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小众”地热能具有战略型能源潜质

2019-05-31 08:54
 
近年来,地热资源化身地热能,从地热直接利用转向能源化利用。其中,干热岩地热地热能具有能量大、分布广、利用率极高、安全性好、无污染、可实现综合梯级利用等特点,被认为是地热能开发的未来,面向未来的战略型能源。

长春地热
 
从水热型走向干热岩型
 
近年来,基于对气候环境的高度关注,世界各国纷纷制定各自的能源转型战略。在诸多清洁环保的能源种类中,地热能以极高的清洁性、运行稳定性和空间分布广泛性脱颖而出,受到重点研究和开发。
 
地热资源若按其产出条件,可分为水热型和干热岩型。当前,水热型地热是世界各国主要开采和利用的对象,在温室栽培、水产养殖、温泉洗浴、供暖制冷等领域大放异彩。未来,全球对地热资源的开发将从直接利用向能源化利用转变,将地热用于发电就是实现这一转变的载体。
 
与风电、太阳能等可再生能源相比,地热发电不存在波动性和间歇性,可以作为基础载荷,保持电网安全稳定运行。不过,浅层地热因温度限制,无法满足发电的需要;中高温地热因规模限制,尚不能扛起可再生能源发电的大旗。而资源量更加丰富、温度更高的干热岩,可以在发电的同时实现能源综合利用,被认为是地热能发展的未来。
 
干热岩是地球给予人类的馈赠,其本质是地核所形成的炽热熔浆散发出热量,向上传导穿过地幔接近地壳,而地壳不含水岩层或者流体极少的岩石层就会获得高温能量,从而形成干热岩。为统一理解,学术界将干热岩定义为一种不含水或蒸气、埋深为3~10千米、温度为150~650摄氏度的致密热岩体。从理论上说,地球的任何地区,只要达到一定深度都可以开发出干热岩,干热岩也因此被称为无处不在的资源。根据公开的数据显示,保守估计地壳中干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍,干热岩开发利用潜力可见一斑。
 
“从能源角度看,地热能具有稳定(不受季节和昼夜变化的影响)、效率高、安全、运行成本低、可综合利用等优势,且不依赖于外来运输通道,可本地化利用,不受配电网制约。从发展的角度看,从水热型逐渐走向干热岩型,是地热能源发展的必由之路。”北控清洁能源集团西藏事业部总经理杨耀廷在接受记者采访时表示,干热岩技术体系涉及钻探、回灌、发电、梯次利用,是多重技术的孵化与整合,是水热型地热发电的技术升级与延伸。干热岩地热能解决的是世界未来能源的挑战,是解决我国发展能源自主的重要方向。其作为一种战略型能源,将在保障能源安全,推动绿色清洁能源替代,提升能源效率和经济性等方面具有深远意义。
 
尚难走入商业化阶段
 
基于开发干热岩的战略性认知,20世纪70年代,美国开始研究通过增强型地热系统来提取地球内部的热量,进行干热岩发电。英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国家紧跟其后,均开展了大量的干热岩研究与试验开发。
 
“从上世纪70年代美国在芬顿山开始第一次干热岩开发现场试验,到现在已经近50年的时间。可以说,40多年的研究开发所得无几,世界干热岩开发总体上仍然处于试验和示范阶段,还没有走入商业化阶段。”中国工程院院士汪集旸表示,虽然世界各国热捧干热岩,但其在全球仍处于起步阶段。
 
汪集旸认为,与发达国家相比,我国对干热岩的研究起步较晚,现阶段需要回答好三方面问题:我国干热岩该怎么搞,切入点在哪?干热岩到哪儿去找,怎么找?如何开发利用?
 
作为一种技术密集型产业,切入点自然是科技。2012年,科技部启动高新科技863项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”,开启了我国专门针对干热岩工程的研究。2017年,该项目通过验收。该项目开展了干热岩靶区定位技术与工程测试技术研究,建立了干热岩开发实验模拟平台,开发了模拟干热岩应用条件的3种防腐防垢工艺及涂层材料,为我国干热岩资源开发利用提供了理论依据和关键技术支撑。
 
开展资源普查和靶区优选则回答了第二方面的问题。2014年,国土资源系统分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、松辽盆地、海南等高热流区域进行了干热岩资源地质勘查,并在青海贵德和共和、山东利津、广东惠州、四川康定等地相继开展干热岩初步钻探。2014年4月,青海省水工环地质调查院经过2年试钻探,最终在青海省海南藏族自治州共和盆地2230米深度处钻遇153摄氏度干热岩;同年6月,在2735米深度处成功钻获168摄氏度以上的干热岩;10月,青海省共和县在2886米深度钻获181摄氏度的干热岩。2015年5月21日,由中国地质调查局组织实施的首个干热岩科学钻探深井在福建省漳州龙海市东泗乡清泉林场开钻,钻探深度达4000米,标志着我国干热岩勘查开发进入实践探索阶段。
 
“关于如何开发利用,目前普遍存在两个误区:一是不管开发出来的热水温度多高、流量多大,只要是在干热岩里开发出来的都算;二是不计成本,为开发干热岩而开发。”汪集旸表示,干热岩的开发利用在国际上是有界定的。第一,温度必须大于200摄氏度;第二,流量必须大于80千克/秒,即288吨/小时、6912吨/天。
 
杨耀廷则透露,目前出现了借干热岩概念推广地热源热泵的现象。地热源热泵与干热岩是两码事。热泵其实是浅层地源热泵的升级版,而干热岩相对具有广泛的战略意义,是目前各国科研的主要方向。若刻意透支干热岩概念,恐怕会对我国相关产业的发展带来诸多副作用。
 
发展方向为综合与梯级利用
 
“到目前为止,国外已经建立了试验性质的增强型地热系统工程31项,累积发电能力约12兆瓦。法、德、英等国联合开发的苏茨干热岩项目是目前运行时间最长的示范工程,经过30余年的发展,当前装机1。5兆瓦,且处于间歇运行状态,主要考察系统运行的长期稳定性。”汪集旸指出,当前全球对于干热岩的开发利用进展并不顺利,干热岩地热能进入商业运营阶段还需要走很长一段时间。
 
放诸中国,随着干热岩开发工作的深入,越来越多的问题亟待找到解决方案。一方面是地热能行业遇到的共性问题。例如,在管理机制方面,地热开发涉及自然资源、发展改革、能源、水利等多部门,九龙治水,难免出现职责不清等现象,增加了地热项目的审批难度和成本。
 
另外,地热能需提前纳入城市发展规划当中,在城市新区采取规划优先、产业配套的模式。
 
在矿业规划上,宜采取优先申请、挂牌获取、到期回收的方式。杨耀廷建议:“在矿权的获取上,强调公平公正公开,并允许一定程度的转让,形成市场,让不同的玩家进场。而在矿权审批方面,也应设定一定的门槛,对于圈而不建、不持续性投入等情况,要设置一定的退出机制。”
 
另一方面,是干热岩地热能自身面临的掣肘。首先,干热岩地热能的潜力评价和资源量评估、靶区定位等关乎我国干热岩勘查工作怎么开展等一系列问题。经过近几年的努力,我国初步建立了干热岩靶区优选技术体系,圈定了干热岩勘查开发靶区,揭示了我国干热岩分布规律及其成因机制,形成了干热岩资源评价技术方法,填补了我国在干热岩勘查领域的空白。但整体而言,在干热岩的成因、分布、勘探、评价、选区、开发、综合利用等方面的研究还较为薄弱。接下来,这项工作需要更加深入、广泛开展,合理划分干热岩地热能的远景区、有利区、目标区和开采区,进行地热能资源量评估和综合评价,并在干热岩地热能的孕育环境、热构造系统、分布规律、形成机理、热储性质、勘查思路、能量评估、大规模开发及其与矿产、油气、灾害、环境、水文、工程的关联性等方面加强研究。此外,建立一个可公开、供行业共享的数据库也至关重要,将有利于干热岩开发工作少走弯路、错路。
 
其次,越来越多的技术难题已经显露出来。例如,当前在深钻及水力压裂储层改造等方面存在的技术难点仍有待突破。需要充分利用和科学评估已有的地质、地热、地球物理、水文、矿产、油气、自然灾害、环境地质、工程地质等调查和研究成果,开展多学科的交叉研究和联合攻关。
 
第三,干热岩开发成本极高,资金回收期长,投入产出比低的挑战凸显。开发干热岩需要巨大的资金投入,但当前干热岩项目存在融资难题。据杨耀廷介绍,地热发电站造价巨大,而电价补贴需采取“一事一议”,即先建成,后根据规模和发电量反算电价。这意味着,地热电站在建设初期难以拿到银行贷款。地热发电项目也因此面临着巨大的资金考验。他建议,政府部门应出台相关政策,引导市场资金进入地热发电领域。并设立战略新兴能源基金,让地热能与风、光共同进入可再生基金范畴。
 
“干热岩地热能未来的发展,是进行多重经营,实现梯级利用、多能互补、多产协同。”杨耀廷介绍,从地下取出的200摄氏度以上的热水用于发电,之后还可以用于供暖供冷、温泉洗浴、水产养殖等。梯级利用拉长了产业链,可以给项目运营商带来较佳的收益。
 
汪集旸则基于“地球充电宝”概念,提出“地热+”多能互补储供能系统。“据估算,储存于地球内部的热量约为全球煤炭储量的1.7亿倍,其中,可利用量相当于4948万亿吨标准煤,按目前世界年消耗190亿吨标准煤计算,能满足人类数十万年的能源需求。”他认为,将地热与其他可再生能源互补综合利用,可实现较高的能源使用效率,做到天(太阳能)地(地热能)合一,动(风能)静(地热能)结合,从而加速我国新能源和可再生能源发展。
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