0引言

作為綠色低碳、可循環利用的清潔可再生能源,地熱能不僅對于緩解化石能源危機、減少環境污染、實現碳中和具有重要作用,也是未來極具開發前景的戰略性接替能源。目前構建以清潔能源為主的新型電力系統是我國能源轉型、保障能源安全最關鍵的一步,而當前清潔能源利用以水電、風電、太陽能、核能為主,我國對地熱能遠沒有做到深層次利用。歷年來,我國政策一直在推進地熱能的綜合利用和深度開發,國家能源局、科技部于2020年4月印發的《“十四五”能源領域科技創新規劃》中更是明確指出地熱能開發與利用技術研究的路徑。隨著雙碳目標的提出,以清潔能源為主的新型電力系統必將朝著因地制宜、 能源供應多元化發展,而地熱的綜合利用及發展將迎來新的機遇。

1地熱能概述

地熱能屬于清潔可再生能源,具有儲量大、分布廣、穩定性好、可循環利用等特點。地熱能賦存于地下,不受環境、天氣狀況的影響,熱流穩定連續,地熱能的利用須本著 “取熱不取水”的原則,采取“以灌定采、采灌均衡、梯階利用”的形式進行供暖(冷)和發電,實現地熱能清潔高效可持續利用。地熱發電具有良好的穩定運行特性,利用率位居可再生能源榜首,但深層地熱受地域限制,投資大,開發過程存在較大不確定性,目前我國地熱發電在運規模最大的是西藏的羊八井27.2MW地熱電站和羊易16MW地熱電站。

1.1地熱能分類

按溫度水平:地熱能可劃分三個等級,低溫(溫度低于 90℃)、中溫(溫度在90至150℃之間)和高溫地熱(溫度超過150℃);低溫地熱通常只能用于供熱,中溫地熱適用于供熱、供冷;高溫地熱用于發電或熱電聯產。

按儲存狀態:地熱資源包括土壤源型、水熱型(又分為熱水型和蒸汽型)、干熱巖型等。

按儲存位置:地熱能可分為淺層地熱(地下200m 內)、中層地熱(地下200-3000m)和深層地熱(地下3- 10km)。

1.2地熱能儲量及分布

我國的地熱資源占全球總儲量的7.9%,以中、低溫地熱居多。淺層地熱能在我國的分布非常廣泛,覆蓋了華北地區、江淮流域、四川盆地、東北和西北地區南部等,每年可開采量預計超過7億噸標煤,位于中東部水資源相對豐富的的平原、盆地等區域適合大規模開采,包括京津冀、河南等在內的13個省份。淺層地熱溫度水平較低,適用于北方供熱(冷)。

全國水熱型地熱能按溫度水平分為中低溫型和高溫型地熱,我國水熱型地熱能的總儲量超過1.2萬億噸標準煤,而每年可開采的資源量大約為19億噸左右;中低溫地熱資源主要集中于東南沿海地帶、膠東及遼東半島和大型沉積盆地;而高溫地熱資源則主要富集于西藏南部、云南西部、四川西部以及臺灣地區,福建沿海局部也存在較高溫度地熱資源。

2我國地熱能利用現狀

我國常規地熱資源處于中低溫水平,多用于供熱和制冷,適宜發電的地熱資源有限,目前在運的地熱發電機組僅限于西藏羊八井及羊易地熱電站。增強型地熱(干熱巖) 發電以溫度水平高、不受地域限制等優點成為地熱發電未來趨勢。我國干熱巖地熱資源儲量極其豐富,地下3-10km 深處干熱巖儲量相當于715-860萬億噸標煤。2017年, 我國已于青海共和盆地發現大規模、易開采的干熱巖,已探測到地下3705m處溫度236℃。

2.1地熱供熱(冷)

地熱供暖和制冷技術中,淺層低溫地熱以及中層水熱型地熱能的應用技術已經相對成熟。淺層地熱能的利用主要以水源熱泵和地源熱泵技術為主,在北方地區較為常見,采用一套設備,兩種末端的形式冬季供熱,夏季制冷, 基本維持地下土壤換熱平衡;中層水熱型地熱能主要通過地熱井開采較高溫度熱水供熱為主,經板式換熱器和熱泵實現集中供熱(圖1)。

地埋管形式及布置是影響淺層地熱能利用的重要因素,淺層地埋管一般在200m以內,埋管系統的設計對地源熱泵系統性能有直接影響。水平埋管以平鋪的形式置于土壤中,施工簡單但占地面積較大,受外界因素的影響也較大,比較適合于土地面積寬闊的地方使用。垂直埋管以垂直埋放的方式放置于土壤中取熱,占地面積小,幾乎不受外界因素的影響,使用效果可靠且維護費用低,但垂直埋管所需的工程量較大,資金投入量較多,適合人口密集的地區使用。垂直埋管在實際應用中成為主導形式,其中 U型管最為常見。

水熱型地熱供暖通過向中深層(地下200m以下至 3000m以上)巖層鉆井開采地熱水,由地面系統完成熱量提取及利用,包括直接供熱、間接供熱、梯階利用耦合熱泵供熱等形式。對于中深層水熱型供熱技術的應用,須遵守 “取熱不取水”的原則,保證“采灌均衡”,地熱井造井包括定向井和直井這兩種方式,一般開采井與回灌井采取1:1 的比例配置,為確保地熱田的可持續利用,兩口開采井之間距離不小于1km,同時為避免出現熱水短路現象,回灌井與開采井的距離應大于500m。為做好地熱水的利用及保護,嚴防地下水污染問題,尾水回灌必須做好尾水處理凈化。對于系統運維,需做尾水動態監測、腐蝕結垢、回灌堵塞機理等方向的研究。

2.2地熱發電

我國地熱發電始于上世紀70年代,陸續建成一批發電機組,至上世紀90年代后地熱發電陷入停滯狀態。受限于地熱溫度和經濟性,大多數建成機組也已經停運。截至 2021年底,我國地熱能發電裝機容量約50MW,主要集中在西藏羊八井地熱發電站(25MW)和羊易地熱發電站(一期1×16MW)。羊易地熱電站兩口地熱井熱水流量620t/h, 蒸汽流量50t/h,發電回水不低于65℃,實現全回灌;發電機組設備采用奧瑪特雙工質機組,發電效率16%,廠用電率12%,利用小時數超過8000h。

地熱發電根據熱源參數等級不同,基本常見有干蒸汽發電、閃蒸(擴容)發電、雙循環發電[7,8]三種形式。干蒸汽發電比較少見,要求地熱溫度高,地熱井出口全部為蒸汽;閃蒸發電和雙循環發電是我國常用的發電技術。

2.3干熱巖利用

干熱巖試驗是美國提出方案最早也是開展增強型地熱(EGS)工程最多的國家,全球在建及投運EGS工程已達 30個,法國蘇爾茨項目是世界上第一個EGS兆瓦級發電工程。EGS開采形式上也略有不同,一種是利用干熱巖層的天然裂隙儲層開采水熱型地熱資源(德國的蘭道、印希姆電站),另一種是在常規水熱田邊緣通過EGS技術進行人工改造,改善地熱田產出以增加發電能力。

我國干熱巖實質性研究起始于十一五期間中國與澳大利亞合作的“中國工程地熱系統地熱資源潛力研究”項目,此項目更多的是高溫地熱靶區的選定與考察,為“十二五”干熱巖科技研究立項做了前期準備。在“十二五”規劃期間,我國啟動了“863計劃”項目,專注于干熱巖能源的開發與關鍵技術的綜合性應用研究,開展了干熱巖地熱地質資源評價、人工壓裂技術、干熱巖發電及能量轉換評價等研究。

據統計,我國埋深在3-10km的干熱巖資源按2%可開采量預估,相當于我國2010年能源消耗總量的4400 倍。藏南、云南、東南沿海、華北、鄂爾多斯盆地、東北松遼盆地為我國干熱巖資源有利開發區,熱儲目標溫度150- 250℃。其中青藏高原干熱巖溫度最高,總資源量占中國大陸地區的20.5%,華北和東南沿海地區中生代巖漿活動區的占比分別在8%-9%之間,東北地區占比超過5%,云南西部地區干熱巖資源溫度較高,但分布范圍較小。

我國對于干熱巖發電尚處于試驗研究階段,干熱巖發電技術涉及在高溫、缺水或滲透性低的巖石中創建人造熱儲庫,通過注入冷水至地下深層進行熱交換,從而收集熱能并轉化為電能。2021年,在唐山地區我國成功完成了干熱巖能源的首次試驗發電。

3經濟性分析

地熱開發過程影響初投資的最大因素就是鉆井成本，一般占到總初投資的50%-60%，除與地質條件有關外，鉆井成本與鉆井深度成正相關,井深平均每增加1000m單位鉆井成本增加1000元/m。并且需要多次壓裂才能實現井下連通,壓裂半徑通常在0.5km左右,其中單次壓裂成本不少于250萬元。

3.1地熱供暖

地熱能供暖相對于其他供暖方式經濟性上有很大優勢,中深層供暖每個采暖季供熱成本在10元/m2以下,初投資在100元/m2左右(表1)。淺層土壤源熱泵供熱的成本比中深層供熱要大,但與其他供熱方式相比也有很大的競爭力,一般在冬夏季負荷均衡地區應用較多。

3.2地熱發電

地熱溫度、地熱水流量、載體類型和水質條件都是影響地熱發電的關鍵因素,此外也受當地氣候環境、地質條件和政策等因素影響。地熱發電單體規模小,投資成本高、 差異大,據國際可在再生能源機構統計,地熱電站建設成本大致在14000-35000元/千瓦(2000-5000 USD/kW,國內有關學者表示造價在20000-35000元/千瓦之間),平均度電成本在1元/千瓦時以上。

地熱發電技術選擇、發電效率和經濟收益測算等會受到當地水質、地質、地熱溫度和流量等影響,其中最重要的因素是地熱溫度及流量。單位流量下的凈發電量與系統凈發電效率會因采用不同的工質和發電形式而存在較大差別,150℃地熱流體的發電效率在10%-15%之間,地熱流體參數越高,技術經濟性越好。地熱電站的運行壽命較長,一般為30年,從系統效率及回收期方面考慮,地熱流體溫度130-150℃以上,流量超過40t/h才具有較好的開發價值及經濟效益。

4結語

地熱能源以其綠色、低碳的特性,被視為一種具有循環利用潛力的清潔能源,具有分布范圍廣、平均利用率高等特點,也是未來極具開發前景的戰略性能源。為促進地熱能進一步開發利用有以下建議供參考:

① 地熱能富集區域內開展地熱能調查評價及開發區域優選工作,確定區域內地熱資源的有利開發區。

② 因地制宜,根據資源稟賦和需求不同分別進行淺層、中層及深層地熱能開發。

③ 在老舊煤電機組即將面臨退役區域,積極開展地熱能熱源替代可行性研究及論證。

④利用地熱儲能將風、光等可再生能源儲存,實現大規模跨季節儲能利用,提高可再生能源利用率。

⑤開展“地熱+”典型應用場景研究,如地熱在園區綜合能源服務上的應用模式研究,探索地熱(干熱巖)發電與大基地風光耦合利用的研究等。