欧洲城市地区深部地热开发前景

1 介 绍

   未来的能源供应系统将向智能城市和智能农村社区发展，在这些地区将结合各种技术并利用可再生能源降低对环境的影响，并为居民提供高品质生活。地热能由于能够提供热源和冷源以及发电，因而在智能发电与热电网领域尤其重要。利用热泵技术的浅层地热能对于智能能源而言是一种关键能源。通过结合智能热电网、电网与地下蓄能，以及为城市和农村地区提供可靠、廉价的供热和制冷源，浅层地热能为未来能源系统提供了解决方案。此外，浅层地热能在智能电网管理方面也起到非常重要的作用。地热热泵能够提供需求响应服务，因此对于电网稳定而言非常重要。同时，地下蓄能是一种极好的热能存储方案。浅层地热能技术将在区域供热领域得到广泛应用：智能热电网。

2 能源系统—供热与制冷领域

   供热和制冷占欧盟约50%的最终能源消耗。其中，热能是最大的能源消耗部分。供暖用户通常对供水温度、容量和时间等方面有特殊的要求。因此，需要采用一系列应用设备与资源来满足这些需求。供热温度可分类为以下三种：低温；中温；高温。

   采用的技术应尽可能地与热能需求所要求的温度等级相匹配。而且，在考虑建筑物能效时区别初始、最终和有效能量非常重要。应对能源、使能者和消费者进行鉴别。供热和制冷消耗者包括：住宅领域，住宅部分供热和制冷的能量需求完全取决于气候条件并遵循清晰的季节模式。但在所有气候条件下家庭热水非常重要。容量需求变化范围从小规模建筑物的数千瓦热至大规模建筑群的数百千瓦热。南欧和中东欧的制冷需求都将预期增加。可再生能源供热和制冷技术能够满足这种需求，包括区域供热与制冷；服务领域，在服务领域供热和制冷需求完全受建筑物类型及其用途影响。负载通常更高，从数十千瓦热至1兆瓦热或更大；工业领域，工业领域的热需求随温度等级的不同而变化。根据Ecoheatcool的研究，约30%的工业热需求要求温度低于100°C，例如冲洗和食物加工等。中温热水可用于蒸发或烘干。高温热水可用于金属、陶瓷或玻璃等制造。通过热烟道气、电感应和其他燃烧过程可获得温度超过400°C的热能。

3 欧洲城市与建筑物

   供热和制冷在很大程度上受化石燃料的控制。因此，供热和制冷领域是欧盟温室气体排放的主要贡献者且依赖于从不稳定地区的能源进口。欧盟8个成员国超过95%的总气体供应来自俄罗斯。可再生供热与制冷技术是逆转这些趋势的唯一解决方案，包括气动热、生物能、地热和太阳热能。

   通过利用可再生能源，供热和制冷将成为可持续应用且确保带来显著社会效益：改善欧盟的能源供应安全；稳定能源价格；为当地创造可持续的就业机会并促进欧洲的工业领导权；能源的可持续性。

   大多数可再生能源潜力与能效体现在建筑行业，尤其是空间供暖和家用热水。因此，建筑物的选址至关重要。由于欧洲的建筑群非常古老且效率低，因此，欧洲建筑物具有巨大的能效与脱碳潜力。欧洲建筑物的热能消耗超过其总热能消耗的三分之二。欧洲的建筑行业正不断发展，因此势必会增大欧洲的总能量消耗。欧洲约60%的建筑物供热来自于天然气，且在住宅领域仍广泛采用取暖用油或煤油。此外，住宅和第三产业约占欧洲内陆总天然气消耗的40%。这主要包括家庭住宅和商业建筑物供暖和热水的直接利用。因此，降低能耗以及对建筑物采用可再生能源供暖将是重要的举措，也是减低欧盟能源依赖性与温室气体排放所必需的。

4  建筑物、城市和电网的地热能利用

   根据定义，地热能是地下存储的热能。在土壤和地下水中可以发现不同温度的地热能源，主要取决于局部地质条件与深度。对于地热能供热与制冷而言，可分类为三种主要资源类型：第一种地热能类型主要基于相对稳定的地下水和地面温度。通常，利用热泵从地下抽取能量并把温度提升至供热系统所需的等级；第二种地热能类型主要从温度更高、深度更大的土壤和地下水抽取热量；第三种类型地热能主要用于发电，是一种温度超过100°C至300°C或以上的资源。这种资源的残余热量仍可用于住宅供热，此外，利用这种资源能够直接为一些高温工业过程提供热能。

   对于应用领域而言，可采用额外能源与装置满足相关温度需求，据此可直接利用地热能：如果地热温度等级低于供热系统所要求的温度，则需安装额外的系统组件；热泵常用于把温度提升至所需等级。在这种情况下，土壤和地下水也可用于制冷。如果需要较低温度，则可把热泵用作制冷机器；土壤也可用于储热或储冷，例如在商业和机构大楼中制冷与制热的联合应用；如果地热的温度等级与供热系统所要求的温度相匹配，那么，可以直接利用土壤和地下水中的热能。这些直接应用领域包括：直接供热或联合供热与发电装置；农业；工业过程；浴疗； 用于制冷的吸热泵。

   地热能在欧洲未来能源结构中起到非常重要的作用，能为社会提供廉价的能源并保证欧洲工业在全球具有竞争力。地热能将是智能城市和智能乡村社区的一种关键能源，能够提供供热和制冷、发电以及为智能热电网和电网提供解决方案。

   地热能每年为欧盟供热与制冷提供了超过4百万吨的石油当量，相当于超过15吉瓦热装机容量。但欧洲地热能的潜力仍是巨大的。实际上，地热能几乎可应用于住宅和第三产业以及工业的任何领域，其达到的温度范围为200～250°C。

   如果欧洲现有的地热能利用趋势一直延续，则到2020年地热能的贡献将达到约40Wth装机容量，相当于约10Mtoe。目前，欧盟地热发电的总装机容量约为946MWe,每年能够发电约5.56太瓦时。热电联产发电厂收益不大，其用于供热的装机容量低于1GWth，但采用增强型地热系统将为热电联产提供进一步增产的机会。

   整个欧洲加速部署地热供热与制冷面临的技术挑战是开发革新的解决方案，尤其是现有建筑物的重建以及零能源建筑物的建造，这是因为这些系统易于安装且在低温下具有更大效率。其次，在密集城市地区开发区域地热供热系统的布置。最后，第三个目标是通过提供竞争性供热与制冷解决方案为工业脱碳提供支持。最在前途的应用领域是具有新区域供热与制冷网建筑物的智能热电网的开发、现有网络的优化以及交通、工业和农业新、革新地热应用的增加。有待开发的首批区域将是那些拥有最易接近资源以及具有更高等级资源的区域，在这些区域将开发地热与发电联合项目。

5 智能城市与智能热电网

   智能热电网将利用可再生能源确保为各种消费者提供可靠与廉价的冷热水供应，例如地热能。这是因为：灵活适应性，短期内面对能源供应与需求。中期内适应现有网络温度等级以及新分布式微网络的安装。长期内按照城市规划校正网络开发；智能性：智能热电网能够实现智能规划与操作，并能使消费者与供热、制冷系统相互配合；集成性：从空间以及能源系统观点来看，这些智能热电网可在整个城市能源系统中集成；有效性：智能热电网通过选择最佳技术组合能够实现能源系统的最高整体效率，且通过串联应用能够实现有效地方能源的最大开发率；竞争性：智能热电网成本有效，对于消费者与商业而言其运行费用并不昂贵。智能热电网能够提高供热和制冷供应的成本效率，并能为消费者提供共享的机会；可调节性：按照供热与制冷需求，这些智能热电网系统能够在邻域或城市范围内应用；能源供应安全性，通过利用局部供热与制冷能源，智能热电网能够提高区域规模的能源供应安全。