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张立宽:未来地热会有一个井喷式发展

发布时间:2018-05-15
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       这几天,北方地区的供暖季将陆续结束,回想起这个供暖季真可谓跌宕起伏、一波三折。由于北京周边一些地区大面积集中“煤改气”造成天然气供应短缺,部分地区出现供暖不到位不达标、群众挨冷受冻情况。去年12月,国家发改委等10部委印发未来五年北方地区冬季清洁取暖规划。按照规划,到2021年北方地区清洁取暖率达到70%,基本实现雾霾严重城市化地区的散煤供暖清洁化。同时,对于位于京津冀大气污染传输通道的“2+26”重点城市的标准更加严格,到2019年“2+26”重点城市城区清洁取暖率要达到90%以上。目前,通过电、气、清洁燃煤,以及可再生能源供暖等方式,北方地区清洁取暖比例达到34%,但总体比例仍然较低,而且发展缓慢。
       按照习近平总书记指出的企业为主、政府推动、居民可承受的方针,宜气则气,宜电则电,尽可能利用清洁能源,加快提高清洁供暖比重的指示精神,清洁取暖绝不是简单的“一刀切”式的“煤改电、煤改气”,而是对煤炭、天然气、电、可再生能源等多能源形式统筹谋划,综合利用。因此,笔者认为地热是北方地区清洁取暖的有效补充。
       地热是一种清洁可再生能源
       地热是来自地球内部核裂变产生的一种能量资源。地球是一个庞大的热库,蕴藏着巨大的热能,这种热量渗出地表,于是就有了地热。地热能是一种清洁能源,是可再生能源,其开发前景十分广阔。
       依据地热资源的埋深及存在形式可分为浅层地热资源、水热型地热资源和干热岩地热资源。浅层地热能即地下200米以浅,储存在岩石、土壤中或地下水里的热能。它是地球内部的热和太阳辐射的热两相平衡的结果,在这个范围内,温度基本是恒定的,既可供暖,也可制冷。水热型地热资源是以蒸气为主的地热资源和以液态水为主的地热资源的统称,根据其温度可分为高温(>150度)、中温(90-150度)低温<90度三种类型。热干岩型地热资源是蕴藏在热干岩体中的地热资源,储热岩体中不存在热水和蒸气,埋深3000米以上。其温度可达到数百摄氏度,但是由于地表缺乏大气降水,或者因为其本身的透水能力太差,不能形成水热型地热资源,而岩体所蕴藏的大量热能目前还难以直接利用。
       我国地热资源十分丰富,地热资源总量占世界的7.9%,可采储量相当于4626.5亿吨标准煤。据国土资源部中国地质调查局统计,截至目前,我国337个主要城市浅层地热能可开采资源量折合标准煤7亿吨,相当于全国用于供暖制冷总能源消耗的60%以上;可实现建筑物供暖制冷面积320亿平方米,相当于现状总面积的2倍以上。根据中国地质调查局地热资源调查评价成果,截至2015年底,我国年利用浅层地热能对建筑物供暖制冷面积为3.92亿平方米,其中京津冀8500万平方米,约占全国的20%,是我国浅层地热能开发程度最高、用于建筑物供暖制冷规模最大的地区。
       国家对地热取暖开发高度重视。早在1997年,科技部与美国能源部签署的《中美能效与可再生能源合作议定书》中,其主要内容之一就是“地源热泵”技术的合作;2006年,建设部就颁布了《地源热泵系统工程技术规范国家标准》,作为新型高效、可再生能源技术的水源热泵技术被列入目录;2013年初,国家能源局、财政部、国土资源部和住建部《关于促进地热能开发利用的指导意见》出台,提出到2020年,地热能开发利用量达到5000万吨标准煤,将形成完善的地热能开发利用技术和产业体系。2017年初,国家发改委、能源局、国土资源部等部门联合印发了《地热能开发利用“十三五”规划》,要求在“十三五”时期,新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米,其中新增浅层地热能供暖(制冷)面积7亿平方米。该规划显示,“十三五”期间,浅层地热能供暖(制冷)可拉动投资约1400亿元。
       今年1月8日,国家发展改革委、国土资源部、环境保护部、住房城乡建设部、水利部、国家能源局联合发布《关于加快浅层地热能开发利用促进北方采暖地区燃煤减量替代的通知》 ,要求对地热资源因地制宜开发利用,对现有非清洁燃煤供暖适宜用浅层地热能替代的,应尽快完成替代;对集中供暖无法覆盖的城乡结合部等区域,在适宜发展浅层地热能供暖的情况下,积极发展浅层地热能供暖。要根据供热资源禀赋,因地制宜选取浅层地热能开发利用方式。同时要求创新开发利用模式,在浅层地热能开发利用领域大力推广采取合同能源管理模式,鼓励将浅层地热能开发利用项目整体打包,采取建设-运营-维护一体化的合同能源管理模式,系统运营维护交由专业化的合同能源服务公司。
       地热取暖(制冷)技术已经成熟
       地热资源的开发利用主要是发电和直接利用两种模式。高温地热资源主要用于发电,比如西藏羊八井地热电站。中低温地热以直接利用为主,对于25度以下浅层地热,可利用热泵进行供暖和制冷,目前浅层和水热型地热能供暖(制冷)技术已基本成熟。
       浅层地热能属于低品位热源,应用主要使用热泵技术,需要结合热泵系统为建筑物供暖制冷。按所取能源对象可以分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地埋管地源热泵理论上适合任意地质条件,地下为闭式换热系统,不会对地区地下水造成影响,是今后地源热泵发展的重点;地下水源热泵简便易行、造价低,水井占地面积小,但受水文地质条件影响较大,只适宜在地下水较为丰富、稳定、回灌条件较好的区域;地表水热泵系统投资较低,缺点是地表水源容易受自然条件影响,影响系统负荷的因素较多,容易造成不稳定。因此,开发浅层地热资源必须考虑赋存条件、负荷范围,因地制宜地选择不同的热泵利用方式。深层水热型地热资源取暖主要依靠抽取地热水,并提取其储存的热能为建筑物供暖。如果提取的地热水出水温度合适,可以直接用于供暖;如果温度过高,可以结合水泵梯级利用,降低地热尾水温度,提高地热综合利用率。
       地热资源开发技术层面已经十分简单。对于浅层地热要求地埋管孔数与布局方案合理,使得地埋管地源热泵系统在运行一整个供冷供暖季后,能够维持平衡;另外,钻进埋管技术要十分成熟,在施工过程中防止对周边区域地下水资源造成污染。对于深层地热供暖技术要求,一是要加强地热尾水回灌技术,这对于地热资源保护、减少资源浪费、延长生产井寿命、防止环境污染具有关键作用,要做到取热后的地热尾水百分之百进行回灌,只取热不取水;二是关于地热井钻技术,要针对不同深度、地层、岩性和不同热储类型优化设计井深结构,提高地热井使用寿命。
       多年来,我国中低温地热利用始终走在世界前列,连续20多年总量排名世界第一。特别是2004年后年增长率超过30%,应用范围扩展至全国,其中80%集中在华北和东北南部,包括北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等地区。
       地热取暖要实现有序开发、合理利用、科学管理
       随着地热利用技术的逐步提高,相比煤炭等不可再生能源,地热能开发具有一定的成本优势。目前,随着我国多年的产业发展和技术攻关,通过地源热泵技术的浅层地热能应用已经突破了成本瓶颈。北京城市副中心、北京新机场以及雄安新区建设都在规模化使用浅层地热能资源。
       据专家介绍,北京地下的温度大概在14至16度。冬天把这部分通过热泵机组、压缩机提升,变成高品位热能供室内供暖,夏天再把室外的热放到地下,从地下换出凉来,为室内降温。笔者曾参观过国内最大多热能综合利用项目——北京国际鲜花港,它是北京2009年主办第七届中国花卉博览会的主要工程,是现今国内唯一大规模使用地热综合技术解决现代农业设施采暖的大型工程项目。它采用地热、水源热泵、地源热泵为主,燃气锅炉为辅的综合能源设计,实现了多能互补、优化利用、降低费用的目的。北京市海淀区北清路一产业园采用这种技术,相比于传统的煤电,全年供暖制冷成本节省一半,其供暖制冷一平方米在16-17元,而北京集中供暖大概是一平方米27-28元,天然气供暖则达到36元,因此此项技术具有很好的经济性。
       过去北方农村地区取暖大部分都是采用散煤燃烧形式,造成严重污染和浓重雾霾,而且经济性差、供暖效果不佳。北京市门头沟龙泉镇龙泉雾村三面环水、一面临山,在2016年“煤改电”无煤化改造时,选用地源热泵中标企业——恒有源地能热宝系统为百姓冬季供暖、夏季制冷和提供日常生活热水,实现了能源的清洁高效利用。该村1477户总计4000多人,整村采用单井循环换热地能热宝系统,年替代标煤1万吨,减少二氧化硫排放169吨、氮氧化物排放123吨,荣获“北京市2017年节能低碳技术产品示范案例”。
       当然,开发地热取暖要照顾到环境和资源条件,前期需要进行地热资源勘察,并对项目地热供暖的适宜性和经济性进行评估。根据勘察结果,制定合理的开发利用规划,确定适宜的开发利用模式,做到有序开发、合理利用、科学管理,提高地热利用效率。对于浅层地热,如果使用地埋管热泵系统,则需要考虑区域地层可钻性和土壤换热能力,评估地热供暖的经济性;对于深层地热,则必须确定项目区存在水量、温度是否合适,是否具有深层地热资源开发的经济性,也可以采用系统的最优化设计,即结合项目所在区域资源条件、负荷特点,综合考虑经济、安全等诸多因素,制定几种能源相结合即多能互补的复合式能源利用系统,利用大数据云计算技术,制定多层级、模块化供用一体化解决方案,满足供暖(制冷)需要,实现经济效益和社会效益的最大化。比如,可以采用地热资源供暖负责基础负荷、常规能源供暖负责短期尖峰负荷的复合式多能互补能源系统,实现优质地热资源和常规能源在运行出力上合理结合,实现能源稳定的供应性和经济合理性;同时,还要做好城市地下空间及资源的利用,这需要多部门间的协同合作以及监测体系的建立。
       总之,正如《关于加快浅层地热能开发利用、促进北方采暖地区燃煤减量替代的通知》指出的那样,按照“企业为主、政府推动、居民可承受”方针,鼓励相关地区创新投融资模式、供热体制和供热运营模式,进一步放开城镇供暖行业的市场准入;大力推广政府和社会资本合作(PPP)模式,积极支持社会资本参与浅层地热能开发;鼓励投资主体发行绿色债券实施浅层地热能开发利用;鼓励金融机构、融资租赁企业创新金融产品和融资模式支持浅层地热能开发利用;统筹运用相关政策,支持和规范浅层地热能开发利用,提升居民供暖清洁化水平,改善空气环境质量。笔者乐见,作为北方地区清洁取暖的有效补充,未来我国地热能利用一定会出现一个井喷式发展。
 
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