预先确定深度。

成本模型

多数研究采用线性成本函数（/MW），仅少数使用详细成本模型。钻井成本占项目总成本60?75/m）在浅层高估成本（1 km处+420%），深层低估（10 km处-50%），凸显非线性关系重要性。

技术创新考量

钻井成本削减

钻井成本削减技术聚焦提高钻速、延长钻头寿命、加速操作和减少停机时间。新兴混合钻井技术（如高脉冲功率钻井、毫米波激光钻井）可能大幅降低成本。废弃油气井再利用也是未来方向。美国最新钻井成本数据表明，成本函数需持续更新反映创新。

灵活运营

地热电厂通常作为基载技术，但夏威夷案例通过集成底部单元和先进控制实现自动发电控制（AGC），参与远程调度、快速爬坡和旋转备用。未来EGS电厂负载跟踪能力和长时储能（积累加压地热流体）更具潜力，可显著提升高可变可再生能源系统中的部署。灵活供热/发电还可与直接空气捕集（DAC）等高热需求技术结合经济获益。

原材料提取

能源转型需大量关键原材料，但传统提取过程排放高、土地水资源需求大。地热卤水含高浓度可提取材料如锂（Li）、铷（Rb）、铯（Cs）、锶（Sr）。锂浓度在运营头十年下降30-50%，之后稳定。德国上莱茵地堑和美国萨尔顿海是全球最有前景的锂提取区，已有试点项目（如EuGeLi、UnLimited、Li+Fluids）。德国卤水锂浓度达237 mg/l，欧洲达480 mg/l。仅Weinand等人将锂提取纳入能源系统分析，显示通过锂销售地热电厂具成本竞争力，可替代风电、光伏、热泵和储能。敏感性分析证实经济可行性，但未来需考虑浓度下降影响。Toba等人估计美国电厂锂提取收益达2.58-3.11亿美元。欧洲锂图集和全球流体图集（如REFLECT项目）支持更大规模技术经济分析。

锂提取主要过程包括从卤水中提取锂和精炼成碳酸锂或氢氧化锂。直接锂提取（DLE）技术多数处于测试阶段，最有望方法包括吸附、离子交换和液液提取。铷提取因半导体应用潜力近期关注度上升，但分离挑战大，新方法基于普鲁士蓝类似物（PBA）离子交换。

不确定性考量

地热供电供热和材料供应存在重大不确定性，源于关键水力参数（如流体流速、注入指数） variability。裂缝环境中，理解深部流体循环、断层网络和补给区对评估潜力至关重要。EGS在结晶岩中成本不确定性更高，因需水力刺激（可能失败），钻井硬岩更贵且技术挑战大，缺乏经验成本数据。深度增加时，井设计复杂性和地层温度压力升高加剧不确定性。材料提取面临勘探井有限和地球科学数据不足问题。降低钻井失败风险需建立地热钻井信用担保基金（如冰岛国家补贴、法国短期基金、印度尼西亚地热基金、土耳其世界银行风险共担机制）。全球地热发展计划（GGDP）在土耳其和印度尼西亚开发了840 MW容量。非洲开发基金部分风险担保支持肯尼亚105 MW Menengai项目。研究中不确定性很少被考虑，或通过保守成本或敏感性分析处理。Ricks考虑钻井成本、地下有利性和市场机会不同情景，Dalla Longa引入最终采收因子（0.01%-1%），Miranda使用蒙特卡洛模拟。2016年钻井成本概率分布显示，后续研究假设成本较低但未明确技术进步或通胀影响。其他方法包括钻井成功概率实施、随机/鲁棒优化、贝叶斯网络和大场景集成、建模生成替代方案。模型验证缺乏，少数研究验证了温度-深度关联、电厂投资、区域供热网络成本或能源需求。

环境与社会影响考量

环境影响

能源系统模型尚未将生命周期环境 aspects纳入优化。地热电厂环境影响涵盖地震勘探、勘探井、建设、运营维护和报废阶段。动态生命周期评估（LCA）需反映运营期重要变化（电厂物理属性、电力供应组合、材料供应链）。闪蒸和干蒸汽电厂运行期排放非冷凝气体，显著影响气候影响、人类毒性和酸化。二元电厂无排放，井建设（钻井能耗和材料消耗）在评估影响类别中最关键。EGS的LCA结果高度依赖电厂技术建模（电厂容量vs钻井深度、井钻井/完井）和钻井能源源（柴油发电机或各种电源）。未来能源系统优化需可变钻井深度，尤其是包含LCA影响时。鉴于许多EGS电厂将在未来建设，需前瞻性LCA建模建设阶段。EGS电厂电力与其他发电技术比较显示，地热电力有助于减少化石燃料来源的环境影响，与其他可再生能源影响范围相当或更低。地热卤水材料提取的环境影响需更深入研究，近期研究基于钻井需求和化石能源使用不确定假设，地热卤水锂提取气候影响可能达5.3-59 kg CO₂eq/kg碳酸锂，而现有数据集可能低估为2.1-11 kg CO₂eq/kg碳酸锂。

社会方面

地热能在多国享有较高 socio-political接受度，但作为较不为人知的技术，易受社会广泛讨论后接受度快速变化影响，且特别易受负面信息影响。本地抵抗新地热项目的关键问题之一是诱发地震风险（尤其是EGS水力压裂期间）。尽管地热地震仅适用于深部项目，且通常只是滋扰，但不能完全排除导致周围建筑物损坏的较大事件。当前项目应用精细地震管理策略，包括单向通信和双向社区参与。进一步缓解策略包括在新未裂缝岩石中创建裂缝网络、微地震监测和多阶段刺激限制地震振幅。管理水力压裂期间地震仍是EGS持续挑战，地震是放弃地热项目最常见原因之一。负面溢出效应也影响浅层地热系统接受度，因公众不一定区分不同类型地热系统。其他技术（如页岩气）也观察到对地热接受度的负面溢出效应。更多纯社会科学研究 needed，但已有文献尝试将社会接受考量与建模结合。Onodera考察未使用深部地热的机会成本，Weinand因地热技术可行性和社会反对限制潜力角色，Mignan将地震风险缓解成本纳入EGS平准化电力成本（LCOE）。瑞士和美国一系列研究采用整体方法，通过建模EGS电厂经济性、能源环境效益成本、地震风险和调查基础接受度，找到合适EGS规模和位置。研究揭示社会技术偏好 rural地区中型电厂或偏远地区较大电厂。Volken调查公众如何判断EGS及其能源、环境、经济影响和地震风险，发现尽管存在风险，EGS被视为未来电力组合一部分。除诱发地震和其他环境因素，噪音和土地利用也影响社会接受度。尽管已有可再生能源土地消耗研究，未来地热电厂研究应考虑与替代技术（如褐煤采矿 vast土地消耗）比较，以告知公众可能替代方案。

数据源应对研究空白

尽管无法大规模精确估计地热储层适用性和电厂建设成本，但存在一些地热温度和潜力数据分析和数据集。除国家分析（如德国地热温度、EGS潜力，厄瓜多尔地热资源库存，美国地热温度和EGS潜力）外，还有 several大陆和全球数据集和研究可用。欧洲基于计算地下温度（至10 km深度，水平分辨率10 km，垂直分辨率250 m），确定了100€/MWh以下经济EGS潜力522 GWe。全球估计EGS理论、技术、经济和社会可持续潜力，水平分辨率111 km，垂直分辨率1 km。2050年，全球EGS电厂经济潜力（生产电力50€/MWhe或更低）估计为4.6 TWe（108 TWe）。最新全球EGS技术经济潜力研究包括详细土地 eligibility评估，平均27.4%地球陆地表面适合EGS，从北非低于5%到中非共和国72%不等。全球技术容量潜力102 PWhe/a，17个国家潜力低于50€/MWhe。比较图4潜力与图1现有系统表明，增强型地热系统在俄罗斯、南美和非洲等尚未实现安装的区域仍具显著成本效益潜力。另一项研究估计沉积含水层中可用于直接利用的低焓地热热（<150°C）全球理论潜力为5 * 10⁹ EJ。

此外，近期发布了欧洲和全球锂地热流体图集，支持能源系统模型中锂提取的大规模技术经济分析。欧洲图集还包含高锂和低锂矿床与其他矿物质关联信息。2023年，欧洲流体图集（H2020-REFLECT项目）开发了约3000口深地热井空间数据集及其属性（流体、岩石和储层特性）。尽管研究提到储层温度、流体盐度和储层岩石类型对溶解锂浓度的关键作用，图集尚未用于解决数据空白（如绘制锂浓度与温度空间关联）。但这可能实现，因存在 several欧洲温度分布和地热热流密度图。

地热电厂未来角色

地热电厂日益被视为未来能源系统重要组成部分，因其提供连续非间歇、基本无碳能源的潜力。当前技术全球势头增强，尤其在拥有 significant未开发地热潜力的区域如美国、欧洲、东南亚和东非。肯尼亚正快速扩张地热容量，计划2030年前近乎翻倍输出，作为绿色能源转型部分，2022年地热已覆盖其电力供应约45%。非洲整体预计2030年前 surpass欧洲 installed地热容量，凸显地热能在实现可再生能源目标中日益增长的全球认可。多数审查研究表明，地热至少部分成本竞争力与其他能源供应技术，尤其是在有利地下条件（如浅层高温度和流速）可用时。例如，欧洲和全球电力系统预测，深部地热电力2050年可能贡献总电力4-7%和2-3%。中美洲研究表明，成本最优情景中约6%增强型地热系统潜力可被开发。有前景建模方法（如大规模电力系统温度-深度优化）可通过优化广泛区域钻井深度和电厂设计支持这些努力。类似地，成本优化区域供热系统集成地热潜力映射，凸显考虑地热供热系统中空间不匹配和不确定性的重要性。未来大规模分析应更多关注区域和工业供热角色，这在审查研究中 underrepresented，可能提升地热电厂成本竞争力。深部地热竞争力可通过灵活运营、政策支持和创新进一步增强。通过允许地热电厂遵循需求模式并在日和季尺度转移发电，基于增强型地热系统的灵活电厂可替代更贵能源资源，贡献更低整体电力成本。此运营灵活性结合高能储效率，可能定位地热作为平衡间歇可再生资源（如各种形式太阳能和风能）的有价值参与者。生命周期分析结果表明，这通常不会带来环境足迹 significant权衡，因为例如气候变化影响、（原）材料使用通过供应链和毒性效应预计不高于其他可再生电力源，除了部分高非冷凝气体排放需监测和控制。实现大地热潜力还 heavily依赖通过技术学习和获得政策支持削减成本。例如，美国预测表明，基于增强型地热系统的电厂可能提供2050年国家电力20%，但这取决于早期投资高质量地热资源驱动的 significant成本削减。全球尺度，据国际能源机构，地热可能满足2050年全球电力需求增长至15%，相当于当前美国和印度合并电力需求。约70%成本削减，基于增强型地热系统的电厂甚至可能成为完全脱碳能源系统中最小成本可调度无碳能源源。完全脱碳政策（包括无碳电力授权）可能加速地热采用，尤其是在有利地质条件区域。此外，需全面监管框架缓解深部地热运营相关环境和财务风险。现有法规常 fail解决高前期成本和地热资源过度提取风险，限制技术可扩展性。保护地热资源和提供财务激励的改革对鼓励行业增长和释放地热 full潜力至关重要。此外，技术创新如从地热卤水提取有价值矿物（如锂）可进一步增强地热电厂财务吸引力。德国和美国研究表明，在锂提取可行区域，地热几乎无论当地地下条件如何均可变得成本竞争力与其他技术。这些额外收入流可能在确保地热未来经济可行性中扮演关键角色。

结论

深部地热能在政治和公共讨论中日益受到关注。研究发现这是合理

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