0引言

作為綠色低碳、可循環(huán)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(huán)境污染、實現(xiàn)碳中和具有重要作用,也是未來極具開發(fā)前景的戰(zhàn)略性接替能源。目前構(gòu)建以清潔能源為主的新型電力系統(tǒng)是我國能源轉(zhuǎn)型、保障能源安全最關(guān)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(fā),國家能源局、科技部于2020年4月印發(fā)的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中更是明確指出地熱能開發(fā)與利用技術(shù)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(tǒng)必將朝著因地制宜、 能源供應(yīng)多元化發(fā)展,而地熱的綜合利用及發(fā)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(wěn)定性好、可循環(huán)利用等特點。地熱能賦存于地下,不受環(huán)境、天氣狀況的影響,熱流穩(wěn)定連續(xù),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(fā)電,實現(xiàn)地熱能清潔高效可持續(xù)利用。地熱發(fā)電具有良好的穩(wěn)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(fā)過程存在較大不確定性,目前我國地熱發(fā)電在運規(guī)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(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)。

按儲存狀態(tài):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(nèi))、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(qū)、江淮流域、四川盆地、東北和西北地區(qū)南部等,每年可開采量預(yù)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(qū)域適合大規(guī)模開采,包括京津冀、河南等在內(nèi)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(qū),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(xiàn)狀

我國常規(guī)地熱資源處于中低溫水平,多用于供熱和制冷,適宜發(fā)電的地熱資源有限,目前在運的地熱發(fā)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(fā)電以溫度水平高、不受地域限制等優(yōu)點成為地熱發(fā)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(fā)現(xiàn)大規(guī)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(shù)中,淺層低溫地熱以及中層水熱型地熱能的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)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(shù)為主,在北方地區(qū)較為常見,采用一套設(shè)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(jīng)板式換熱器和熱泵實現(xiàn)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(nèi),埋管系統(tǒng)的設(shè)計對地源熱泵系統(tǒng)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(qū)使用。垂直埋管在實際應(yīng)用中成為主導(dǎo)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(tǒng)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(shù)的應(yīng)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(xù)利用,兩口開采井之間距離不小于1km,同時為避免出現(xiàn)熱水短路現(xiàn)象,回灌井與開采井的距離應(yīng)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(tǒng)運維,需做尾水動態(tài)監(jiān)測、腐蝕結(jié)垢、回灌堵塞機理等方向的研究。

2.2地熱發(fā)電

我國地熱發(fā)電始于上世紀70年代,陸續(xù)建成一批發(fā)電機組,至上世紀90年代后地熱發(fā)電陷入停滯狀態(tài)。受限于地熱溫度和經(jīng)濟性,大多數(shù)建成機組也已經(jīng)停運。截至 2021年底,我國地熱能發(fā)電裝機容量約50MW,主要集中在西藏羊八井地熱發(fā)電站(25MW)和羊易地熱發(fā)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(fā)電回水不低于65℃,實現(xiàn)全回灌;發(fā)電機組設(shè)備采用奧瑪特雙工質(zhì)機組,發(fā)電效率16%,廠用電率12%,利用小時數(shù)超過8000h。

地熱發(fā)電根據(jù)熱源參數(shù)等級不同,基本常見有干蒸汽發(fā)電、閃蒸(擴容)發(fā)電、雙循環(huán)發(fā)電[7,8]三種形式。干蒸汽發(fā)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(fā)電和雙循環(huán)發(fā)電是我國常用的發(fā)電技術(shù)。

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(fā)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(guī)水熱田邊緣通過EGS技術(shù)進行人工改造,改善地熱田產(chǎn)出以增加發(fā)電能力。

我國干熱巖實質(zhì)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(tǒng)地熱資源潛力研究”項目,此項目更多的是高溫地熱靶區(qū)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(guī)劃期間,我國啟動了“863計劃”項目,專注于干熱巖能源的開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)的綜合性應(yīng)用研究,開展了干熱巖地熱地質(zhì)資源評價、人工壓裂技術(shù)、干熱巖發(fā)電及能量轉(zhuǎn)換評價等研究。

據(jù)統(tǒng)計,我國埋深在3-10km的干熱巖資源按2%可開采量預(yù)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(fā)區(qū),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(qū)的20.5%,華北和東南沿海地區(qū)中生代巖漿活動區(qū)的占比分別在8%-9%之間,東北地區(qū)占比超過5%,云南西部地區(qū)干熱巖資源溫度較高,但分布范圍較小。

我國對于干熱巖發(fā)電尚處于試驗研究階段,干熱巖發(fā)電技術(shù)涉及在高溫、缺水或滲透性低的巖石中創(chuàng)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(zhuǎn)化為電能。2021年,在唐山地區(qū)我國成功完成了干熱巖能源的首次試驗發(fā)電。

3經(jīng)濟性分析

地熱開發(fā)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(zhì)條件有關(guān)外，鉆井成本與鉆井深度成正相關(guān),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(xiàn)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(jīng)濟性上有很大優(yōu)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(qū)應(yīng)用較多。

3.2地熱發(fā)電

地熱溫度、地熱水流量、載體類型和水質(zhì)條件都是影響地熱發(fā)電的關(guān)鍵因素,此外也受當?shù)貧夂颦h(huán)境、地質(zhì)條件和政策等因素影響。地熱發(fā)電單體規(guī)模小,投資成本高、 差異大,據(jù)國際可在再生能源機構(gòu)統(tǒng)計,地熱電站建設(shè)成本大致在14000-35000元/千瓦(2000-5000 USD/kW,國內(nèi)有關(guān)學(xué)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(fā)電技術(shù)選擇、發(fā)電效率和經(jīng)濟收益測算等會受到當?shù)厮|(zhì)、地質(zhì)、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(fā)電量與系統(tǒng)凈發(fā)電效率會因采用不同的工質(zhì)和發(fā)電形式而存在較大差別,150℃地熱流體的發(fā)電效率在10%-15%之間,地熱流體參數(shù)越高,技術(shù)經(jīng)濟性越好。地熱電站的運行壽命較長,一般為30年,從系統(tǒng)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(fā)價值及經(jīng)濟效益。

4結(jié)語

地熱能源以其綠色、低碳的特性,被視為一種具有循環(huán)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(fā)前景的戰(zhàn)略性能源。為促進地熱能進一步開發(fā)利用有以下建議供參考:

① 地熱能富集區(qū)域內(nèi)開展地熱能調(diào)查評價及開發(fā)區(qū)域優(yōu)選工作,確定區(qū)域內(nèi)地熱資源的有利開發(fā)區(qū)。

② 因地制宜,根據(jù)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(fā)。

③ 在老舊煤電機組即將面臨退役區(qū)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(xiàn)大規(guī)模跨季節(jié)儲能利用,提高可再生能源利用率。

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