地热开发重新进入中国视野

地热开发重新进入中国视野

发布日期:2014-07-18 来源:安徽省地质环境监测总站 【字体: 打印

地热开发重新进入中国视野

    地热开发重新进入中国视野

   继世界银行高调宣布不再为燃煤火电项目融资之后,近日欧洲投资银行也跟进,宣布将停止为燃煤发电项目提供融资,以帮助各成员国减少碳排放量。在环境污染的压力下,中国也决定限制煤炭生产的增长,大力开发清洁能源。今年2月,国家能源局、财政部、国土部和住建部联合下发《关于促进地热能开发利用的指导意见》,让仅次于太阳能的第二大清洁能源——“地热能”就像多年失宠的孩子,再次进入国人视野。那么,世界地热能开发的现状如何?我国能否走出一条可替代煤炭的地热清洁能源之路?
  
  早在上世纪70年代,在科学家李四光的号召下,中国利用地热发电曾取得了成功,但是以后没有持续下去,在过去二三十年里地热开发几乎陷入停滞。近年,国际上有关地热能的消息接连不断,日本,美国、英国、阿根廷、智利和秘鲁等南美国家以及肯尼亚等非洲国家,都纷纷加大了地热能的开发力度,并制定出各自的地热开发政策。福岛核泄漏事故发生后,日本的地热能投资增加了10倍,而美国更是进入了鼎盛发展时期。地热能究竟是一种怎样的能源呢?
  
  每年自然释放的地热能
  相当于全球耗电量5倍
  有时候,冷静地审视我们所在的这个美丽星球,可能会感觉很惊悚:人类脚下的地底深处,7000摄氏度的地核被层层融化的岩浆包围着,各种放射性元素如铀、钍等的同位素释放出的能量,数亿年来一直烘烤着岩石层,无数的热流从地表的裂缝中涌出,火山的烟尘让人胆战心惊……这种高温和热量上千年来使人类深深敬畏,更使今天寻找新能源的科学家们为之着迷,这就是——地热能。
  地球物理学界认为,地热能来自地球深处。往前追溯,这些热量起源于行星形成之初的残留(约占20%)和放射性元素的衰变(约占80%),热能从温度最高的地核传到地壳,将地壳中的地下水加热,热水和蒸汽渗出地面后释放能量,由此形成了从美国黄石公园到我国西藏羊八井等地壮观的地热喷涌奇观。有文献粗略估计,每年从地球内部传到地面的热能,相当于100拍瓦时(1拍瓦=1千万亿瓦特,即10的15次方瓦),折合100万亿度电,这个数字约是2010年全球耗电量18.466万亿度(美国能源信息署数据库提供)的5倍多,数量之大可见一斑。
  2008年,政府间气候变化专门委员会(IPCC)的一份资料称,地球内的总热量约合3亿亿亿度电,如此天文数字确实给人以用之不竭之感。请注意,从地质学的大时间段上看,地球正在极缓慢地损失热量,从这个意义上讲,地热能并非可再生能源。但由于地热资源总量巨大,人类开发利用地热能的行为与地热资源总量相比微不足道,并不能加速地球变冷的漫长过程,所以各国都把地热能归于可再生能源的范围。
  从2010年4月在印尼巴厘岛召开的世界地热大会发布的数据来看,全世界共有78个国家在利用地热能,27个国家利用其发电(10715兆瓦),美洲和亚洲分别占世界总装机量的39.9%和35.1%。下面这张表格列出了地热利用的世界十强,冰岛和萨尔瓦多的地热发电量高达本国用电量的1/4。

本表格根据国际能源署2010年5月发布的《国际地热能市场报告》和国际地热协会网站资料翻译整理,中国名列第18位。


  意大利人最早利用地热发电
  法国最早启用地热供暖系统
  地热能的利用主要分两种,其一是直接利用。这是人类最早采用的利用方式,如今仍在民间取暖、洗浴、医疗、农业温室、水产养殖等各方面广为应用。
  地热能的另一种主要利用方式就是发电。根据各地热田的差异,地热发电机的设计主要有三种。
  第一种设计最简单,高压蒸汽推动涡轮旋转后进入冷凝器凝结成水,回到地下;
  第二种设计,则是把高温水引到低压容器中解压,由于热水降压后蒸发的速度很快,同时热水蒸发产生蒸汽时它的体积迅速扩大,由此推动涡轮发电,这种发电系统常被称为“闪蒸法”;
  第三种设计特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源——地热水首先流经热交换器,将地热能传给另一种低沸点的工作流体(如异丁烷),使之沸腾而产生蒸汽,蒸汽进入汽轮机做功,地热水最后从热交换器回注入地层。
  综观人类利用地热的历史,我们可以发现,前人在利用地热能方面故事不少,最常见的就是泡温泉:
  公元43年,罗马军团占领了英格兰的苏利斯泉,借助当地丰富的温泉资源,罗马式浴室四处建起,远征的士兵们尽情地用这里的温泉濯洗征尘,祛除疲劳。苏利斯泉如今是英国的巴斯市(Bath),英语“bath”一词即是洗浴之意。
  9世纪,斯堪的纳维亚半岛的人们远渡重洋,来到冰岛西南角的一处温泉遍地的海岸,在这里定居下来,他们把这个水汽缭绕的落脚点称作雷克雅未克,当地语即“冒烟的海湾”之意。
  14世纪,最早的地热区域供暖系统在法国的绍德艾格启用。1827年,最早的地热商业开发出现在意大利的拉德瑞罗,人们从这里的间歇泉中提取硼砂产品。还是在拉德瑞罗,1904年意大利亲王皮埃罗·孔蒂试验了第一个地热发电机,点亮了4个灯泡,从此成为世界著名的地热电力生产基地。
  美国是地热利用的后起之秀,年轻的查理·列博在1930年发明了第一台地热井下换热器。20世纪60年代,加州盖瑟尔斯的地热电厂开始发电,美国从此一跃成为世界地热发电领域的领头羊。
  虽然每个人脚下深处都有地热能,但是从全球来看,这种巨大的能量的确更偏爱某些地区。美国地质调查局(USGS)网站发布的这张全球地热带示意图表明,地质板块活跃区域的地热活动也很活跃,前面所说的地热发电十强国,都处于图中的红色三角形图标连成的横线区域。下文将对各国的地热利用情况加以简要介绍。

中国地热能分布示意图 来源/中国科技网站

冰岛地热利用比例最高
  瑞士三成新建筑物用地热供暖

  说起欧洲的地热利用情况,多数读者可能会先想到冰岛。这个弹丸之地位于活跃的大西洋中脊上,连绵的水下山脉如同一条中枢一直延伸到大西洋中心,地壳在这里碰撞挤压,周而复始的循环过程使得冰岛的地质活动很活跃,2010年冰岛的埃亚菲亚德拉火山喷发,就迫使欧洲领空封闭。
  虽然冰岛很早就用地热供暖,而且有得天独厚的自然条件,但实际上冰岛在20世纪70年代以前却大量使用煤炭和石油,受到1973年能源危机的冲击,冰岛才走上了大规模利用地热的道路。经过30年的努力,2010年冰岛电能的26%来自地热发电(6个地热电站),73.8%来自水电,不足1%来自传统的化石燃料。被视为世界地热开发楷模的冰岛,目前85%的住宅都在利用地热来实现供暖。去年4月,时任中国总理温家宝到冰岛最大的地热电站——赫利舍迪地热电站考察时表示,将与冰岛加强合作,开发地热等清洁能源。
  欧洲地热资源另一个集中地是土耳其。2007年土耳其报纸载文称,土耳其的地热资源居世界第七。截至2010年,土耳其地热发电的装机容量为10万千瓦,开发潜力巨大。
  长期以来,德国是可再生能源的倡导国,除了开发深层地热能,德国经过多年的研发与实践,以地下水开采井、井下换热器以及换热桩等技术途径获得浅部地热能源,与电力和燃煤供暖系统相比,碳排放明显减少。在德国沃尔芬一个由71幢楼房组成的住宅区,是由与2个开采井和3个注水井相连的地下水热泵系统进行供暖的。这个供暖系统已经有效地运行了30多年。
  瑞士地热资源也很丰富,2011年瑞士地热协会的统计数据表明,瑞士约三成的新建筑物都采用了地热供暖,而在利用地下50米到300米处浅层地热的热泵利用率方面,瑞士更是居世界各国之首。
  苏联(俄罗斯)在地热开发方面的主要贡献,在于1967年首次论证了双循环发电系统的可行性,并在科拉半岛打出了深达12262米的深井。如今,俄罗斯只在东北部火山活动频繁的堪察加半岛穆特诺夫斯克山谷中建有3座地热发电站,总体而言,该国的地热资源潜力尚未得到大规模的深度开发,对地热更多的属于直接利用。

 

 

意大利拉德瑞罗热电厂远眺,这里因1904年人类首次利用地热发电而闻名。


  
  “补水保湿”技术
  帮美国地热田恢复青春
  从美国的阿拉斯加州、加利福尼亚州到墨西哥、智利一带,属于环太平洋地热带,世界著名的地热田如美国的盖瑟尔斯、墨西哥的普列托等就位于这里。作为世界地热技术的领跑国,美国开发地热能的技术和经验受到各国重视。
  美国是世界地热资源大国,但地理分布上极不均衡,8个州的地热能总量达到300万千瓦,其中又有80%出现在加州,美国国家可再生能源实验室的这两张图片,清楚地显示了美国地热分布的不均衡。
  著名的加州盖瑟尔斯地热田历经多年开发,可以看做美国地热资源利用的一个缩影。位于旧金山北部的盖瑟尔斯地热田位置浅,水分容易渗过破碎的地下岩层接触深层热量,如此开发条件堪称上帝的宠儿。19世纪这里的温泉就闻名遐迩,1924年这里开挖了第一口地热井。经过数十年开发,卡尔派恩公司在这里建了15个热电厂,打了586口地热井,平均井深2590米,平均每85天打一口井,2012年装机功率约为70万千瓦。虽然这里地热资源丰富而稳定,但盖瑟尔斯地热田从1989年起发电量突然减少了10%至24%,人们这才发现地热能量并非“取之不尽”的。
  原来,在经历了20世纪七八十年代的生产高峰期后,盖瑟尔斯地热田岩层中的水分没有得到及时补充,所以大大影响了蒸汽产出量。找到症结之后,地热田管理方1995年启动了盖瑟尔斯东南排水管道工程,从1997年开始通过数十公里长的管道,将莱克县的废水引过来灌入地热田深处,每天900万加仑(约34000吨)。2003年启动的圣罗莎回灌工程,每天可以通过管道向地热田灌入1100万加仑(约41600吨)处理过的废水。经过“补水保湿”,盖瑟尔斯地热田恢复了青春,发电量明显提升。
  从整个美洲大陆看,南美开发地热的脚步明显落后于中美洲和加勒比海国家。地震频繁的智利拥有全球最长的火山链和世界约10%的活火山,潜力极大,但开发严重滞后。智利地热能源协会负责人贡萨洛·萨尔加多曾无奈地说:“地质构造赋予了智利无与伦比的优势,但我们却白白浪费了这么多年。”
  美国地热能源协会(GEA)公布的数据显示,大部分中美洲国家都已启动了国内的地热开发,并取得了相当不错的成绩。例如,萨尔瓦多和哥斯达黎加的电力生产中分别有25%(20.4万千瓦)和12%(16.3万千瓦)来自地热,尼加拉瓜和危地马拉这样的小国也分别拥有8.7万千瓦和4.95万千瓦的地热装机容量。

赫利舍迪地热电站2011年装机容量30万千瓦,是冰岛最大的地热电站。

 澳大利亚地热能仅开发百分之一
  就够全国人口用两万多年
  大洋洲也处在环太平洋地热带上。在新西兰,最早的居民毛利人很早就会利用地热做饭、洗衣。19世纪,欧洲移民大量来新西兰后,很快发现用原始的热交换器就能取得适合于各种用途的干净热水。今天,地热已被新西兰广泛应用于家庭、医院、公共设施以及包括养猪、温室种植、造纸等产业。1958年开始发电的新西兰怀拉基热电厂世界闻名,全国目前有11个地热电站发电,2个在建,地热贡献了全国发电量的1/10。
  路透社在2008年的一则报道中说,如果澳大利亚可开发的地热能中仅开发1%,其电能就够该国用上26000年。但与如此巨大的潜力不相称的是,目前澳大利亚只有一座功率很小的地热电站(80千瓦),地点在伯兹维尔。澳大利亚为改变这一落后局面,制定了雄心勃勃的勘测项目和发展规划,对地热能源开发的投资也在不断增加,政府已经认识到,地热能的开发利用对于已在《京都议定书》上签字的澳大利亚非常重要。
  非洲地热资源集中于东北部。2010年联合国环境规划署的评估报告认为,包括莫桑比克在内的东非大裂谷周边国家有利用地热年发电400万千瓦的潜力,整个非洲大陆拥有的地热发电能力至少在年700万千瓦以上。
  在非洲,肯尼亚在开发地热能方面遥遥领先,目前已建了5个热电厂,到2010年具备了16.7万千瓦的装机容量。去年,肯尼亚为奥尔卡里亚地热发电第四期及一期扩建项目举行了开工典礼,这个地热电站年发电能力将于2014年达到43万千瓦,将是非洲最大的地热发电站。肯尼亚计划到2030年实现年地热发电能力500万千瓦的目标,对比目前全球地热发电量最大的美国(年地热发电能力300万千瓦),可谓雄心勃勃。

 

 新西兰怀拉基地热电站  


  中国已有2000多眼地热井
  地热发电站设备老化待更新
  欧亚板块与非洲、印度板块的碰撞边界,就是地中海、喜马拉雅地热带,东南亚是这一区域的热点。
  印尼境内有火山400多座,其中活火山100多座,地质活动频繁。1982年,印尼在爪哇岛卡莫章火山建造了第一座地热发电厂,如今有7座地热电站发电,西爪哇省的哇扬文度发电厂在全球地热电站发电能力排行榜上名列第三。但印尼的地热发电能力现阶段远远落后于菲律宾。据法新社报道,印尼共拥有250多处可供开发的地热区,而真正投入开发的只有7处,资金缺乏是印尼开发地热的一大障碍。
  菲律宾是世界第二大地热能源开发大国,7座地热电站以190万千瓦的发电能力提供了国内12%的电力。该国政府对可再生能源项目的大力支持和鼓励政策,大大促进了地热资源的开发利用,这些优惠政策包括赋税优惠期和免税政策。2011年,菲律宾对10处地热资源开发项目进行招标,这些合作总共将开发62万千瓦的地热能源。
  我国地热资源潜力接近全球的8%,但是我国的地热以中低温资源为主。国家科技部估算我国深度2000米以内的地热资源热能相当于2500万亿吨标准煤,初步可以开发其中的500亿吨。我国地热资源主要分三类:(1)高温对流型,主要分布在滇藏及台湾地区,可装机潜力600万千瓦;(2)中低温对流型,主要分布在东南沿海地区;(3)中低温传导型地热资源,主要埋藏在华北、松辽、苏北、四川、鄂尔多斯等大中型沉积盆地之中。目前中国经正式勘察并审批的地热田为103处,全国已打成地热井2000多眼。我国一度建有10余座地热发电站,总装机容量达2.8万千瓦,但由于设备老化等原因,现在发电能力已经降到2.4万千瓦,居世界地热发电量第18位。

2009年9月,智利艾尔-塔奇奥地区的一次钻探失败后,井口无法堵上,冲出的蒸汽柱高达60米。


  
  地热开发前期投入巨大
  应警惕引发地震
  很多读者会问,前面说了那么多地热资源的好处,为什么仍然感觉地热能距离自己如此遥远?这就要涉及能源开发利用的经济成本和技术风险了。
  的确,地热能储量大,且不像太阳能、风能那样不稳定,更不会受油价动荡的干扰,但是地热能的开发不会立刻产生红利,前期巨大的投入必须在运营好多年后才能得到补偿。单打井一项,风险就非常高。2009年的一份美国文献表明,在内华达州开挖典型的地热对井(4500千瓦左右),需要投资1000万美元,同时要做好挖到预定深度后地热能量不达标的可能性——这个概率约为20%,一旦运气不好,1000万美元就打水漂了,更不必说为此消耗掉的几十个金刚石钻头了。在2007年,有权威数据称,每1000千瓦的地热功率平均需要投资200万至500万欧元。
  如果直接利用地热供暖,系统小,挖浅井成本低,可行性高。但是在人口稠密地区的区域供暖系统仍然花费不菲——管线密集,投入大,德国巴伐利亚的区域供暖系统在这方面的投资达到了每1000千瓦100万欧元。正因为如此,有些国家从财政上对地热取暖项目进行补贴。
  风险还来自地下的震动——蒸汽排放和废水回灌会使断层或裂缝产生新的不稳定状态,从而引发地震。美国盖瑟尔斯地热田长期以来微震不断,为此热电厂建立了周密复杂的地震监控网络。2006年底至2007年初,瑞士巴塞尔市的地热项目在开工之后,引起数百次微型地震,因为施工地点就在市区,引起了公众的恐慌,最后项目被取消。
  最后,地热井排出的液体中还有二氧化碳、硫化氢、甲烷、氨气、汞、砷等成分,除了气味难闻,还可能加重温室效应和带来酸雨,其环境危害也是不容低估的。
  (本文在写作过程中,参考了国家科技部《中国地热能利用技术及应用宣传册》以及国际地热协会、盖瑟尔斯地热田、国际能源署、美国地质调查局、美国国家可再生能源实验室等网站的信息,在此说明并致谢。)

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