地热即将成为有竞争力的新能源

2015年12月17日11:32 作者:

地热即将成为有竞争力的新能源

  与2015年规划目标相比,我国目前的地热利用还有很大的差距,未来潜力巨大。随着我国将绿色发展提升到前所未有的高度,地热利用正面临历史性的发展机遇,地热的春天即将到来。

  化石能源在带来工业文明的同时,也使人类陷入了“黑色的困惑”,即日益严重的环境和气候问题。经历30多年的高速发展,我国的环境问题日益突出,需要多样化的能源供给改变单纯依赖化石能源的能源利用方式。

  根据我国能源规划目标,到2020年,非化石能源要从现在的8.4%达到15%。作为一种可再生的清洁能源,地热具有储量丰富、分布广,用途广泛、稳定性好并且可循环利用的特点,不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰,日益成为一种颇具竞争力的新能源。

  中国地热资源利用概况

  地热资源按照埋藏深度分为浅层地热能、中深层地热能、干热岩地热能。我国地热资源储量大,占全球地热资源量的六分之一,其中浅层地热能资源量每年相当于95亿吨标准煤,现每年可利用3.5亿吨标准煤,减排5亿吨二氧化碳;中深层地热能资源量相当于8530亿吨标准煤,现每年可利用6.4亿吨标准煤,减排13亿吨二氧化碳;干热岩资源量相当于860万亿吨标准煤,现正处于研发阶段。

  从埋藏深度和分布地域上看,浅层地热能资源一般位于200米以内深度,利用条件好的适宜区主要分布在东北地区南部、华北地区、江淮流域、四川盆地。中深层地热能(常规地热能)一般在200-3000米左右,分为对流型和传导型。其中高温对流型地热主要分布在滇藏以及台湾地区,中低温对流型主要分布在东南沿海和胶辽地区,而中低温传导型地热主要分布在大中型沉积盆地。干热岩(增强性地热),埋藏深度一般在3000-10000米左右,主要分布在西藏,其次是云南、广东、福建等东南沿海地区和山东、陕西局部地区。

  我国地热资源的开发利用分为发电和直接利用两个方面。高温地热资源主要用于发电;中低温地热资源则以直接利用为主,对于25摄氏度以下的浅层地热能,可利用地源热泵进行供暖和制冷。

  比如天津、河北为代表的地热供暖,以北京、东南沿海为代表的温泉旅游与疗养等中深层地热资源直接利用。预计到2015年底,全国中深层地热供暖面积达到1亿平方米。在地热发电方面,我国先后在广东丰顺、河北怀来、江西宜春、湖南灰汤、辽宁熊岳、广西象州和山东招远等7个地区建设了中低温地热发电站,在西藏羊八井建设了中高温地热发电站。

  因发电效率和经济效益等原因,目前仅广东丰顺和西藏羊八井尚在发电。尽管我国直接利用地热资源量多年位于世界首位,但地热发电比较滞后,2014年底,我国地热发单总装机容量仅为27.28MW,世界第18位,与地热资源大国地位不匹配。

  不过2014年年底,我国地热资源直接利用发生了积极的变化。地源热泵达到了58%,地热供暖比例为19%,首次超过18%的温泉洗浴。因此地热开发的能源性、技术性开始逐渐显露出来。

  地热开发利用技术亟待提升

  基于我国地热资源利用不足的现实状况,提升开发利用技术成为当务之急。

  我国的地热资源开发利用技术是一门多学科的综合技术,涉及资源的勘察与评价,钻井成井工艺、尾水回灌、梯级利用、高效运营、保温与换热,防腐防垢和热泵发电等技术。

  目前,我国地热开发利用技术的实施主体主要由国家地热能中心、中科院等多家科研机构和石油大学、地质大学等高校构成。这些单位相继开展了地热资源开发利用技术研发,初步建立了一套与我国地热资源特点相适应的技术体系,指导地热资源勘探开发实践。

  地热资源的勘察技术和资源的评价技术在指导目前我国地热勘察与评价上起到了积极作用。地热资源的勘察技术,以电法、大地电磁法为主,在西藏、天津、北京、陕西、河北、河南、山东、四川、新疆等地的地热资源勘查中得到了广泛应用。

  地热资源评价技术,以热储体积法最为成熟,国土资源部2009年组织开展《全国地热资源潜力评估》,该成果已于2014年11月发布,确定了地热开发有利目标靶区。

  针对不同的深度、地层和岩性,形成了不同的热储类型的井身结构优化设计、低密度流体钻井、热储层物性录井、测井及有效储层评价等地热井钻井成井工艺技术体系。比如中石油联合中石化在肯尼亚OLKARIA地区施工了一批高温地热井,最高地层温度达到了350摄氏度,初步形成了高温定向钻井、井筒降温、钻头选型、空气泡沫钻井液等高温地热井钻井技术。

  地热尾水回灌技术,是实现地热资源可持续开发的有力措施,世界各国已获得广泛应用。在地热资源保护、减少资源浪费、延长生产井寿命以及减少环境污染等方面具有重要作用。

  在开发利用地热中,如果没有回灌就会造成二次污染,地下会面临被掏空的危险;而一旦利用好回灌技术,地热资源则取之不尽,用之不竭,回灌技术的重要性可见一斑。

  在我国,中石化在开展回灌技术上走在前列,实现了灰岩热储层100%回灌,砂岩底层回灌取得阶段性成果。比如山东商河、乐陵试验井回灌率超过80%,陕西咸阳正在进行回灌试验:文林2号井回灌系统已经取得国家专利局颁发的“砂岩地热尾水经济回灌系统”技术专利,自然回灌量连续两个采暖季保持在每小时100立方米以上,最大瞬间回灌量达到每小时148立方米,回灌率达到100%。

  梯级利用技术主要根据“品位对口,梯级利用”的用能思想,实现地热发电、建筑高效供热制冷、工农业生产和温泉沐浴的梯级利用,大幅度提高地热能的转化与利用。

  通俗地讲,就是在每个利用阶段把地热资源“吃干榨尽”,充分利用资源。比如我们的热储,100 ~110摄氏度之间,发电效率不是很高,但我们发电后再进行地板散热,甚至再到养殖、种植,形成一个完整梯级利用的产业链。这样效率就会很高,大幅度提高了地热能的转换率。

  此外,地热开发利用的技术还有蓄能技术,比如冰蓄能、水蓄冷、蓄热等。还有循环技术、高效的灌热技术以及地下水的防冻技术。

  地热产业发展状况——以中石化为例

  在涉足地热领域的企业中,中国石化(600028,股吧)发展较早也较为成熟,它的发展模式一定程度上反映了我国地热开发利用的状况。

  资料显示,早在2006年以后中石化的地热利用规模几乎以连年翻番的速度加快发展,其提供的中深层地热供暖面积达4000万平方米,占了全国中深层地热供暖面积40%,每年实现可替代标准煤120万吨,减排二氧化碳300万吨,现已成为国内地热开发规模最大的企业。

  2013年2月中石化确定将地热业务作为其单个产业进行整体规划,充分的发挥上中下游一体化的模式,明确下属公司——新星公司作为清洁能源专业公司的发展定位。

  梳理其地热发展的历程发现,中石化的模式主要有以下几个特点:在市场上实现由小到大逐步铺开,在利用上从单一供暖向多元产业链延伸,在业务性质上具有国家战略意义,在发展模式上成功打造成企地合作新模式等。

  在与陕西咸阳、河北雄县等局部区域合作开发地热资源的基础上,新星公司形成了面向全国的市场新格局。目前中石化已经与5个省、19个市、34个县(区)签订了地热开发合作协议。开发区域已经扩展到北京、陕西、河北、河南、山东等14个省。与北京市地勘局、广东省地矿局等8家地矿单位以及国内地热领域多个研究院(所)签订了战略合作协议。

  在中石化内部,与胜利油田、中原油田、石家庄炼化、镇海炼化等也实现战略合作。可以说地热这个板块已经到了各个油田,有的是新星公司在运作,有的可以说是地方混合所有制。从内部上看,未来炼化企业在这方面潜能巨大。

  横向上从单一“地热能”向多种“热能”利用方向发展,进入油田、钢铁、炼化等余热和废热发电、供暖领域。纵向上延伸产业链,从供暖向发电、现代高效农业等产业方向发展。

  中石化地热科研实现了从公司单一业务型到担负国家地热产业实现跨越发展责任的转型,一方面国家地热中心落户中石化,另一方面中石化形成了地热创新技术体系。

  首先,组建国家地热中心。基于中石化为国内最大的地热产业企业以及多年的研究力量,国家把组建国家地热能源开发利用研究和技术推广落在了中石化的新星公司,即国家地热能中心。该中心可以看作是促进地热资源开发利用的技术研发孵化器和推广平台。未来这个中心开发形成一个平台五个系统构成的综合利用信息系统。平台包括技术、项目信息化效率监测等,成为国家地热产业发布的权威。

  其次,地热创新技术体系的建设。这一体系按照产、学、研一体化的思路,近几年,中石化主要建立了四大技术体系:地热勘探、地热开发、地热利用以及干热岩开发利用技术。

  在地热资源的实施开发过程中,中石化与保定市雄县政府合作,打造了地热资源开发政企合作的新模式,即“雄县模式”。这一模式在全国首例,雄县也成为国家第一个无烟城。这一模式经过6年的运营和建设,目前地热供暖能力381万平方米,城区基本实现了地热集中供热全覆盖。

  中国地热发展潜力与展望

  应对环境污染和气候变化带来的挑战,实现发展方式的转变,都迫切需要能源结构的调整,我国也将绿色发展提升到前所未有的高度。地热利用正面临历史性的发展机遇,地热的春天即将到来。

  根据国家能源局等四部委《关于促进地热能开发利用的指导意见》,到2015年,地热能源供热制冷面积将达到5亿平方米,地热发电装机容量争取达到10万千瓦,年利用量达到2000万吨标准煤,2020年,地热能开发利用量要达到5000万吨标准煤。

  而与2015年规划目标相比,我国目前地热利用还有很大差距,地热利用潜力巨大。

  从国家宏观规划来看地热开发的前景也是乐观的。以我国城镇化建设为例,我国城镇的建设面积超过500亿平方米,供暖/制冷需求超过100亿平方米,目前使用地热供暖制冷仅为约4亿平方、地热发电装机容量仅为2.78千瓦,未来市场空间可观。

  当前我国地热产业,形成了以中石化这样的大型企业为主导的市场格局,开发的优势条件明朗。从其自身发展思路来看,中石化组建了新星公司作为专业化新能源公司,形成以地热能品牌建设为导向,以海外工程服务为支撑,以中国石化整体上中下游优势为依托,推进太阳能、生物质能等新能源集成开发,打造地热和新能源集成应用的产业链。

  此外,中石化还将开展“地热+余热+分布式光伏”的新型能源站建设,探索多种新能源优化组合以及与常规能源相互协调的综合利用模式。

  从外部有利环境上看,中石化可以依托国家电网规划,实现开发三北地区新能源。比如国家电网公司根据国家能源规划要求,2015年已近开工建设锡盟-南京、张北-南昌、蒙西-长沙特高压电网,正规划蒙西-天津南、榆横-潍坊等特高压输电线路。依托这些资源优势,新星开发新疆、内蒙古、宁夏等地区太阳能、风能产业,开展风光互补。

  (本刊记者 徐沛宇 实习记者 刘娟根据中国工程院院士曹耀峰内部发言整理)