地热能储层与有机朗肯循环系统的综合评估

《Renewable Energy》：Integrated assessment of geothermal energy reservoir and organic Rankine cycle systems

地热发电储层退化影响及有机朗肯循环经济优化研究，提出考虑储层物性动态变化的LCOE最小化设计方法，基于GEOREPR模型分析两退化情景下ORC系统最优出力与成本，发现储层退化使LCOE分别上升18%和46%，且井系成本降低将推迟最优出力时机。

　　随着全球对可再生能源的需求不断增长，地热能作为一种稳定且可持续的能源形式，其应用也逐渐扩大。地热能主要用于发电，其技术种类包括干蒸汽循环、闪蒸蒸汽循环以及有机朗肯循环（ORC）。ORC技术因其在低至中温地热资源中的高效利用而受到关注，尤其适用于那些无法通过传统蒸汽循环有效发电的地热资源。然而，尽管ORC技术具有诸多优势，其在实际应用中仍面临一些挑战，例如地热资源随时间推移的退化问题，以及如何在设计阶段优化发电系统的输出功率以达到最佳的经济和技术性能。

地热资源的退化通常源于长期的地热流体抽取，这种抽取会导致地热储层的压实，从而降低储层的孔隙度和渗透率，最终影响流体的流动能力。为了缓解这一问题，许多地热发电厂采用回注井将冷却后的地热流体重新注入储层，以维持储层压力和热平衡。然而，即使采取了这些措施，地热资源的退化仍可能持续，表现为储层体积的减少或流体温度的下降。这些变化会对ORC系统的运行性能产生影响，尤其是在长期运行过程中，流体温度和流量的降低可能显著增加发电成本并减少发电效率。

因此，在设计地热发电系统时，必须考虑地热资源随时间变化的特性。传统上，许多研究在进行技术经济分析时，仅基于地热资源的初始状态，忽略了其随时间推移的退化过程。这种做法可能导致设计参数的选择与实际运行条件不符，从而影响系统的整体经济性和技术可行性。为了弥补这一不足，本研究提出了一种新的方法，用于评估在特定地热储层条件下，ORC系统的最佳设计输出功率，以实现最低的平准化能源成本（LCOE）。该方法综合考虑了地热流体的动态粘度、密度、温度和盐度的变化，并通过修改后的“地热回注寿命预测模型”（GEOREPR）代码，对地热资源的退化趋势进行了建模和分析。

在本研究中，采用了两种不同的地热资源退化情景进行分析：一种是地热资源不发生退化，另一种是地热资源发生退化。通过对这两种情景的比较，研究揭示了地热资源退化对LCOE和发电效率的具体影响。研究结果表明，在发生地热资源退化的场景下，LCOE比无退化场景高出约18%（对于某一热源特性）和46%（对于另一热源特性）。此外，研究还发现，对于所展示的案例分析，ORC系统的最佳设计输出功率在运营的第11年和第5年分别实现，这表明在设计阶段需要根据地热资源的动态变化进行调整，以确保系统的长期运行效率和经济性。

为了进一步探讨地热资源退化对系统性能的影响，研究还分析了不同热源特性的变化。例如，对于中温地热资源，研究选择了几种可能的工质，如R-245fa、n-戊烷和R-1233zd(E)，并评估了它们在不同退化情景下的表现。其中，R-245fa和R-227ea虽然具有较高的全球变暖潜能（GWP），但它们在高温条件下表现出良好的热力学性能；而R-1233zd(E)则因其超低的GWP和非易燃特性，成为一种环保的选择，尽管它可能带来长期的环境风险，如与全氟化物（PFAS）相关的污染问题。相比之下，n-戊烷则在环保性和经济性之间取得了较好的平衡，因为它不仅具有较低的GWP，而且不会产生PFAS污染。

在技术经济优化方面，研究还探讨了地热井系统成本对最佳设计输出功率的影响。研究发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟。这意味着，在设计阶段需要权衡地热井系统的成本与发电效率之间的关系，以确保整体系统的经济性和可持续性。此外，研究还分析了不同工质在不同退化情景下的表现，例如在地热资源退化过程中，R-245fa的使用可能会导致较高的环境风险，而n-戊烷则在降低环境影响方面表现更为突出。

为了验证所提出模型的准确性，研究利用了“GEOREPR”代码对哥斯达黎加Miravalles地区的地热资源进行了模拟，并将模拟结果与Monterrosa和Axelsson [45] 提供的实际数据进行了比较。结果显示，模型预测与实际数据之间存在良好的一致性，平均绝对百分比误差仅为7.7%。这一结果表明，所提出的模型能够有效地预测地热资源的退化趋势，并为地热发电系统的优化设计提供可靠的依据。

此外，研究还分析了不同地热资源退化情景下的技术经济表现。例如，在某一热源特性下，地热资源退化导致LCOE增加约18%，而在另一热源特性下，LCOE增加约46%。这些结果表明，地热资源的退化对发电成本的影响是显著的，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素，以确保系统的长期经济性和运行效率。同时，研究还发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。

在实际应用中，地热发电系统的优化设计不仅需要考虑技术性能，还需要综合评估经济成本和环境影响。例如，研究发现，对于某些地热资源，使用特定的工质可能会导致较高的环境风险，而使用其他工质则能够在降低环境影响的同时保持较高的发电效率。因此，在设计阶段，需要在不同工质之间进行权衡，以找到最佳的解决方案。此外，研究还发现，地热资源的退化趋势可能会影响工质的选择，例如在地热资源退化较严重的情况下，可能需要选择具有较低环境风险的工质，以确保系统的可持续性。

为了进一步支持这些结论，研究还分析了不同地热资源退化情景下的技术经济表现。例如，在某一热源特性下，地热资源退化导致LCOE增加约18%，而在另一热源特性下，LCOE增加约46%。这些结果表明，地热资源的退化对发电成本的影响是显著的，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素，以确保系统的长期经济性和运行效率。同时，研究还发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。

在实际应用中，地热发电系统的优化设计不仅需要考虑技术性能，还需要综合评估经济成本和环境影响。例如，研究发现，对于某些地热资源，使用特定的工质可能会导致较高的环境风险，而使用其他工质则能够在降低环境影响的同时保持较高的发电效率。因此，在设计阶段，需要在不同工质之间进行权衡，以找到最佳的解决方案。此外，研究还发现，地热资源的退化趋势可能会影响工质的选择，例如在地热资源退化较严重的情况下，可能需要选择具有较低环境风险的工质，以确保系统的可持续性。

为了进一步支持这些结论，研究还分析了不同地热资源退化情景下的技术经济表现。例如，在某一热源特性下，地热资源退化导致LCOE增加约18%，而在另一热源特性下，LCOE增加约46%。这些结果表明，地热资源的退化对发电成本的影响是显著的，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素，以确保系统的长期经济性和运行效率。同时，研究还发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。

在实际应用中，地热发电系统的优化设计不仅需要考虑技术性能，还需要综合评估经济成本和环境影响。例如，研究发现，对于某些地热资源，使用特定的工质可能会导致较高的环境风险，而使用其他工质则能够在降低环境影响的同时保持较高的发电效率。因此，在设计阶段，需要在不同工质之间进行权衡，以找到最佳的解决方案。此外，研究还发现，地热资源的退化趋势可能会影响工质的选择，例如在地热资源退化较严重的情况下，可能需要选择具有较低环境风险的工质，以确保系统的可持续性。

为了进一步支持这些结论，研究还分析了不同地热资源退化情景下的技术经济表现。例如，在某一热源特性下，地热资源退化导致LCOE增加约18%，而在另一热源特性下，LCOE增加约46%。这些结果表明，地热资源的退化对发电成本的影响是显著的，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素，以确保系统的长期经济性和运行效率。同时，研究还发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。

在实际应用中，地热发电系统的优化设计不仅需要考虑技术性能，还需要综合评估经济成本和环境影响。例如，研究发现，对于某些地热资源，使用特定的工质可能会导致较高的环境风险，而使用其他工质则能够在降低环境影响的同时保持较高的发电效率。因此，在设计阶段，需要在不同工质之间进行权衡，以找到最佳的解决方案。此外，研究还发现，地热资源的退化趋势可能会影响工质的选择，例如在地热资源退化较严重的情况下，可能需要选择具有较低环境风险的工质，以确保系统的可持续性。

为了进一步支持这些结论，研究还分析了不同地热资源退化情景下的技术经济表现。例如，在某一热源特性下，地热资源退化导致LCOE增加约18%，而在另一热源特性下，LCOE增加约46%。这些结果表明，地热资源的退化对发电成本的影响是显著的，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素，以确保系统的长期经济性和运行效率。同时，研究还发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。

在实际应用中，地热发电系统的优化设计不仅需要考虑技术性能，还需要综合评估经济成本和环境影响。例如，研究发现，对于某些地热资源，使用特定的工质可能会导致较高的环境风险，而使用其他工质则能够在降低环境影响的同时保持较高的发电效率。因此，在设计阶段，需要在不同工质之间进行权衡，以找到最佳的解决方案。此外，研究还发现，地热资源的退化趋势可能会影响工质的选择，例如在地热资源退化较严重的情况下，可能需要选择具有较低环境风险的工质，以确保系统的可持续性。

为了进一步支持这些结论，研究还分析了不同地热资源退化情景下的技术经济表现。例如，在某一热源特性下，地热资源退化导致LCOE增加约18%，而在另一热源特性下，LCOE增加约46%。这些结果表明，地热资源的退化对发电成本的影响是显著的，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素，以确保系统的长期经济性和运行效率。同时，研究还发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。

在实际应用中，地热发电系统的优化设计不仅需要考虑技术性能，还需要综合评估经济成本和环境影响。例如，研究发现，对于某些地热资源，使用特定的工质可能会导致较高的环境风险，而使用其他工质则能够在降低环境影响的同时保持较高的发电效率。因此，在设计阶段，需要在不同工质之间进行权衡，以找到最佳的解决方案。此外，研究还发现，地热资源的退化趋势可能会影响工质的选择，例如在地热资源退化较严重的情况下，可能需要选择具有较低环境风险的工质，以确保系统的可持续性。

为了进一步支持这些结论，研究还分析了不同地热资源退化情景下的技术经济表现。例如，在某一热源特性下，地热资源退化导致LCOE增加约18%，而在另一热源特性下，LCOE增加约46%。这些结果表明，地热资源的退化对发电成本的影响是显著的，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素，以确保系统的长期经济性和运行效率。同时，研究还发现，当地热井系统成本降低时，最佳设计输出功率对应的运营年份会有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。

在实际应用中，地热发电系统的优化设计不仅需要考虑技术性能，还需要综合评估经济成本和环境影响。例如，研究发现，对于某些地热资源，使用特定的工质可能会导致较高的环境风险，而使用其他工质则能够在降低环境影响的同时保持较高的发电效率。因此，在设计阶段，需要在不同工质之间进行权衡，以找到最佳的解决方案。此外，研究还发现，地热资源的退化趋势可能会影响工质的选择，例如在地热资源退化较严重的情况下，可能需要选择具有较低环境风险的工质，以确保系统的可持续性。

综上所述，本研究提出了一种新的方法，用于评估在特定地热储层条件下，ORC系统的最佳设计输出功率，以实现最低的LCOE。该方法综合考虑了地热资源的退化趋势，并通过修改后的“GEOREPR”代码对地热资源的动态特性进行了建模和分析。研究结果表明，地热资源的退化对发电成本和效率有显著影响，因此在设计阶段必须充分考虑这一因素。此外，研究还发现，地热井系统成本的降低会导致最佳设计输出功率对应的运营年份有所推迟，这意味着在实际运营中，可以通过优化地热井系统的成本结构来延长系统的最佳运行时间。这些发现为地热发电系统的优化设计提供了重要的参考，有助于提高其经济性和可持续性。