激活地底热能，探寻被忽视的巨大能源宝库

Mikael Philippe

法国地质调查局地热和能源储存部门主任

Jérôme Vergne

斯特拉斯堡大学地球科学实验室物理学家

地热是储存于底土层中的天然热量，可以用来发电、供暖。地热能在能源利用方面有着许多优势，使其具备广阔的应用前景。在未来能源转型的背景下，地热能被认为是可持续发展的关键能源之一。地热能应该如何获取？世界各国地热能的使用情况如何呢？目前法国的地热能在总热能消耗中所占的比例非常小，是什么限制了法国地区的地热能的开发？

地热指储存于底土层中的天然热量，可以用来发电、供暖。

开发地热能，对城市很有意义。地热能可作为人类适应气候变化的有利工具。

然而，法国的地热利用率很低，截止2021年，其比例只占总能耗的1%。

其原因是公众和地方政府对地热知之甚少，且法国的钻井公司也较少。

由于目前已有许多新项目在开发建设中，2019年至2024年，欧洲地热能消耗量预计将增加270%。

法国能否利用地热与其他清洁能源相结合，实现碳中和？去年二月，法国政府提出了一项雄心勃勃的行动计划：在15至20年内产生足够的地热能，每年节省100 TWh的天然气，超过2022年前每年从俄罗斯的天然气进口量。为此，在2016年至2028年间，法国的地热生产设施数量至少要翻倍。地热，指储存于底土层中的天然热量 [1]，可以用来发电、供暖，法国政府主要关注的是后者。通过本文，让我们来看看这一目标的实现途径。

01

地热供暖

低能量深层地热，指地表以下超过200米的土壤中蕴含的热能。例如，在法兰西岛地区的Dogger地下含水层中，水由于底土中放射性元素的自然衰变而升温，故可从含水层中抽取热水获取地热。抽取后，要回灌冷水，以填补地下层中的空缺。高能量深层地热，指在有活火山或塌陷沟地区的地下裂隙岩石中的天然热水。法国阿尔萨斯的苏尔茨苏福雷（Soultz-sous-Forêts）就存在高能量深层地热。

在地表以下不到200米的浅层，地壳温度的稳定性也能产生地热：在法国本土，无论大气温度如何变化，浅层土壤的温度恒定在10-15°C左右。地表和地下土壤之间的温差，可以通过地热热泵（PACg）转化成热能。地热热泵可以抽取地下热水（并在抽取后回灌），也可以是一个连通地表和地下的管道系统，通过循环传热流体收集热量。

02

法国地热能基本情况

目前在法国，深层地热已经接入了59个城市的供热网，还给工厂供热（累计达2TWh）。法国地质调查局地热和能源储存部门主任Mikaël Philippe说：“如果积极部署相关设施，未来20年法国地热的累计发电量可达10TWh。”地热资源供能对大城市而言颇有意义，不过必须建设覆盖全城的供暖管线，以及占地面积约为2000平方米的发电站。Philippe指出：“我国有许多待开发的地下含水层，地热资源丰富。地质调查局近年来开启了一系列勘探和研究项目，以更好地评估其能源储备量。”巴黎西部、法国东南部和阿基坦盆地地热资源较为丰富。不过地热能的利用有局限性吗？Philippe解释道：“只有在地热供应和需求匹配的情况下，才有可能开发。换句话说，含有地热的含水层必须在人口密集区附近，才具备开发的条件和意义。”

图片来源：PI France

另一个有待开发的是地表地热。目前在法国地热总利用量中，地表地热（4.8TWh）占较大比例。Philippe说：“我们估计20年地表地热的利用量将达到100TWh，相当于深层地热能的10倍。”地表地热的主要优势是什么？首先是分布范围广，几乎全国各地都有，这点与深层地热能十分不同。“对于中等密度的住宅区，地表地热特别有用。”此外，由于地热热泵具有能量转换的功能，所以地表地热能也可制冷。在全球变暖的大背景下，这一优势显得尤其突出。

03

地热能的局限性

在法国，地热能在总热能消耗中所占的比例非常小，2021年只有1%[2]。究其原因，Philippe解释道：“公众和地方政府对地热知之甚少。法国的钻井公司也不多。目前我们在与多个部门配合，试图消除这些障碍。”此外，尽管国家有各种鼓励政策，但地热的投资成本还是很高。根据法国环境和能源管理署（ADEME）的估算[3]，对于一个独户家庭，一个地热热泵的成本是每年2731欧元（包括安装费，扣除补贴金额）。相比之下，燃气锅炉的成本是2236欧元，电暖气是4429欧元。然而，考虑到电力、天然气和木材价格未来会上涨，地热能对独户家庭其实是最合算的。对于高密度住宅和商业建筑，地面地热是目前最昂贵的解决方案。

“2021年，地热只占法国总热能消耗的1%。”

世界各国地热能的使用情况如何呢？大家估计见过冰岛发电站“云雾缭绕”的照片吧。冰岛的地下水温度高达110°C。将地下含水层的蒸汽和热水分离，前者可以转动涡轮机发电，后者可以输送到供暖管道中。2013年，冰岛29%的电力来自于地热发电，45%的建筑物靠地热供暖[4]。但是冰岛过于出类拔萃，不具有代表性。截至2022年，全球消耗的热能只有0.37%来自地热[5]。法国的地热总供热量只有6.7TWh，欧洲则有82.1TWh[6]，全球为26000TWh[7]。就地热发电而言，美国的发电能力最强（2.5TWh），其次是印度尼西亚和菲律宾[8]。在法国，地热发电基局限于瓜德罗普岛的布扬特（Bouillante）地热发电厂（112GWh/年）和阿尔萨斯的苏尔茨苏福雷发电厂（12GWh/年）。

Mikaël Philippe说：“法国正在加速开发地热供热项目，特别是为商业建筑和供暖官网供热。”根据国际能源署的数据，近年来地热供热量增长最多的两个国家是中国和土耳其，其中中国有望继续增长。另外，欧洲是地热能消费量最多的区域之一：2019年至2024年间，消耗量将增长270%。

开采深层地热能，会引发地震？

深层地热开采往往伴随着地震。斯特拉斯堡大学地球科学实验室的物理学家Jérôme Vergne介绍：“这是一个众所周知的现象，开采方有义务监测地热开采引发的地震活动。”不过，地热开采导致的地震一般低于1.5级，人们感觉不到。“在少数情况下，会发生高震级的地震。例如，在2019年至2021年期间法国文德奈姆地热项目的开发前期阶段，斯特拉斯堡北部检测到了三次3至3.9级的地震。”

项目进行水力压裂时，最容易引发地震。水力压裂，指往岩层中用高压注入水和添加剂，以促进储层中地热流体的循环。Vergne说：“地热储层中本来就有许多裂缝和断层，天然渗透性高，容易发生地震。”人工注入液体，改变了裂缝内部压力，便会产生地震破裂。此类地震被称为“诱发地震”，震级可能会较高。2017年，韩国浦项发生了5.4级地震，是地热项目引发的最严重的地震。Vergne 指出：“地热项目引发的地震不是‘无中生有’，而是‘骆驼背上的最后一根稻草’，让本来就要发生的地震提早到来。”在法国，每个高能量深层地热开发项目都配备一个“红黄绿”三色预警系统。在伊尔基什-格拉芬什塔登和文德奈姆项目附近，一旦记录到1.5级的地震，项目开发方就会加强警戒，并逐渐调整施工方式，以避免任何2级以上的地震。

作者

Anaïs Marechal

编辑

Meister Xia

1. Website consulted on 30/03/2023: www.geothermies.fr

2. Ministry of Energy Transition, 2 February 2023, Geothermal energy: an action plan to accelerate.

3. Ademe, Coûts des énergies renouvelables et de récupération en France, édition 2022.

4. Website consulted on 31/03/2023: https://nea.is/geothermal/the-resource/

5. IEA (2019d), World Energy Statistics and Balances 2018 (database), www.iea.org/statistics/; IEA (forthcoming), World Energy Outlook 2019.

6. Website accessed on 30/03/2023: www.geothermies.fr

7. IEA (2019), Renewables 2019, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/renewables-2019, License: CC BY 4.0

8. Website accessed on 30/03/2023: www.geothermies.fr