综合能源：地热、干热岩和李德威教授的“固热能”

最近一些年，能源进入了一个百花齐放、争奇斗艳、综合利用的新时代，能够看懂的和不能看懂的各种能源形式不断涌现，今天聊聊看不太懂的地下热能资源（传统地热、干热岩和固热能），2018年我在宁乡劳动的时候，跟莫师傅一起曾经动过地热资源的念头，还请教了我们长春地质学院地质系的校友老丁同学，因为他家在益阳，对湖南的地质构造有点研究，老丁告诉我，宁乡从哪到哪有一条断裂带，估计有地热资源....。

因为，各种地热资源，大多跟地质构造有关。

昨晚，经开区的领导给我发了一篇文章，说的是中国地质大学（武汉）著名构造地质学家李德威教授用尽毕生精力研究“层流构造假说”、“地球系统动力学理论”和“固热能”。在人生的最后阶段，ICU病房的李德威教授，努力写下了十个字:“开发固热能，中国能崛起”，被媒体誉为“当之无愧的大国脊梁”。

目前，摆在我们面前的地下热能大致有三种：传统的地热、干热岩和李德威教授的“固热能”。我一次知道地热这件事儿，是小时候听说的西藏羊八井打出了热气田，那是1975年的故事，那时候小小年纪的我对“田”的理解还比较幼稚的仅限于麦田和玉米地，脑海中能想到的羊八井热气田就是一大块麦田都在冒热气。

现在知道了，羊八井距离拉萨不到100公里，1976年装上了兆瓦级的热能发电机组。我们今天大呼小叫的所谓“综合能源”利用至少在1974年羊八井热气田开钻的时候就已经拉开序幕了，这与美国合同能源管理开幕差不多都在一个年代。如果再往前捯饬，地热能发电还可以追溯到1904年地热资源比较丰富的意大利。

西藏羊八井地热开发的1970年代国际上有一个大背景，就是第一次石油危机爆发了，那时候我大约12岁，就开始看很多人不太容易看到的《参考消息》了，报纸上老讲石油危机，我那时候就想，大人们把石油都用完了，我们长大了怎么办呀。掐指一算40多年过去了，现在还有石油，尽管今天的原油价格比1974年石油危机之前上涨了将近17倍。

一、传统的地热

传统的地热，就像我们去小汤山泡温泉的那种，从地表25-30米再往下走，有一个自然增温，这个自然增温主要来自于地球深处的岩浆热量随断裂带向上传递的结果，自然增温的梯度大约是2度-3度/100米，也就是说，我们往下打孔，只要足够的深，就能获得相应的温度，实际上，真正有效的地热资源是位于跟地质构造有关的板块边缘或者地质构造带或者断层上，因为这些地方往往有大于正常地热增温的地热异常，而这些地热通常都是由地下水或者断层裂隙水源传递过来的地热能，历史上一些著名的地热资源，例如北京的小汤山、北京西山大觉寺附近的温泉镇、江西宜春的温汤温泉和湖南宁乡的灰汤温泉等。

传统地热的利用方法很多，例如温泉、冬季供暖和保温等，桂总团队去年在山东某地利用地源热泵技术开始了地热资源的应用实践。

二、干热岩

干热岩这个概念，以前没有听说过，是最近几年才慢慢知道的一种地下热能，网上说，干热岩是埋藏较深的、不流动的固体岩石所形成的150度以上的地下热能，由于是高温固体岩石，所以这种能源的利用主要是通过打孔注水加压（并通过岩石裂隙）进行热交换的方式加以利用，玩法上颇有点类似页岩气开采中的压裂工艺。干热岩的开采风险还是比较大的，例如如果不是封闭的构造，压水的回收率就会很低、如果钻探深度比较深，钻探和基础设施的成本会比较高、需要大量水源以及运行成本也会比较高、对环境有一定的潜在破坏（岩石圈构造和水污染）。

网上说，干热岩的热储量很大，可以说是巨大到无比，关键看成本和环境风险的控制。

三、固热能

以中国地质大学（武汉）李德威教授为代表所研究的固热能也是最近一两年才听说的事儿，理解还不深刻、相当的肤浅，只能很简单的聊上几句，从承载热能的岩石形态上看，这是介于传统地热（水为传导介质）和干热岩（固体岩石储热）之间的一种状态，也就是固热能是『地球物质发生固态流变的热能』，这里面有个问题，我似乎还没有搞明白，即：

流变和热能之间是一个什么样的因果关系，是流变产生了热能？还是热能改变了岩石固体状态，在地壳巨大压力或者横向板块应力下产生了流变？

如果是后者，那就与干热岩很难区分了；如果是前者，那么流变又是什么原因导致的呢？这也许就是李德威教授的研究价值所在，李教授从“层流构造假说”到奠基“地球系统动力学理论”再由此研究“固热能”，这一系列研究的背后，应该蕴藏了极高的科学和经济价值，遗憾的是李教授于2018年去世了，我们相信他的66位弟子中一定有人继续李教授的研究和科学探索。

我朴素的理解，固热能的热能产生动因有可能是多方面的，既有地壳自然增温的因素、也有流变的因素，也会有深部岩浆直接作用的因素。

媒体报道，2018年底，李教授生前主导在海南雷琼裂谷的固热能验证工程，经过66天的钻探施工，中国石油渤海钻探第一钻井公司50669钻井队成功在海南琼北地区深度4387米处钻获超过185摄氏度高干热岩（非稳态测温），标志着我国东部第一口具有独立知识产权的干热岩参数井——琼北花东1R井圆满完井。

这个新闻通稿告诉我们两个数据：

1.平均每天钻井进度是：66.47米

2.平均增温梯度是：4.22度/100米，也就是说大于正常的增温梯度，实际上，如果存在固热能流变岩体的话，增温应该有突变，而不是正常地热的渐变。

另外，新闻通稿的报道依然用“干热岩”，而没有用“固热能”，可能说明象牙塔里面的研究成果尚未得到公众的知晓。

四、地热资源的综合利用

今后，任何一种能源形式的综合利用是大趋势，能源综合利用的目标应该是提高能源的综合使用效率和经济效益，我们粗浅的理解，能源综合利用分为两个维度：

1.直接或间接利用：比如像地热、干热岩和固热能这样的，通过热交换或者不通过热交换，直接利用其热能；间接利用就是把地热能转换成其他的能源形式，例如发电或者通过地源热泵。

2.并行或梯级利用：按照能源利用效率或者负荷需要，设计实施并行或者梯级（串行）开发利用，以求最大的经济效益。

通过之前的学习和理解，我们可以感受到，传统地热、干热岩和固热能这三者之间，热能的温度是逐步提高的，也就是说，传统地热资源，水是传导介质，温度相对较低，而固热能由于是高温岩石的流变，温度应该比干热岩还要高一些，同时，固热能的深度有可能比干热岩更深一些，开采和运行的成本也会高一些。这是一个复杂的算账过程。也就是说，技术可行性和经济可行性都要兼顾，而且要综合的科学评估，瞧，这又有点像电网公司正在搞的SEC比选了。

对于温度比较高的干热岩或者固热能，比较适合开展梯级应用，国内已有60-80度工业余热发电的技术可以用在这方面。

对于相对分散的、温度较低的或者梯级应用的末端，还可以尝试在工业余热回收领域先进和成熟的相变储能技术。