增强型地热系统发展现状与技术前沿 - 技术论坛

开发地热资源是加快能源结构转型，顺利实现碳中和目标的重要途径之一。世界银行2024年1月发布的《地热能：揭示社会经济效益》报告指出，地热能发电在部分国家和地区，如冰岛和我国西藏地区的能源结构中发挥着关键作用[1]。

目前地热资源类型包括蒸汽型、水热型、地压型、干热岩型等。前三者总储量有限且再生速度缓慢，无法实现规模化的发电应用，因此开发干热岩型地热资源是目前地热资源应用研究的关键。

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）是利用工程技术手段开采干热岩地热资源或强化开采低渗性热储地热能而建造的人工地热系统，《麻省理工科技评论》评出的“2024年十大突破性技术”中就包括EGS[2]，其原理是在高温低渗的干热岩体中，采用以水力措施为主的人工技术对热储岩体进行改造，增强其渗透性和流体流量，然后通过驱动低温工质流，经改造形成的裂隙网络进行热能的提取和利用。

一、国外增强型地热系统发展现状

美国、德国、法国、日本和澳大利亚等国家均开展了EGS研究，并建立了一批研究试验基地，目前全球在建及投入运行的EGS工程已达30个，正在运行的有5个，总装机容量为12.2兆瓦。

美国是全球最早开始研究与利用EGS的国家，早在1973年，美国便在Fenton Hill建立了EGS示范研究场地。截至目前，美国在EGS方面已开展了Raft River项目、Newberry项目等。其中Raft River项目在采热技术方面，Newberry项目在压裂技术方面走在世界前列。

2015年，美国能源部（DOE）启动了“地热能前沿瞭望台”（FORGE）计划，旨在建立一个野外实验场地来开展干热岩的前沿研究以及钻探和技术测试，以形成可降低工业开发风险和促进干热岩产业化开发的严谨、可复制的方法。2022年9月DOE宣布新的“能源攻关计划”（Energy Earthshots），将EGS技术列为未来10年的六大核心能源技术攻关之一，以期2035年实现地热用能成本降低90%的目标，成本降至45美元每兆瓦时[3]。

同年，DOE还基于《两党基础设施法案》和FORGE计划框架，分别向EGS相关方向的若干项目投入8400万美元和4400万美元，并启动“石油和天然气示范工程下的地热能源”（GEODE）计划，拟投资1.65亿美元推动地热能发电项目[4]。2023年2月，DOE宣布将为7个试点项目提供高达7400万美元的资助以测试EGS的效率和可扩展性[5]。

同年9月，DOE又宣布对布鲁克海文国家实验室主导的水泥基复合材料耦合化学力学中心（C4M）和西北太平洋国家实验室主导的地下信号和渗透率研究中心（CUSSP）进行资助，分别开展用于EGS的可持续复合材料化学、机械性能研究以及开发预测和控制流体通过EGS裂隙网络的技术[6]。

同年11月，DOE又宣布为FORGE的13个ESG项目提供4400万美元资助，资助研究方向包括自适应诱发地震活动监测仪，测量热波及效率的现场规模实验，高温支撑剂和用关于裸眼作业的多套管跨接封隔器，可重复的解决方案以及技术数据传输等[7]。

欧洲国家、澳大利亚、日本、韩国等国在EGS研发与部署方面也开展了大量工作。如德国、法国在两国边境共建的Soultz项目，该项目自上世纪80年代末启动，通过多轮欧盟框架计划（Framework Programme for Research）支持，该项目已进入了第三阶段，即开展EGS发电的并网长期循环测试与监测。项目建成了1.5兆瓦增强型地热系统示范电厂，并开展了长期水力循环测试与监测，进行了并网发电。澳大利亚的Habanero项目实现了1兆瓦的并网发电。日本作为地热资源储备最多的国家之一，在福岛核事故后进一步强化了对于ESG研究和利用。韩国也于2010年在浦项开发EGS。

值得注意的是，这些项目中，有一些因诱发地震或其他地质问题而被迫暂停或终止，如Soultz项目曾最大诱发了2.7级地震，由于结垢问题，曾一度停止。为了防止结垢，后续通过加入深井高压循环泵，保持一定的井口压力，有效解决了这一问题，使得该项目得以继续，并成为目前世界上较为成功的EGS示范案例；然而也有被迫终止的案例，如2017年，在最后一次水力刺激试验约2个月后，韩国浦项发生5.4级地震，推测可能与浦项EGS项目相关，引发民众反应强烈，因此该项目也被迫终止[8]。

二、我国增强型地热系统发展现状

我国是目前全球地热资源新建产能最大的国家，地热资源丰富，增强型地热技术可有效降低建筑领域制冷/供热相关能源消耗和碳排放。

“十二五”之前，我国主要开展了干热岩相关基础性试验和理论研究等方面工作。“十二五”期间，中国地质调查局组织开展了我国陆区干热岩资源评价。“十三五”期间，在全国干热岩资源调查评价基础上，陆续开展了东南沿海、山东利津、青海共和、东北长白山、江苏苏北、山西大同等典型地区的干热岩勘查工作，实施干热岩钻探10余处，取得了多项突破。

2015年5月，中国地质调查局组织在福建漳州实施了我国首个干热岩科学钻井，这标志着我国国家级干热岩实践正式拉开序幕[9]。2020年，我国成功实施了首例干热岩储层安全规模化建造，有效改造体积超千万立方米。2021年6月河北省唐山市马头营凸起区干热岩开发关键技术研究与示范项目实现了干热岩试验性发电，这是我国首次实现干热岩试验性发电，初步建立了我国干热岩地质调查、资源评价、物探、钻探、压裂、监测、发电等勘查开发全流程技术体系[10]。

三、增强型地热系统的技术前沿方向

目前，EGS的前沿研究方向可大致分为干热岩的勘探、开发、热能利用三大方向[11]。

干热岩勘探技术方面，主要针对干热岩的成因机理、调查评价方发以及具体勘探技术的研究。传统的宏观评价已不适合于对于干热型地热资源精细化开发的需求，需要开发基于大数据与人工智能技术的定量化资源评价与分布预测模型，并通过可视化高精度三维地质模型对地热资源进行综合评价与预测。在勘探方面，开发重、磁、电、震等多元信息融合的深部地热探测技术方法，高温高压条件的测井技术与材料。

干热岩开发技术方面，包括了钻井、储层建造、储层监测维护、防震控震等。其中储层建造是核心，涉及了对于干热岩热能的提取与存储，包括了干热岩储层人工压裂技术、干热岩开采数值模拟技术、井筒热流体高效提取技术、深部地热与矿产资源协同开采技术等具体技术方向。二氧化碳、液氮等新型介质造储，井内闭式循环换热等新型提取热能工艺方法也是储层建造的关注重点。

干热岩热能利用技术方面，包括了热电转换技术、多能互补利用技术、深部地热储能技术等。热电转换方面，由于当前干热岩发电多采用单一发电模式，产能低、设备易腐蚀、容易产生结垢，因此需要开发高效发电热力循环系统、原位发电新技术、热电转换新材料等。多能互补利用方面，可根据需求温度从高到低的顺序，开展地热发电、供热、洗浴、水产养殖等多级利用工程。深部地热储能则涉及光/风等其他形式能源的热转化技术、热储调蓄技术等。

除了上述方向以外，为了克服当前EGS开发受地理地质条件限制较大的缺陷，让EGS能够在更广泛的土地环境上得到应用，美国FORGE计划、欧盟DEEPEGS项目等项目计划也在探索EGS系统的大规模、可复制的商业化道路，以使EGS逐渐摆脱对于储层原位地质环境的依赖。

四、增强型地热系统存在的问题

整体来看，EGS尚处于起步阶段，还未实现规模化、商业化运行，主要原因是受成本和技术的限制[12]。

成本方面，目前EGS的成本每兆瓦时约500美元，是核电、光伏、煤电等其它发电途径成本的十余倍。

技术方面，主要问题包括：

（1）缺乏可控人工造缝调控技术，导致地下网状结构差，采热效率低，且不当的人工造缝技术容易引起人造地震等地质灾害问题；

（2）与EGS密切相关的地下渗流、传热、介质变形、水岩反应等地质机理的认识还不够明确，缺乏地热储层数值模拟技术；

（3）缺乏井筒热介质高效提取技术，热介质进入采出井时的温度较高，采出井底部和地面发电系统压力差大，导致介质发生闪蒸相变现象，极大影响井内热介质的高效提取；
（4）当前地上发电模式在EGS的适用性问题，基于现有其它发电技术开发的EGS发电装备仍存在热电转换效率低的问题。

参考文献：
[1] World Bank.Publication: Geothermal Energy: Unveiling the Socioeconomic Benefit.https://openknowledge.worldbank.org/entities/publication/d63d3c50-2bd0-46d7-a94d-999c6b0f359e

[2] MIT Technology Review. Enhanced geothermal systems: 10 Breakthrough Technologies 2024. https://www.technologyreview.com/2024/01/08/1085112/enhanced-geothermal-systems-renewable-energy-drilling-breakthrough-technologies/

[3] Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, DOE. Enhanced Geothermal Systems. https://www.energy.gov/eere/geothermal/enhanced-geothermal-systems

[4] Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, DOE. Funding Notice: Geothermal Energy from Oil and gas Demonstrated Engineering (GEODE). https://www.energy.gov/eere/geothermal/funding-notice-geothermal-energy-oil-and-gas-demonstrated-engineering-geode

[5] DOE. Biden-Harris Administration Announces $74 Million to Advance Enhanced Geothermal Systems. https://www.energy.gov/articles/biden-harris-administration-announces-74-million-advance-enhanced-geothermal-systems

[6] DOE. DOE Announces $264M Energy Earthshots. https://genomicscience.energy.gov/doe-announces-264m-energy-earthshots/

[7] Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, DOE. U.S. Department of Energy Announces 13 Projects to Receive up to $44 Million for Innovations in Enhanced Geothermal Systems. https://www.energy.gov/eere/articles/us-department-energy-announces-13-projects-receive-44-million-innovations-enhanced

[8] 文冬光,张二勇,王贵玲等. 干热岩勘查开发进展及展望[J]. 水文地质工程地质, 2023, 50 (04): 1-13.

[9] 中国地质调查局. 我国第一口干热岩科学钻探孔正式开钻. https://www.cgs.gov.cn/xwl/ddyw/201603/t20160309_301691.htm

[10] 光明网. 我国首次实现干热岩试验性发电. https://m.gmw.cn/baijia/2021-06/29/34956678.html

[11] 巩亮,韩东旭,陈峥等. 增强型地热系统关键技术研究现状及发展趋势[J]. 天然气工业, 2022, 42 (07): 135-159.

[12] 亢方超,唐春安,李迎春等. 增强地热系统研究现状：挑战与机遇 [J]. 工程科学学报, 2022, 44 (10): 1767-1777.

来源：地热能资讯