“如果我們能把中深層的地熱與淺層地熱相結合，再進一步探索干熱巖的深層地熱的開發利用，都會對我們的可再生能源，以及整個能源供應起到更大的作用。”
龐忠和
中科院地質與地球物理研究所
地熱資源研究中心主任
人類社會的需求至關重要的兩大主題，一個是健康，一個是能源。可是當健康跟能源發生沖突的時候怎么辦呢？
因為當回過頭來看化石能源，它雖然促進了工業化，帶動了社會經濟的發展，但是同時也帶來了很現實的問題——環境污染。
例如霧霾，就是這兩者沖突的一大體現。大氣污染正是非常突出、迫切的問題。
所以，我們需要找到一條出路。而可再生的清潔能源，或許能解決我們現在面臨的能源與環境的巨大沖突。
這次我想分享其中一種可能性——地熱。火山噴發、溫泉、噴氣孔這些自然現象，都與它相關。
作為一種可再生能源，地熱在地球上分布廣泛。
下圖是全球的四大地熱帶——從環太平洋地熱帶到阿爾卑斯至喜馬拉雅地熱帶，然后到東非裂谷地熱帶，再到大西洋中脊地熱帶。
圖中右下方是亞速爾群島，這里的地熱資源是非常豐富的。
中國也有非常豐富的地熱資源。西藏、滇西、川西都位于喜馬拉雅地熱帶上，都富含高溫地熱資源，并且是可利用的。
什么是地熱
作為一種能源，地熱資源的特點是可再生且清潔，以及來自地球內部。
我們常說“地熱是地球內心的奉獻”，實際上它與太陽能是可比的。
地心的溫度可達五千到六千度，所以它能量巨大。其中約50%的“熱”是來自地球，因為地球本來就是熱的。
在宇宙大爆炸學說中，地球是在慢慢的冷卻中，到目前為止，地球應該是到中年時期。它已經過了45億年，或許還能夠再活45億年。
那另外一部分，大約50%的熱量，是來自地殼當中的鈾、釷、鉀等放射性元素。它們不斷衰變產生放射性衰變熱量。
因此，地球不僅是個熱庫，同時還在不斷地生熱，也就是說地球的熱量是可持續的。
所以我們可以總結出地熱資源顯著的特點：
它能量巨大。人類利用的能量大小占地球總能量的比例非常小，小到可以忽略不計。所以它是可持續，甚至可以說是取之不盡，用之不竭的。
它是連續穩定的。與太陽能、風能不一樣，它不受天氣干擾，一天24小時、一周7天、一年365天都存在的
它是綠色能源。在滿足人類能源需求的同時，它不排放污染物，不會產生大量的二氧化碳等溫室氣體，更不會加重溫室效應。所以在環境成本上，它競爭力強。
它儲集方便。因為地熱資源是在地下儲層中，它們就像電池一樣，幫助人類儲集能量。
能源領域最突出、最現實的技術瓶頸是儲能技術，而儲能技術上限制了很多的能源利用。并且，地熱能與太陽能、風能等其他能源相互結合或互補，以起到儲集的作用，這也是未來的發展前景。
那么有哪些叫地熱資源？
我喜歡用這六個字來歸納地熱資源的三種類型：淺熱、水熱和干熱。
淺熱是淺層地熱能，在我們腳下兩百米以內的淺度，也就主要是土壤層里邊的熱能；
水熱是像溫泉、噴氣孔這些以水的形式出現的地熱能。我們現在主要利用了這部分常規的地熱能，它大概是在兩百米到三千米的深度。
干熱是只有熱沒有水，所以很難開采。地球越往地心越熱，并且隨著深度的升高，巖石的滲透性卻是逐漸下降的。這樣一對矛盾促成了這一類型地熱的特點：有熱無水難開采。
因此淺熱和水熱是人類目前開發利用地熱的主要形式，而對于干熱，歐美發達國家已探索將近四十年，仍未達到真正的產業化，我國也只是處于基礎研究階段。
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地熱的應用
那我們為什么要開發地熱呢？
它可以減緩霧霾。為了打造“無煙城”，地質工作者堅持不懈地勘測隱伏的地熱資源，并且完成了規模化利用，從而成功實現了北方的冬季供暖。
大家對南方桂林、云南石林都很熟悉，也許很多人去看過蘆笛巖、象鼻山。在那個地方，有很多的巖溶的縫孔，以及地下的暗河。
研究地下水的工作人員都知道這是最好的含水層，因為它的儲水空間是最大的。
但是我們不太清楚實際上，在華北地區——北京、天津的地下也存在著巖溶。
比方說北京的石花洞，洞里邊的空間巨大，具備儲集熱水的極佳條件。
所以我們發現這一種儲集層，如要作為地熱開發利用，在三千米以淺的深度上是最有利的。
一是因為它單井出水量非常大，可達三千方，也就是三千噸，甚至每天可以到八千方，個別情況能到上萬噸的。
而在花崗巖地區，一般的井只能出三百噸至五百噸。這就是數量級的差別，
另一個是因為它水質較好，礦物質含量較低；
以及最重要的特點是，在這種儲層，把水采出后、用完后還能輕易地灌回去。這能很大程度上消解在堅硬巖石中開發利用地熱水帶來的負面影響，例如地面沉降。
地質工作者正是在河北的雄縣找到了極佳的地熱開采區。
雄縣位于北京、天津、保定這個金三角的左下角上。北邊是燕山山脈，西邊是太行山脈。
實際上，河北雄縣是牛駝鎮地熱田的其中一部分。作為大熱田，牛駝鎮地熱田范圍廣——北到固安，固安實際上距離天安門只有幾十公里。
雄縣就是在這個大熱田的最南端。這個地方的地質條件比較特別。例如北邊有燕山山脈，西邊有太行山脈，它的地層是很厚的，最厚的有三四千米。
表面是新生代松散的沙層、土層等沉積物，往下是好幾層的石灰巖，有碳酸鹽的這種儲層，也就是前面提到的大型巖溶熱儲。
大家要注意，大型巖溶熱儲與上邊的石灰巖儲層，它們的熱導率要相差兩倍到三倍。
熱導率差別很大，也就影響了深部的地熱分配。
地球深部向外散發的熱量是均勻的，但到了兩三公里的地方，它就開始分離，進行重新分配——熱流會涌向、集中導熱性質好的巖石地層。因此，這會出現熱流向碳酸鹽集中的趨勢。
所以如果在碳酸鹽儲層打個鉆孔，我們就會拿到高溫度的地熱，而在凹陷的黑的沙層去打的話，就會是在溫度很低的熱水井，取到溫度低的地熱。
另外，地下水的循環也會影響熱的再分配。
下圖表示的地下水的循環，從燕山山脈和太行山脈來的地下水，經過兩三百公里長距離的運移，不斷把巖石當中的熱量帶到盆地中心，使得盆地中心熱量聚集。
所以以上兩個因素導致的熱的聚集，為二元聚熱模式，形成了我們要開發的雄縣的巖溶熱儲。
為了開發它，我們要對它進行勘探評價——立體化描述各層、計算總的資源量，可供暖的面積，然后進行開采井、回灌井的布局。
下圖右方是溫度場的分布。紅色的是開采井，藍色的是回灌井。
我們做各種各樣的試驗，回灌試驗包括試中試驗。這是為了獲得好的流場、溫度場，獲得不同井之間的相互連通性關系，以實現百分百的回灌。
回灌是指熱水被開采出來后，用了以后冷水會回灌下去。
下圖綠色的是地下熱水的水位。紅色的是開采量，藍色的是回灌量。
回灌之前，地下熱水的水位就像飛機俯沖一樣的在下降——每年它下降五米。
但是到回灌以后，它在圖中2010年后的水位就回升了。
所以我們認為它是可持續的。
雄縣有三十萬人口。目前我們打的地熱井有七十口左右。一千五百米左右的深井，溫度在六十到七十度之間。
因此一年的冬天這四個月，90%以上的人口享受了地熱供暖，并且地熱供暖是清潔的。
大家可以看到整個城市是無煙囪的。
下面的卡通形象地展示了一對井——紅色是開采井，藍色的是回灌井。
如何利用這一對井對巖溶儲層進行開采？
首先開采熱水，送到供熱站經過換熱后，送到各家各戶，然后降溫的水，也就是地熱圍水再回來，從冷水井回灌下去。最終就實現了循環往復的利用。
上圖是供熱站的水泵和換熱器的管線。
因此這個工作當時引起了國際的關注，國內外的很多專家學者到井口、供熱站以及到老百姓家里面看我們的控制，看我們的整個系統，都是贊口不絕。目前來講，我們的規模應該是世界上最大的（演講時間為2016年10月30日）。
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地熱的發展前景
整個大華北地區也有巖溶熱儲。大華北地區包括京、津、冀、魯、豫，為了治理霧霾，我們必須是整體的。
京津冀聯動還不夠，我們要把山東把河南都加進來，整個大華北地區一起來治理才會有效。
下圖深顏色畫圈圈的地方都是有巖溶熱儲的分布。上面的三個紅點是現在已經開發的實例，所以在很多地方還有這樣的巖溶熱儲。
下圖展示了地熱在全國的分布范圍。熱量是從地球內部向外散熱，那么在這個分布之上，我們疊加了這個陰影，也就是上面提到的巖溶熱儲的分布范圍。
可以看出來全國大約1/3的國土都有這樣非常好的熱儲，所以它的勘探和開發利用的潛力巨大。
我們如果把此圖與我國霧霾的分布圖對比，可以看出來它們的吻合性非常好，所以，這樣的地熱資源是可以幫助我們緩解霧霾。
最后我們簡單地展望一下未來的發展。中國在地熱利用上努力了將近40年。從十幾年前開始，在地熱能的直接利用方面，我國排世界第一。
一方面是因為中國幅員遼闊，另一方面是在中低溫地熱利用上，我們在國際上確實是有地位的。
除了供暖，地熱還有許多的應用。例如用溫度較高地熱發電，發電完后，溫度下降再用于供暖，最后經過地緣熱泵提熱之后，再用于別處，比如說溫泉洗浴和溫室大棚。
我們未來的目標是要實現這樣的地熱的梯級利用。充分的利用有限的地熱資源，實現循環往復的可持續利用。
不僅如此，高溫發電也是具有非常好的發展前景。
在原來的西藏和云南基礎上，我們國家的喜瑪拉雅帶又增加了川西地區。
四川西部的地熱資源特別豐富。大概在這一口井的三百米處就可以測到了180度，并且通過計算，我們發現它的儲層溫度可達260度。
另外還有干熱的開發應用。我國對于深層的干熱巖的工程化技術發展也有一套技術路線的規劃。
上圖是中國科學院做的能源技術路線圖，預期到2030或者2035年，初步實現這個技術成熟；到2050年，實現完全地商業化應用。
總的來說，我國大華北地區以至于整個北方地區，都有非常好的地熱資源，并且地熱資源巖溶儲層特別好用。
就像雄縣寶貴的巖溶熱儲可以替代燃煤，解決北方城鎮供暖，從而緩解大氣污染的。
而除了巖溶儲層之外，還有別的儲層，比如說砂巖儲層，它的分布也十分廣泛。因此我國的地熱資源非常豐富。
從更廣的意義上來講，如果我們能把中深層的地熱與淺層地熱相結合，再進一步探索干熱巖的深層地熱的開發利用，都會對我們的可再生能源，以及整個能源供應起到更大的作用。
所以，讓我們大家一起努力，喚醒更多沉睡的能源！
