2021年08月11日 星期三
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清洁能源中的这匹“黑马”

——谈谈地热的优点、开发及其在服务低碳绿色发展中的作用

2021-8-10 8:12:33 来源:中国矿业报 作者:李胜涛 王君照 张秋霞 冯昭龙

全球变暖已成为关乎人类生存的重大环境问题,而二氧化碳的大量排放(即碳排放)是引发全球变暖的元凶之一。究其根本,煤炭、石油、天然气等化石能源的使用是造成二氧化碳大量排放的主要原因。2019年,全球二氧化碳总排放量高达401亿吨,其中86%来自化石能源利用。减少化石能源使用比例,降低二氧化碳排放量、实现低碳绿色发展,已成为全球各国共同的奋斗目标,关系到全人类的共同命运。

实现二氧化碳减排的关键是加强太阳能、水能、风能、地热、核能、氢能等清洁能源开发、替代化石能源使用比例。在众多清洁能源家族中,地热被寄予厚望。2021年3月12日发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(简称十四五规划纲要)明确提出,“推进能源革命,建设清洁低碳、安全高效的能源体系,提高能源供给保障能力……因地制宜开发利用地热能”。

为了落实十四五规划纲要,2021年4月国家能源局发布的《关于促进地热能开发利用的若干意见》指出,计划到2025年全国地热能供暖(制冷)面积比2020年增加50%,在资源条件好的地区建设一批地热能发电示范项目,到2035年地热能供暖(制冷)面积比2025年翻一番。2021年5月,住房和城乡建设部等15部委联合发布了《关于加强县城绿色低碳建设的意见》,要求各地大力发展适应当地资源禀赋和需求的可再生能源,因地制宜开发利用地热能、生物质能、空气源和水源热泵等,推动区域清洁供暖和北方县城清洁取暖。标志着地热开发由以往的大中城市为主向中小城市普及。

在碳达峰、碳中和目标下,作为能源新秀的地热,俨然成为能源领域的一匹黑马。那么,什么是地热、地热有哪些优点、如何开发地热呢?

一、什么是地热

地热,又称地热资源、地热能,是储存在地球内部、能够被人类所利用的热量。目前,可利用的地热资源主要包括:天然出露的温泉、通过热泵技术开采利用的浅层地热能、通过人工钻井直接开采利用的地热流体以及干热岩体中的热量。

地热资源主要包括三种类型:浅层地热能、水热型地热资源和干热岩。

浅层地热能是指温度在25摄氏度以下,蕴藏在200米以浅地表浅层土壤、岩石、水源中的可再生能源,通常采用地埋管、地源热泵或水源热泵等技术开发,用于供暖或制冷。我国浅层地热能开发规模高于全球首位。

水热型地热资源在地热资源家族中最为典型,一般指温度在25摄氏度以上,以液态水和蒸气为主的地热资源的统称,主要表现形式为天然出露的温泉、气泉和埋藏在地下200米以深的流体。天然出露的水热型资源可直接开发利用,埋藏在地下的地热流体可通过人工钻井的方式进行开发。其中,根据温度可以进一步分为高温(大于150摄氏度)、中温(90摄氏度~150摄氏度)和低温(小于90摄氏度)三类。

干热岩是新兴地热资源,一般温度大于180摄氏度,是埋藏在地下数千米、不含流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体。2017年,我国科学家在青海共和盆地3705米深处钻获236摄氏度的高温干热岩。

二、地热资源的优点

地热资源被寄予厚望得益于其独有的鲜明优势。

一是分布广泛、资源量大。地球是个巨大的热库,地球内部的放射性元素不断地进行着热核反应,具有非常高的温度,地球中心温度高达6000摄氏度,高温热量透过厚厚的地层,时时刻刻向太空释放,地热能约为全球煤热能的1.7亿倍,是当前全球一次能源年度消费总量的200万倍以上,可谓取之不尽用之不竭。据初步评价,我国336个地级以上城市浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨,可满足约300亿平方米建筑物供暖需要;估算全国水热型地热资源年可开采量折合标准煤18.84亿吨,中高温发电潜力996万千瓦,年发电量可达800万千瓦时;全国干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨,是未来煤和石油等化石能源枯竭后最具潜力的战略接替能源。

二是低碳环保、安全优质。地热是一种全天候、可再生、绿色清洁资源,开发利用安全稳定,受昼夜更替、季节交换与气候变化等因素影响远小于其它资源,可以连续不间断工作,一年工作8000多个小时,且保持较高的效率。一般而言,地热能源利用系数在70%以上,甚至90%以上,约为太阳能、风能、生物质能等能源利用系数的两倍。与此同时,地热开发成本远远低于太阳能、风能和煤电等,原因在于地热能源开发虽然早期投资高,但无燃料费用,运行费用极低。且占地少,土地使用成本具有明显优势,单位装机容量占地较太阳能、风能、核能等至少低一个数量级。更值得一提的是,地热开发环境友好,开发过程中几乎没有三废和危险品排放,如能实行合理回灌,可基本做到零排放;二氧化碳减排优势明显,热泵供暖二氧化碳排放仅为传统锅炉的一半,高温地热发电每度电二氧化碳排放量仅为120克,若开发所需电力来自绿色能源,则二氧化碳减排量可达100%。

三是用途广泛,产业带动能力强。人类利用天然温泉已有几千年的历史,但真正规模化利用始于20世纪初。1904年,意大利在拉德瑞罗首次利用地热实现发电,标志着地热资源利用方式的革命性转变。截至2020年,全球开发地热资源的国家已达到88个,地热被广泛应用到发电、供暖、制冷、洗浴、温室种植、水产养殖、工业烘干、农业干燥、融雪冷却等方面。美国地热能发电装机容量多年位居世界第一,冰岛利用地热解决了全国90%的建筑供暖。我国地热利用已基本形成以西藏羊八井为代表的地热发电、以天津和西安为代表的地热供暖、以东南沿海为代表的疗养与旅游和以华北平原为代表的种植和养殖的开发利用格局。截至2020年底,我国约实现地热能供暖面积14亿平方米。因用途广泛,地热具有较高的综合利用价值,通过梯级利用可以实现发电、供暖、洗浴、疗养、养殖多种功能同时实现,可以同时带动工业、农业、旅游、医疗、服务业等多产业共同发展。

三、如何开发地热

典型地热开发流程主要包括理论预测、w88体育app勘查、地球物理勘查、地热钻探、热储试验、地热监测、资源评价、工程设计和工程开发等9个方面,各个方面层次递进。

(一)理论预测。理论预测是根据地球科学理论,分析判断地热资源存在的可能性,进而指导地热w88体育app勘查工作部署。

(二)w88体育app勘查。w88体育app勘查是对理论预测的一次佐证。通过对地表出露的温泉、火山喷发、喷泉等地热现象和w88体育app构造进行调查,查明地热发育的w88体育app条件,进而圈定重点部位,缩小勘查范围。

(三)地球物理勘查。地球物理勘查是对地球的一次听诊。同医学上类似,医生利用“望、闻、问、切”以及现代化的检测手段探明病人的病灶,地热科学家利用地表观测到的现象结合重磁电震方法等高科技的勘探手段,查明地球的内部结构,发现地热资源藏在哪里。

(四)地热钻探。地热钻探是理论预测、地热勘查、地球物理勘查的一次求证。通过深部钻探技术,直达地球深部,查明深部w88体育app条件,验证地热资源是否存在,获得深部地热信息。

(五)热储试验。热储是指埋藏于地下、具有有效空隙和渗透性的地层、岩体或构造带,其中储存的地热流体可供开发利用。热储试验是对地热条件的一次全面体检。通过开采、回灌、放喷等方式,辅以测试手段,全面检测地热系统温度、压力、流体开发潜力和质量,获取热储各项参数,分析地热资源可利用性。

(六)地热监测。地热资源可持续开发离不开长期监测、监管。通过人工或自动化监测手段,掌握热储温度、压力、水化学特征等在天然或人工干预情况下的动态变化规律,进而制定科学开发策略,确保地热资源永续开发。

(七)资源评价。资源评价是对地热资源、流体数量、质量可利用性的一次科学评估。综合分析勘查、钻探、试验、监测数据,评价地热资源总量、可开发资源量、地热流体质量以及地热开发对w88体育app环境的影响,是整个地热开发流程从勘查阶段转入开发阶段的关键节点。

(八)工程设计。科学的工程设计是地热由资源转变成能源的一剂良方。通过工程设计,制定地热开发方案,包括开发方式、工艺流程、工程布局、设备选型、机电安装、水电供应、保护工程等,指导地热资源科学开发。

(九)工程开发。工程开发让梦想照进现实,从工程蓝图变成实际工程,使地热资源真正被人类所用,并造福人类。

始于20世纪初期的地热资源规模化开发利用在人类发展史上创造了一个又一个奇迹。地热的极致利用改变了冰岛能源结构,让冰岛从20世纪初欧洲最落后、最脏的国家之一发展成当今世界最发达、最干净的国家之一,让世界看到了实现可持续、低碳排放未来的可能性。

十三五期间,我国京津冀地区地热开发领跑全国,2019年北京大兴国际机场、北京城市副中心先后成为全球地热开发利用的标志性工程;2020年天津利用水热型地热资源累计解决了全市3500万平方米建筑的冬季清洁供暖,成为中国地热集中供暖规模最大的城市;2020年河北雄县利用地热资源解决了县城95%的建筑清洁供暖,建成全国第一个无烟城……

当前,我国正迈向建设现代化国家新征程,新发展阶段、新发展理念、新发展格局成为新常态,双碳目标将深刻影响我国能源结构和生产生活方式,绿色低碳发展“未来已来”。可以预见,地热将成为我国能源革命和绿色低碳发展中举足轻重的重要力量!

(作者单位:中国w88体育app调查局水文w88体育app环境w88体育app调查中心)

网站编辑:宫莉