《Renewable Energy》：Development and Techno-Economic Analysis of an Innovative U-Shaped Geothermal System with Artificial Geyser
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地热能源开发中，传统开环系统污染严重而闭 loop系统成本高。本研究提出人工喷泉U型地热系统，通过闪蒸室实现自然循环，减少泵依赖。数值模拟显示，5公里深井在0.06 K/m梯度下可产1.4 MW蒸汽轮机功率和50-400 kW热电功率，改造废弃油井后LCOE达0.1美元/kWh，投资回收期15年。系统平衡产能与成本，为可持续地热开发提供新路径。
陈子明|肖飞|方丽明|牛子豪|刘小龙|严勇|徐文帅|韩磊|杨立中
南京航空航天大学民航学院，中国南京210016
摘要
干热岩地热能是一种可持续的能源，地壳中蕴藏着丰富的储量。开环地热系统能够大规模提取地热能，但会带来严重的环境问题；而具有多分支以提高热提取效率的闭环系统则存在较高的抽水能耗问题。本研究提出了一种人工间歇泉U型地热系统，以解决传统闭环系统的局限性。该系统通过闪蒸室设计实现自然循环，从而降低投资和运营成本。经过验证的数值模型显示，一口深度为5公里、温度梯度为0.06 K/m的地热井，通过蒸汽涡轮机可产生高达1.4 MW的电力，通过热电发电机可产生50-400 kW的电力，具体取决于地热梯度和冷侧流体类型。通过改造废弃的油气井来大幅降低钻井成本，该系统的平准化电价（LCOE）为0.1美元/kWh（涡轮机输出功率为700 kW时）。当电价为0.2美元/kWh时，折现回收期（DPP）为15年。以上结果表明，该系统在容量和成本效益之间取得了良好的平衡。这项工作为地热能的发展提供了可持续、低碳且低风险的途径。
引言
全球碳中和转型主要关注工业、交通、建筑、可再生能源和碳管理[1]。风能和太阳能的可再生发展在当今全球减排中发挥着非常积极的作用[2]。与受风力强度和光照强度影响较大的风能和太阳能相比，地热能具有更高的稳定性，能够提供全天候、全天气的能源供应[3]。此外，增加1 MW的稳定地热发电能力可以促进额外3-5 MW间歇性可再生能源的并网[4]。
在地热资源中，位于地下3-10公里处的干热岩（HDR）占热能的很大比例[5]，如图1（a）所示。地球HDR的能量估计约为1.3×10^27 J，其中1%的能量相当于2023年全球电力产量的12,000倍[6]。迄今为止，地热发电厂已从干蒸汽系统发展到更先进的系统[7]，但其效率仍受温度和地球化学条件的限制[8]。当前的发展重点在于推进技术（增强型地热系统或混合系统[9]）和风险策略，以克服地质障碍并提高可行性[10]。
增强型地热系统（EGS）有助于HDR的开发，如图1（b）所示，许多国家已经开发了此类系统[11]。EGS的关键在于形成水力裂缝，但大多数项目无法解决裂缝后的水资源损失问题[12]。目前大多数EGS项目都是大规模的开环系统，这些系统虽然能提取地热流体，但会消耗大量水资源。地热流体的排放可能引入溶解矿物质，从而污染地下水并导致地面沉降。流体注入还可能增加周围岩石的孔隙压力，引发微地震事件。此外，EGS的高成本也促使研究人员转向更稳定的闭环地热系统（CLGS）[13]。
CLGS使用密封的井下热交换器通过工作流体传递热量，从而避免了钻井阶段的水力裂缝处理以及生产阶段的流体抽取或注入[14]。这类系统可以缓解或解决上述环境问题[15]。CLGS的主要缺点是传热面积有限，导致热功率生成相对较低[16]。影响系统传热的主要因素包括：传热面积、热导率、温差和传热系数[17]。增加井深是最简单且最有效的增加传热面积的方法，但这也需要更大的循环泵或压缩机来克服压力损失。因此，近年来无需泵和其他设备的自然对流循环受到了关注[18]。超长重力热管（SLGHP）的概念利用相变工作流体来传递热量[19]。底部的液体吸收热量后蒸发上升；在顶部提取热量后，蒸汽凝结并重新沉降到底部[20]。
然而，SLGHP中的自然对流可能限制系统效率，因此开发一种通过强制对流提取热量的系统更为理想。Teodoriu等人[21]提出了一种基于人工间歇泉概念的自循环系统，如图1（c）所示。该系统在井底构建了一个闪蒸室[22]。闪蒸室将液态水转化为蒸汽，蒸汽通过内管在压力差的作用下上升[23]。这一过程无需使用大型泵。然而，Teodoriu等人忽略了内管中热水向环形空间中冷水的热量损失，以及闪蒸室内的传热细节和地层中的温度下降。此外，他们的模型也无法定量评估上升蒸汽经历的液化相变过程。
因此，为了提高地热能的利用效率并解决上述问题，本文提出了一种基于人工间歇泉概念的新U型地热系统，如图2所示，其中闪蒸室位于注入井和生产井的交汇处。这种系统属于CLGS的一种形式，但与同心管井不同，上升的热蒸汽不会与下降的冷水直接接触。该系统的模拟包括三个模块：水加热模块、闪蒸模块和蒸汽传输模块。模拟结果包括蒸汽涡轮机和热电发电机（TEG）的发电量、产生的蒸汽干度以及相关的经济分析。该模型的结果通过实验测试和其他理论研究的数据进行了验证。关于系统的经济可行性，讨论了建设、运营和维护成本，以及平准化电价（LCOE）和折现回收期（DPP）。最后，我们提出了未来的研究方向和挑战。
本文的其余部分见图2。第2节介绍了控制方程、边界条件、网格生成和经济模型构建。第3节报告了工作流体的热行为和发电量，讨论了系统的经济性，并分析了面临的挑战。第4节总结了全文。
基本假设
本研究探讨了一种U型CLGS，主要包括三个部分：（1）液态水加热模块（注入井和水平井），（2）雾化闪蒸模块（闪蒸室），（3）蒸汽传输模块（生产井）。在该系统中，水通过部分（1）被加热，然后通过部分（2）中安装的特殊设计压力雾化喷嘴形成细小液滴。由于高温作用，这些液滴迅速蒸发
模型验证
为了验证计算模型，重点模拟了水在U型井中的热演化过程。模拟得到的出口温度与Liu等人[38]在相同初始条件和边界参数下的实验结果进行了对比（见附表1）。不同流速的数值结果如图6（a）和（b）所示。数据点代表中国黄陵U型井的实地测量结果
项目建造成本分析
一个完整的地热开发项目通常需要5到10年才能完成[42]。由于项目开发周期较长且早期阶段（如勘探）存在较大不确定性，因此风险相对较高。如图14所示，随着投资量的增加，风险逐渐降低。
一般来说，预期发电量较低的项目预计可在5年内完成。第一年将用于项目前期准备
结论
本文提出了一种新型U型CLGS，利用人工间歇泉概念和集成闪蒸室，通过相变动态实现高效的自循环和热量提取。加热后的水在闪蒸室内发生闪蒸蒸发，产生的蒸汽在压力驱动下通过生产井自动上升，无需依赖外部泵。
利用蒸汽涡轮机发电时，该系统最多可产生1.4 MW的电力
CRediT作者贡献声明
徐文帅：资源调查。严勇：监督。杨立中：写作 – 审稿与编辑，方法论。韩磊：项目管理。肖飞：写作 – 审稿与编辑，概念构思。陈子明：写作 – 审稿与编辑，初稿撰写。牛子豪：可视化。范丽明：项目管理。刘小龙：验证，数据整理
作者任职情况
作者确认他们与任何可能因本文发表而获得或失去经济利益的组织或实体均无关联或雇佣关系。
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52208394）的资助。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金对这项研究的财政支持。本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52208394）的资助。
