哈萨克斯坦地热能源开发：阿拉木图地区有机朗肯循环应用的技术经济评估

本研究针对哈萨克斯坦未开发地热发电潜力，通过有机朗肯循环（ORC）技术评估中低温地热资源发电可行性。研究人员选取阿拉木图地区Zharkent油田三口高温地井（5539、1-RT和2-TP）进行热力学建模，发现年发电潜力达10.5 TWh，可解决地区82.1%电力缺口，每年减少547万吨CO2排放。研究首次系统论证ORC技术在哈萨克斯坦的应用前景，为该国能源结构转型提供科学依据。

　　

在全球能源转型浪潮中，哈萨克斯坦面临严峻挑战。这个中亚国家85%的电力依赖煤炭发电，2013至2023年间电力生产从85.3 TWh增长至98.4 TWh的同时，二氧化碳排放量也从6740万吨攀升至7700万吨。尽管拥有丰富的地热资源，但该国至今未开发任何地热发电能力，甚至缺席了2023年国际能源效率会议签署的《凡尔赛声明》，凸显其与国际能源转型趋势的脱节。

正是在这样的背景下，来自哈萨克斯坦水利与灌溉大学的研究团队开展了开创性研究，首次系统评估了有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）技术在哈萨克斯坦地热发电中的应用潜力。研究成果发表在《Results in Engineering》期刊，为该国能源结构调整提供了重要科学依据。

研究人员采用了多学科交叉的研究方法：首先利用QGIS 3.32.0软件绘制了全国地热资源分布图，将资源按温度梯度划分为四个等级；随后采用热力学建模方法，对选定的三口地热井（5539、1-RT和2-TP）进行ORC系统性能模拟；通过CoolProp等热力学计算工具分析了14种有机工质的性能；最后运用蒙特卡洛模拟进行不确定性分析，评估了发电量的P10、P50和P90概率场景。

地热资源分布特征方面，研究显示哈萨克斯坦拥有丰富的地热资源，其中14%国土分布低温资源（20-40°C），18%为中等温度资源（40-75°C），5%为高温资源（75-100°C），2%为超高温资源（>100°C）。这些资源目前仅用于供暖、温室种植和洗浴，尚未用于发电。

研究区域选择方面，团队重点考察了Mangystau-Ustyurt和阿拉木图自流盆地，特别是Zharkent油田。该区域地质条件优越，存在新近纪和古近纪热液系统，深度达2600米，水温最高达165°C。

研究方法方面，研究采用了简化的ORC热力学模型，包含蒸发器、涡轮机、冷凝器和泵四个核心组件。系统利用地热水作为热源，通过有机工质（最终推荐R-152a）的低沸点特性驱动涡轮发电。模型考虑了季节性温差影响，夏季环境温度按40°C计算，冬季按-10°C计算。

热功率评估结果显示，5539井口温度达103°C，夏季可用热功率5.130 MW，冬季8.305 MW；1-RT井（98°C）相应为2.270 MW和3.797 MW；2-TP井（87.2°C）为2.232 MW和4.077 MW。

发电潜力分析表明，使用R407c工质时，5539井年发电量达5332.1 GWh，占区域潜力的51.66%；1-RT井2421.1 GWh（23.45%）；2-TP井2567.1 GWh（24.89%）。三口井年总发电潜力10.5 TWh，其中85%发电量集中在冬季，因低温环境提高了热交换效率。

工质优化研究发现，在测试的14种有机工质中，R-152a综合性能最优，其臭氧消耗潜能（ODP）为零，全球变暖潜能（GWP-100年）仅124，虽具有轻度可燃性（ASHRAE A2类），但可通过材料选择和安全管理措施有效控制风险。

不确定性分析通过蒙特卡洛模拟显示，5539井年发电量P50值为5467.0 GWh，P90保守估计4920.3 GWh，P10乐观估计6013.7 GWh。这种不确定性主要来自地下储层温度的波动性。

技术经济评估表明，地热ORC发电的平准化成本（LCOE）在0.055-0.090美元/kWh之间，中位值0.070美元/kWh，与加装污染控制装置的高效燃煤电厂（0.065-0.095美元/kWh）具有成本竞争力。

研究结论指出，阿拉木图地区目前存在12.8 TWh的电力缺口，主要依靠污染严重的燃煤电厂弥补。开发Zharkent油田的地热资源可提供10.5 TWh清洁电力，解决82.1%的地区电力短缺，同时每年减少约547万吨CO₂排放。这一发现对哈萨克斯坦实现能源多元化、提升能源安全性和推进碳中和目标具有重要意义。

讨论部分强调，这是首次对哈萨克斯坦ORC地热发电进行的系统级技术经济评估，建立了科学可靠的开发平台。虽然研究存在地井压力数据缺失等限制，但结果为后续投资和政策制定提供了坚实基础。未来研究应包含场地特定的储层模拟、动态负荷匹配以及当地地球化学条件下的长期运行可靠性评估。

该研究不仅为哈萨克斯坦，也为具有类似地质条件的中亚地区提供了可再生能源开发的新路径，展示了中低温地热资源在能源转型中的重要作用，对全球碳中和目标的实现具有积极贡献。