综述：对地热发电技术进步与挑战的批判性回顾

《Renewable and Sustainable Energy Reviews》：A critical review of technological advancements and challenges in geothermal power generation

本文系统综述地热发电技术（闪蒸、干蒸汽、ORC、TEGs及联合循环），分析其效率低下的挑战，提出模块化TEGs集成、热经济优化及太阳能-地热互补策略，为提升地热能利用效率提供理论依据。

　　

Xiting Long|Qiye Wang|Biao Li|Tianyi Gao|Entong Xia|Licheng Sun|Jun Wang|Heping Xie

中国深圳大学土木与交通工程学院智能建造与深部地下工程健康运维国家重点实验室，518060

摘要

地热发电被认为是有效利用地热资源的重要途径，已在全球范围内引起了越来越多的研究兴趣。然而，地热发电技术的发展仍受到热力学效率较低的限制。因此，本研究对地热发电技术进行了全面回顾，包括闪蒸循环、干蒸汽循环、有机朗肯循环、热电发电机和联合循环。此外，还分析了地热发电的未来趋势和挑战。同时，对地热驱动的联合制冷、供暖和发电系统的热经济性能及优化方法进行了全面研究。双循环地热发电系统在90-150°C的地热流体条件下展现出巨大潜力，通过防止地热流体与发电部件直接接触，有效缓解了结垢和腐蚀问题。未来的研究预计将重点优化地热有机朗肯循环（ORC）的布局、工作流体的选择以及基于计算流体动力学的涡轮机设计，以减少不可逆损失并提高地热发电效率。地热多联产系统通过梯级利用中温和高温地热资源，提升了整体系统性能。基于对现有设计局限性的评估，确定了提高地热能利用的技术策略，包括模块化热电发电、先进循环优化、太阳能-地热混合集成和联产控制策略。

引言

全球能源需求的增长以及环境问题的加剧给人类带来了重大挑战。从基于化石燃料的能源系统向可再生能源的转型对于缓解环境问题并实现长期可持续发展目标至关重要[[1], [2], [3]]。在可再生能源中，地热能因其丰富的储量、高容量因子以及对天气条件和季节性波动的较低敏感性（尤其是与风能和太阳能相比）而被广泛认为是最实用和最具竞争力的选择[4]。尽管对地热资源的全球评估仍在进行中，现有研究表明，水热资源在4公里深度内的发电潜力约为312吉瓦（GWe），而增强型地热系统（EGS）在约10公里深度内可贡献高达1500吉瓦的发电量。此外，地热资源估计可为直接利用提供约4400吉瓦时的热量[5,6]。而且，地热发电厂的污染物排放量低于基于化石燃料的发电厂。具体而言，硬煤发电的总体排放因子约为800-1200克二氧化碳当量/千瓦时（g CO₂,eq/kWh [7]，而地热发电厂的排放因子则在4至740克二氧化碳当量/千瓦时之间[8]。假设到2050年，70%的水热资源和20%的已探明干热岩资源被用于发电和直接利用，年二氧化碳排放量可减少约31.7亿吨，相当于当前全球排放量的大约11%[6]。

地热能的利用包括直接使用和发电，后者是提高能源等级和充分开发地热资源潜力的关键方法。第一座商业地热发电厂于1913年开始运行[9]。此后，地热发电在全球范围内受到了广泛关注，特别是在20世纪60年代和70年代的能源危机期间，并且其重要性持续增加。截至2022年12月，全球地热发电装机容量达到16,318兆瓦（MW）。地热发电厂的全球进展如图1所示。这些容量按以下技术分类：闪蒸式发电厂（52.7%）、有机朗肯循环（ORC）系统（25.1%）、干蒸汽发电厂（17.8%）、背压式发电厂（0.8%）及其他（3.7%）[10]。地热能容量占全球电力容量的0.34%和全球清洁能源发电容量的0.87%。根据国际能源署（IEA）的预测，基于近期增长趋势，到2027年全球地热容量预计将达到18.16吉瓦[10]。Anderson等人[11]预测，到2050年，受净零排放战略推动，全球地热发电容量可能达到140吉瓦，能够满足全球电力需求的8.3%。因此，为了支持地热发电技术的高质量发展，评估性能提升的潜力并评估现有系统的技术可行性至关重要。

地热发电的原理与传统化石燃料发电类似，都是通过蒸汽驱动的涡轮机将热能转化为电能。然而，地热发电厂的转换效率（3%至12%）显著低于传统发电技术（如煤炭34%、天然气39%、燃油36%和核能33%）[12,13]。这种差异主要是由于地热资源的温度低于化石燃料的高燃烧温度。

通过传统发电技术将中低温地热能（90-150°C）转化为电能存在显著挑战。为了提高中低温地热资源的热利用效率，设计和优化高效能量转换系统近年来受到了大量研究关注。

与传统的单循环地热发电厂相比，联合循环发电技术具有更高的转换效率。研究表明，地热驱动的联合循环的热效率和净效率分别为69.6%和42.8%[14]，这表明它是提高地热能利用的一种有前景的方法。热电发电机（TEGs）基于金属或半导体的塞贝克效应工作，能够直接将热能转化为电能。与传统蒸汽发电循环相比，TEGs具有多个优势，包括结构紧凑、运行安静、环境污染小以及设计灵活，能够适应不同的地热资源特性。因此，TEGs近年来受到了广泛的研究关注[[15], [16], [17], [18], [19]]。

本研究讨论了传统发电技术、TEGs以及地热应用中的联产技术的最新进展。此外，还回顾了旨在最大化利用盐水热量的联产系统配置。通过比较各种发电方法的优缺点，分析了地热利用技术的相关挑战和局限性。进一步提出了提高地热能利用效率和实现高效地热发电的技术路径，重点关注循环构建、最佳系统设计以及联产系统内的协同控制策略。

部分摘录

综述方法

本研究使用的文献收集采用了结构化的搜索策略。主要从Web of Science检索了经过同行评审的文章。使用关键词组合（如“geothermal” OR “geothermal power generation” AND “dry steam” OR “flash cycle” OR “organic Rankine cycle (ORC)” OR “Kalina cycle”）来筛选2010年至2025年的出版物。优先考虑发表在能源领域高影响力期刊上的文章。

地热发电

地热发电被认为是高效利用地热资源并实现电力脱碳的关键途径。根据循环配置，地热发电系统主要分为单闪蒸式、双闪蒸式、干蒸汽式、双循环式（包括ORC和Kalina循环）和TEGs。本节全面回顾了各种地热发电技术的原理、当前进展、挑战及未来前景。

联合循环发电

单级发电系统中热交换器实现的温差有限，导致地热流体的回注温度相对较高，从而降低了整体热利用效率。为了提高地热资源的利用效率，基于温度匹配和梯级利用原理，提出了联产系统。这些系统同时利用地热能进行发电和直接终端用途。

TEGs的模块化集成技术

在接近室温条件下具有高ZT值（热电转换效率）的TE材料的快速发展显著提升了TEG技术作为主要能源供应方法的潜力，引起了全球范围内的广泛关注。尽管TEG技术在废热回收方面已取得成功应用，但其在地热发电中的使用仍处于初级阶段。

阻碍TEG技术在地热发电中广泛应用的一个关键技术瓶颈是

结论

由于环境问题以及能源供需之间的日益不平衡，可再生能源资源的发展受到了越来越多的关注。提高能源转换效率和利用可持续能源被认为是解决上述能源供需不平衡问题的关键方法。本研究首先全面回顾了地热发电和多联产技术的最新进展，随后

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFB1507403）、国家自然科学基金（编号：12075160、524B2040和52374131）、深圳市科技创新委员会的稳定支持项目（20231120180452004）以及四川省自然科学基金（编号：2025ZNSFSC0445、2026NSFSC1345）的支持。中国博士后科学基金（资助编号：2025M780581）。