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我國地熱能開發利用現狀與未來趨勢

能源雜志發布時間:2022-03-11 11:42:07  作者:周博睿

  文 | 周博?!∽髡吖┞氂谥袊娏ㄔO股份有限公司

  地熱能是一種綠色低碳、可循環利用的可再生能源,具有儲量大、分布廣、清潔環保、穩定可靠等特點。我國地熱資源豐富,市場潛力巨大,發展前景廣闊。開發利用地熱能不僅對調整能源結構、節能減排、改善環境具有重要意義,而且對培育新興產業、促進新型城鎮化建設、增加就業均具有顯著的拉動效應。地熱能通常分為淺層地熱能、水熱型地熱能、干熱巖型地熱能。

  資源情況

  淺層地熱能。中國地熱能發展報告顯示,中國大陸336個主要城市淺層地熱能年可采資源量折合7億噸標準煤,可實現供暖(制冷)建筑面積320億平方米,其中黃淮海平原和長江中下游平原地區最適宜淺層地熱能開發利用。

  水熱型地熱資源。我國水熱型地熱資源總量折合標準煤1.25萬億t,中國大陸水熱型地熱能年可采資源量折合18.65 億噸標準煤(回灌情景下)。我國水熱型地熱資源以中低溫為主,高溫為輔。受構造、巖漿活動、地層巖性、水文地質條件等因素的控制,水熱型地熱資源分布有明顯的規律性和地帶性,依據構造成因可分為沉積盆地型和隆起山地型地熱資源。

  隆起山地型中低溫地熱資源。主要分布于東南沿海、膠東、遼東半島等山地丘陵地區。隆起山地型高溫地熱資源主要分布在我國臺灣和藏南、滇西、川西等地區。由于我國地處環太平洋板塊地熱帶的西太平洋島弧型板緣地熱帶以及地中海-喜馬拉雅陸-陸碰撞型板緣地熱帶的交匯部位,受構造活動的控制,該區域孕育有大量的水熱活動,是我國最主要的高溫溫泉密集帶。西南地區水熱型地熱資源年可采量折合標準煤1530萬t,高溫地熱資源發電潛力712萬kW。

  干熱巖資源。干熱巖在地球內部普遍存在,但有開發潛力的干熱巖資源分布在新火山活動區、地殼較薄地區等板塊或構造體邊緣。我國陸區地下3~10km 范圍內干熱巖資源量折合標準煤856萬億t。根據國際干熱巖標準,以其2%作為可開采資源量計,約為2015年全國能源總消耗量的4000倍。鑒于干熱巖型地熱能勘查開發難度和技術發展趨勢,埋深在5500米以淺的干熱巖型地熱能將是未來15~30年中國地熱能勘查開發研究的重點領域。

  開發現狀

  淺層地熱能開發情況

  中國淺層地熱能利用起步于20世紀末,伴隨綠色奧運、節能減排和應對氣候變化行動,淺層地熱能利用進入快速發展階段,2015年起淺層地熱能利用規模開始居世界第一。“十三五”期間,我國建設了一批重大的淺層地熱能開發利用項目,淺層地熱能技術的成熟性和可靠性得到驗證和認可。

  北京世界園藝博覽會采用深層地熱+淺層地熱+水蓄能+鍋爐調峰方式,為29萬平方米建筑提供供熱制冷服務;北京城市副中心辦公區利用地源熱泵+深層地熱+水蓄能+輔助冷熱源,通過熱泵技術,率先創建“近零碳排放區”示范工程,為237萬平方米建筑群提供夏季制冷、冬季供暖以及生活熱水;北京大興國際機場地源熱泵系統作為“綠色機場”的重要組成部分,為大興機場257萬平方米建筑提供冷、熱能源等。

  截止2019年底,全國淺層地熱能開發利用規模為8.4億平方米,主要分布在北京、天津、河北、遼寧、山東、湖北、江蘇、上海等省市的城區。

  地熱直接利用的年利用能量世界第一,占世界的29.7%;地熱直接利用的設備容量世界第一,占世界的25.4%;地源熱泵年利用淺層地熱能量世界第一,占世界的30.9%;地熱供暖年利用量世界第一,占世界的38.2%。水熱型地熱能開發情況。

 

  水熱型地熱能開發情況

  水熱型地熱能利用是中國地熱產業主力軍。我國開發利用水熱型地熱供暖已有上千年的歷史,改革開放后尤其是近年來,水熱型地熱供暖的開發利用在規模、深度和廣度上都有很大發展。近10年來,中國水熱型地熱能直接利用以年均10%的速度增長,已連續多年位居世界首位。中國地熱能直接利用以供暖為主,其次為康養、種養殖等。據不完全統計,截至2017年底,全國水熱型地熱能供暖建筑面積超過1.5億平方米,其中山東、河北、河南增長較快。

  中國地熱能發電始于20世紀70年代,1970年12月第1臺中低溫地熱能發電機組在廣東省豐順縣鄧屋發電成功。目前,我國地熱發電已建總裝機容量53.45MW,目前運行容量46.46MW,已停運容量5.79MW,已拆除容量1.2MW。

  干熱巖型地熱能資源勘查開發情況

  干熱巖型地熱能是未來地熱能發展的重要領域。美國、德國、法國、日本等國經過20—40年不等的探索研究,在干熱巖型地熱能勘查評價、熱儲改造和發電試驗等方面取得了重要進展,積累了一定經驗。相比而言中國起步較晚,2012年科技部設立國家高新技術研究發展計劃(863計劃),開啟了中國關于干熱巖的專項研究。2013年以來中國地質調查局與青海省聯合推進青海重點地區干熱巖型地熱能勘查,2017年在青海共和盆地3705米深處鉆獲236℃的干熱巖體,是中國在沉積盆地區首次發現高溫干熱巖型地熱能資源。

  開發利用方式

  地熱資源的開發利用可分為發電和直接利用兩個方面。高溫地熱資源主要用于發電;中溫和低溫地熱資源則以直接利用為主;對于25℃以下的淺層地熱能,可利用地源熱泵進行供暖和制冷。

  淺層地熱能供暖制冷。2015年起淺層地熱年利用率總量列世界第一。2017年地源熱泵裝機容量達2萬MW,年利用淺層地熱能這和標準煤1900萬t。我國淺層地熱能利用發展速度快、應用面積大、各地區利用發展程度不同,覆蓋面廣,系統類型多樣。

  中低溫地熱直接利用。我國中低溫地熱直接利用主要在地熱供暖、醫療保健、溫泉、洗浴和旅游度假、養殖、農業溫室種植和灌溉、工業生產、礦泉水生產等方面,并逐步開發了地熱資源梯級利用技術、地下含水層儲能技術等。

  開發利用60~100℃的中低溫地熱水、熱尾水和淺層地熱能。一些有溫泉出露的地區,尤其是北方,都在不同程度上利用地熱采暖,已取得良好效果。天津利用地熱進行區域供暖已成為我國的典范,正在帶動著北方地熱區域供熱的發展。利用地熱水供暖,以其清潔、對大氣污染極小、運行成本低、資源綜合利用收益高等優點,再加上熱泵技術,在常規能源比較短缺有條件開發地熱資源的地區,受到了普遍重視,并收到了明顯經濟社會效益,其發展前景廣泛。

  地熱流體中具有較高的溫度、含有特殊的化學成分與氣體成分、少量生物活性離子及放射性物質等,對人體各系統器官功能調節具有明顯的醫療和保健作用。在各溫泉療養院中,利用地熱可以進行水療、氣療和泥療等。隨著經濟發展和人民生活水平提高,全國相繼在許多地區建立了一批集醫療、洗浴、保健、娛樂、旅游度假于一體的“溫泉度假村”或“醫療康復中心”。

  洗浴和旅游度假。利用地熱水進行洗浴,幾乎遍及全國各省(區、市)。據不完全統計,全國已建溫泉地熱水療養院200余處,突出醫療利用的溫泉浴療有430處。我國許多溫泉區既是療養地,又是旅游觀光區,我國藏南、滇西、川西及臺灣一些高溫溫泉和沸泉區,不僅擁有高能位地熱資源,同時還擁有絢麗多彩的地熱景觀,為世人所矚目。如云南省騰沖是我國大陸唯一的一處保存完好的火山溫泉區,擁有罕見的火山、地熱景觀及珍貴的醫療礦泉水價值;臺灣省的大屯火山溫泉區也是溫泉療養和旅游觀光勝地。

  養殖。北京、天津、福建、廣東等地起步較早,現已遍及20多個省(區、市)的47個地熱田。主要養殖羅非魚、鰻魚、甲魚、青蝦、牛蛙、觀賞魚等以及魚苗越冬。由于各地溫泉養殖業迅速發展,新鮮魚類暢銷海內外,取得顯著經濟效益。此外,還有地熱孵化禽類、地熱烘干蔬菜、地熱水加溫沼氣池與牲畜洗浴池等,也取得良好效果。

  農業溫室種植和灌溉。地熱是一種復合型資源,非常適合生物的反季節、異地養殖與種植。利用地熱能可以為溫室供暖,利用地熱水可以進行溫帶水生物的養殖,地熱水中的礦物質還可以為生物提供所需的養分。在我國北方,地熱主要用于種植較高檔的瓜果類、菜類、食用菌、花卉等,在南方,主要用于育秧。

  工業生產。目前主要用于紡織印染、洗滌、制革、造紙與木材、糧食烘干等,其中溫泉區地下熱水在紡織工業及化工工業方面均獲得較好的利用和效益。同時,部分地熱水還可提取工業原料,如騰沖熱海硫磺塘采用淘洗法取硫磺,洱源縣九臺溫泉區挖取芒硝和自然硫,臺灣自明清以來就已經在大屯火山溫泉區開采自然硫等。

  高溫地熱發電。地熱發電方面,20世紀70年代初,我國在江西、廣東等地開發中低溫地熱能,建設了一批地熱示范電站。1977年,我國開始開發中高溫地熱能,并在西藏羊八井建設了第一個中高溫地熱發電示范電站。此后羊八井地熱電站歷時14年建成7臺3MW機組和1臺3.18引進機組,持續運行至2020年。2018年9月,羊易地熱電站16MW雙工質地熱發電引進機組首次并網,于2019年正常運行,成為截至目前我國單機功率最大的地熱發電機組。

  雖然我國高溫地熱發電規模落后于世界,但高溫地熱發電的地面設備技術還是一直跟隨的,其主要由于一些鋼廠、化工廠等高溫余熱資源需要加以利用,所以從余熱發電角度一直在發展。

  高溫地熱發電根據地面發電設備原理不同,一般分為單極閃蒸地熱發電技術、兩極閃蒸地熱發電技術、雙工質發電技術、全流發電技術(即螺桿膨脹動力機技術)幾大類,目前雙工質發電技術應用最多。高溫地熱發電技術中地面發電設備技術有多種解決方案,技術相對成熟,其最難的技術屬于高溫地熱資源勘查技術,如何勘查到高溫地熱資源,如何將地下的高溫地熱資源提出地表是較難的技術。若能夠從地下提取出高溫地熱流體,高溫地熱發電很相對容易實現。

  “地熱能+”多能互補。以“多能互補、智能耦合”為特色的“地熱﹢”綠色風暴正在各地悄悄形成。“地熱能+”多種清潔能源互補供熱技術,創新設計了地熱梯級利用工藝,地熱高溫部分進行發電,低溫部分進行供熱,提高地熱利用率。在京津冀和東南沿海地區初步建立發電、供暖二級地熱能梯級開發利用示范基地。

  “地熱能+”的出發點和著力點就是以地熱資源稟賦和分布特征為基礎,因地制宜,加強地熱與其他可再生能源的互補綜合利用,以實現較高的能源使用效率。大力發展“地熱能+”,是未來新能源和可再生能源的一個發展方向。

  存在問題

  當前,我國對地熱資源開發利用重視程度低,勘查投入不足造成我國資源數據基礎較差,我國現有的資源分布數據缺乏。截至目前,還沒有單位對我國地熱資源進行全面系統的勘查,無法精細評價我國地熱資源的分布,這大大影響著我國地熱產業規?;l展。

  在成井質量、管材腐蝕結垢等淺層地熱開發問題,以及高溫地熱井成本、低效率的問題,仍制約著地熱規?;l展。

  另一方面,我國地熱能產業發展初期扶持政策不充分,目前,中央和地方政府出臺了一些財政和價格鼓勵政策,對加快淺層地熱能開發利用及促進北方地區清潔供暖具有積極引導作用,但政策不完善、執行不到位、不充分。價格優惠力度不足,地熱開發利用政策的針對性、強制性不強,需要政府的有效引導和激勵政策支持。

  相關建議

  開展地熱能發電關鍵技術和成套裝備研發

  開展中低溫發電技術和經濟可行性研究。150℃及以下溫度下開發地熱資源發電的技術和經濟可行性方面的機遇和挑戰;開展可快速膨脹/壓縮的低成本、高效的中低溫地熱發電的新型工質熱交換流體等。攻關干熱巖地熱能發電關鍵技術和成套裝備;地熱能發電與其他可再生能源一體化發展技術等,為今后地熱能發電的規?;l展奠定技術儲備。

  開展干熱巖高效開發關鍵技術研究

  由于干熱巖具有強度大、溫度高等特性,高效安全成井已成為干熱巖高效開發的技術瓶頸,亟待攻關。在研究干熱巖地質特征和資源稟賦的基礎上,結合干熱巖的開發技術特點,解決深層、高溫、硬質和易失穩地層的鉆井問題。

  開展單井抽回灌兩用系統研究

  針對增強單井取熱能力的措施和新型單井結構設計方面,開展同井采注、分支井增加換熱面積、大尺寸井眼換熱、激發井下擾流強化對流換熱等,多措施下提高換熱效率的研究工作。

  開展降低成本提高鉆效的地熱鉆井工程技術研究

  開展地熱深井硬巖中開展氣動和液動潛孔錘鉆井技術研究,包括鉆機、鉆頭和沖擊器等與巖石的適應和匹配性;風量、風壓、鉆井液泵量、鉆壓等參數與鉆速、地下水出水量以及井壁的相關性;井壁穩定等相關技術研究。

  開展保護儲層的鉆井和完井工程技術研究

  開展儲層保護的鉆井技術研究,特別是欠平衡(近平衡)鉆井技術;提高井筒與儲層接觸面積的鉆完井技術,包括:定向鉆井技術、洗井技術和工藝、完井技術,包括射井、壓裂、爆破等。

  地熱能作為蘊藏在地球內部的可再生能源,儲量豐富、分布較廣,有著穩定可靠等優勢。國家能源局印發的《關于促進地熱能開發利用的若干意見》中提出,到2025年,各地基本建立起完善規范的地熱能開發利用管理流程,全國地熱能開發利用信息統計和監測體系基本完善,地熱能供暖(制冷)面積比2020年增加50%,在資源條件好的地區建設一批地熱能發電示范項目,全國地熱能發電裝機容量比2020年翻一番;到2035年,地熱能供暖(制冷)面積及地熱能發電裝機容量力爭比2025年翻一番。

  大力推動清潔高效、節水環保的地熱能因地制宜、有序開發和綜合利用,對于促進能源清潔低碳發展、推動碳達峰、碳中和目標實現,具有重要意義。

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