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郑克棪主任谈中国地热发展目标

发布时间:2018-05-15
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       全国都在为“十三五”规划作准备。作为可再生能源之一的地热能,在当前进行的中国工程院重点咨询研究项目《我国地热资源开发利用战略研究》中,国内地热专家已讨论多次,并基本构建了中国地热能科学开发利用至2050年的路线图。“十三五”地热规划是该路线图中的近期目标,本文剖析“十三五”的地热能发展目标,以地热发电为主,也涉及地热能的热利用。
       世界地热电力已被风电和太阳能电超越
       比较世界可再生能源的发展历程,我们可以看到:当初世界地热发电的装机容量和年发电量远在风力发电和太阳能发电之上。1904年意大利首创地热发电试验成功,点亮了几只灯泡;至1913年建成世界第一个商业性地热电站,装机容量250千瓦,这也是非水可再生能源的世界第一个商业性电站。1958年以后,新西兰、美国等国家陆续加入地热发电行列;20世纪60年代及往后,世界地热发电有较大增长。世界地热发电装机容量在1970年、1980年和1990年已分别达到72万千瓦、211万千瓦和583.4万千瓦,都远大于当时的风力发电和太阳能发电。
       地热发电的优越性表现为可再生能源中最大的利用系数( CapacityFactor ),世界能源理事会( WEC )统计了世界各种可再生能源的总装机容量和年生产电量,从而计算了各自的利用系数,地热发电的利用系数最高是0.73,它平均一年工作6400小时以上;其他的生物质发电为0.52,水力发电为0.42,潮汐发电是0.23,而风电和太阳能发电分别为0.21和0.14( Fridleifsson,2008 )。这也就是说,风电只有21%的时间(年约1800多小时)、太阳能电只有14%的时间(年约1200多小时)可以工作。所以,在同样的装机容量下,地热年发电量是风电的3.5倍,是太阳能电的5倍。
       20世纪90年代,风力发电和太阳能发电得到各国政府优惠政策的大力扶持,呈现指数式增长。它们先以装机容量超过了地热发电,但这时由于它们偏低的利用系数,使其年发电量还未超过地热发电。再后来,风力发电和太阳能发电的更大发展,终于使风电和太阳能发电的年发电量也超过了地热发电。其中,世界风力发电量在2006年超越了地热发电量;世界太阳能发电量在2012年也超越了地热发电量。
       地热发电既有那么大的优越性,怎么会让风电和太阳能发电超越了呢?除了优惠政策扶持力度的差异,那就是风力和太阳能资源都在地面,较易操作,而地热资源深藏在地下,需要专业勘探查明地热资源通常就要几年时间,操作程序较为复杂,含一定的风险。
       中国丢失三十年地热发电研究
       1970年12月广东省丰顺县邓屋村利用92摄氏度地下热水试验发电成功,这使中国成为世界上第8个利用地热发电的国家,那里于1978年更新成了300千瓦的机组。上世纪70年代我国还建设了河北怀来县后郝窑、江西宜春县温汤、湖南宁乡县灰汤、山东招远县汤东泉、辽宁盖县熊岳、广西象州市热水村,共7处中低温地热试验电站,单机容量50~300千瓦,总装机容量1550千瓦。其中1971年江西省宜春利用67摄氏度地热水试验发电成功,虽然装机容量只有50千瓦,但它是世界迄今最低温度的地热发电。当时的中国水平不见得比世界低多少,但我们没有巩固和发展这些成绩,反而在运行几年后陆续关停了,仅丰顺的更新机组被当地老乡留下,并使用至今。
       那些关停中低温地热发电机组的原因,当时结论是:“技术可行,但经济不合算”。另外,中国地热界此后还有一种观点,认为中国就应该发展地热直接利用的长处,不必去发展地热发电的短处。就这样,中国放弃了地热发电的研究。实际上,上世纪70年代的国外中低温地热发电也在类似水平上发展,然而,国外的理念是:正因为当下成本高、效率低,所以才需要继续研究,以求降低成本,提高效率。他们几十年不断研究改进,效益逐步提高,成本逐步降低,产品有了新销路,于是再生产,再研究改进,直至几十年后的现在他们成了世界领先,并还在进一步研究改进。相比之下,我们放弃了,停顿了,于是落后了。
       中国丢失了三十年地热发电的研究,那是输在了理念上,我们应该吸取经验教训。
地热发电有望崛起
       中国《可再生能源法》认定地热能是可再生能源之一,但迄今地热能的实际发展和社会认知度在可再生能源中只是小弟弟角色。
       胡锦涛同志在2012年11月8日中国共产党第十八次全国代表大会的报告中提出了“推动能源生产和消费革命,控制能源消费总量,加强节能降耗,支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展,确保国家能源安全”。
       今年6月13日中共中央总书记、国家主席、中央军委主席、中央财经领导小组组长习近平同志主持召开中央财经领导小组第六次会议,研究我国能源安全战略。习近平发表重要讲话强调,能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题,对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势,保障国家能源安全,必须推动能源生产和消费革命。习总书记在会上提出了推动能源消费革命、推动能源供给革命、推动能源技术革命、推动能源体制革命和全方位加强国际合作5点要求。
       面临这样的形势,中国工程院设立了《推动能源生产和消费革命战略研究》重大项目,最近的研究报告阐述了:综合世界能源发展方向和我国能源生产革命的基础,我国能源生产革命的方向是“能源资源保障多元化和安全化、能源生产绿色化和高效化、能源系统信息化和智能化以及全国能源资源的优化配置”,并提出推动中国能源生产革命的“三大战役”是倍增油气、绿色煤炭和“半壁江山”的非化石能源。
       至此,我们可以清楚地明了:应该在中国能源革命中来看待地热能,在致力于改变以煤为主的传统能源格局、转向多元化供给模式中来讨论地热开发。
西藏羊八井地热电厂基本上是中国地热发电的一枝独秀,其第一台1000千瓦试验机组于1977年投产发电,接着增加了8台3000千瓦机组(含1台联合国援助3180千瓦日本机组),至1991年完成总装机容量2.418万千瓦(1000千瓦试验机组退役)。电厂至今仍正常运行,现年发电量1.4亿千瓦时,累计发电已超过30亿千瓦时。
       此后,1985年曾在西藏朗久建成2000千瓦地热发电机组,但因资源不足,仅间断发电;1994年还在西藏那曲建成1000千瓦地热发电机组,但结垢问题严重。这两处都在上世纪90年代末停运了。
       2006年我国《可再生能源法》实施,曾经唤起一些开发商对地热发电投资的热情,但几经波折未能获得政府对地热发电如同风电和太阳能发电上网电价补贴的答复后,他们放弃了投资计划。或许是2009年的《可再生能源法》修订带来了些许松动,国电龙源在西藏羊八井投资的1000千瓦螺杆膨胀机地热发电成功运转,2010年又接着投资了第二个1000千瓦同型机组,为我国地热发电在长期停滞后迈出了第一步。
       2011年开始的我国“十二五”计划,地热工作者终于迎来了转机,国土资源部设立了《全国地热资源调查评价》项目,科技部也设立了《干热岩热能开发与综合利用关键技术研究》和《中低温地热发电关键技术研究与示范》2个863高新科技研究项目。国家的重视和支持再次唤起了我国地热工作者的热情,教授、研究员帮助华北油田建起了油井采油副产品废热水用双工质螺杆膨胀机400千瓦试验发电,民营企业江西华电电力有限责任公司继续利用其螺杆膨胀发电机在西藏羊易地热田以前的地热勘探井上试验了400千瓦(2011)和500千瓦(2012)发电,并开始投资承建羊易地热电厂计划的3.2万千瓦发电工程,其第一期1.6万千瓦工程正在钻地热生产井。
       2013年国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部发布的《关于促进地热能开发利用的指导意见》,既明确给予了地热发电上网电价等优惠政策,又给定了我国地热“十二五”的发展目标,其中地热发电的指标是10万千瓦。地热发电需要做好前期的资源准备工作,国土资源部当即指令中国地质调查局安排高温地热资源靶区的勘探任务,勘探队伍已经在西藏谷露等地开始勘查工作。
       “十三五”中国地热发展展望
       国土资源部明确了地热能的概念:按照埋藏深度,200米以浅的称为浅层地温能,200米至3000米的称为常规地热能,3000米至10000米的称为干热岩。常规地热能的高温部分和干热岩资源供地热发电利用,常规地热能的低温部分和浅层地温能用作供暖和其他热利用。
       中国的地热工作者在中国工程院重点咨询研究项目《我国地热资源开发利用战略研究》中研究制订了中国地热能科学开发利用路线图,设计了至2020年、2030年、2050年3个时间节点的发展目标。
       因地热资源蕴藏随地质构造条件的差异明显及勘探过程的耗时较长,常规地热能的开发利用不可能像风能和太阳能那样出现指数式增长;浅层地温能虽赋存条件简单,也只能是速度稍快的算术增长;仅有一点例外是干热岩,它受地域分布影响小,一旦深部压裂等关键技术过关,就能出现几何级增长了,但估计那需要从现在起的持续努力、直至2030年前后完全成熟才可转机,2020年正在关键过程中,不可缺少,但还达不到转机。鉴于此,“十三五”的中国地热发展展望可概略描述于下。
       ( 一 )地热发电只有略快增长
       国土资源部现已开始加强高温地热资源勘探任务,积极为“十三五”和今后的地热发电做准备,但这需进行地质调查、地球化学和地球物理勘查,然后在选定的位置钻勘探孔,钻井完钻后要做产能测试,这些实施过程需要一定时间;科技部“十二五”《中低温地热发电关键技术研究与示范》项目的成果可供利用,但还达不到产业规模。因此预计至2020年可达“十二五”完成5万千瓦的3倍,实现15万千瓦。
       ( 二 )常规地热能稳步增长
       我国中低温地热资源直接利用的热能近20年来保持世界第一位,这包括地热供暖、温室种植与水产养殖、温泉洗浴医疗等利用。市场经济下,开发商利用温泉休闲旅游度假的开发而得到稳步发展,年增长速度在10%。另外,近年来国家提倡合同能源管理和奖励节煤的政策,促进地热供暖得到规模化发展,年增长率15%。这样,我国常规地热能的热利用总体保持10%年增长率,这样的速度还能保持,所以按10%的年增长,预计从“十二五”末的600万千瓦热量可增至2020年的1000万千瓦热量。
       ( 三 )浅层地温能稳健增长
       利用地源热泵技术开发浅层地温能用于建筑供暖,国际上是近30年风行起来的新技术,被称为节能和减排效率最高的单项技术。其从上世纪90年代引进国内,1995年在北京做成了第一个工程,随之国内研发生产热泵主机设备,于是得到更快发展。尤其2006年以来获得一系列国家和地方政策的支持,从而突飞猛进,2010年已夺取了世界第二的成绩,现在正向美国的世界第一位置冲击,已接近、也许已经实现目标。2007~2010年间是我国地源热泵工程应用发展最快的时期,年累进增长率超过40%;然后在稍做调整后,继续快速发展,2010年以来的平均年累进增长率仍高达27%,远高于世界同期平均的18%增速。2013年我国地源热泵工程应用面积已达3亿平方米(这里扣除了国际上不予统计的工厂余热和城市污水的热泵利用,住建部公布的热泵总应用为4亿平方米)。“十三五”的中国地源热泵应用计划达到8亿平方米,5年间增加4亿平方米,相当于平均年累进增长率16%,等于世界同期平均水平,这是不难完成的目标。
       ( 四 )干热岩突破技术关键
       利用EGS(增强地热系统)技术开发干热岩地热资源是前瞻性的世界前沿技术,常规的高温地热资源受地质条件制约分布有限,而干热岩可基本不受地域影响,它设计相距数百米钻两个4000米(或更深)的深井,用“压裂”技术在两井之间造出连通的人工裂隙,然后从一井注入凉水,另一井中就能产出高温蒸汽和热水,供地热发电和余热利用。世界上目前仅有8个发达国家实践过EGS,自2011年以来法国、德国、澳大利亚和美国已相继实现千千瓦级EGS电站商业运行试点,EGS破解常规高温地热资源的局限,美国称之为21世纪地热能的未来,将在2050年在美国完成1亿千瓦装机容量。中国设计了15%的美国指标,至2050年实现1500万千瓦干热岩EGS发电。“十三五”我们处在EGS关键研究的进程中,2020年需要突破千千瓦级发电,从而可保障后续的加速发展得以跟进和实现。
       ( 五 )2050年实现1亿吨标准煤目标
       中国地热能虽是可再生能源中的小弟弟,中国地热界愿为中国的能源革命积极贡献,最近研究制订了中国地热能科学开发利用路线图的目标是2050年实现1亿吨标准煤当量的替代目标,在此之前,我们将努力争取做得更快、更好。
 
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