郭旭升院士:“雙碳”目標引領(lǐng)地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展

文章來源:中國科學報郭旭升2023-09-20 10:45

地熱是一種可再生能源,具有資源量大、能源利用效率高、節(jié)能減排效果好等諸多優(yōu)點,在能源變革背景下具有獨特的“先發(fā)優(yōu)勢”。
 
我國地熱能的現(xiàn)代利用(發(fā)電)起源于上世紀70年代。受資源分布、市場需求和經(jīng)濟效益制約,中國地熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展逐漸由發(fā)電向直接利用轉(zhuǎn)變,探索形成了以地熱供暖(制冷)為主的發(fā)展路徑,帶動中國地熱直接利用多年穩(wěn)居世界第一,為國際地熱發(fā)展提供了新思路。
 
當前,在“雙碳”目標引領(lǐng)下,我國地熱能利用正進入新一輪快速發(fā)展期。
 
地熱資源開發(fā)利用潛力巨大
 
我國地熱資源豐富,資源量約占全球地熱資源的六分之一,開發(fā)利用潛力巨大。地熱開發(fā)利用主要分為直接利用和地熱發(fā)電兩個方面,其中直接利用指溫泉、供暖制冷和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等非發(fā)電端的利用。
 
地熱資源按照埋藏深度分為淺層、中深層、干熱巖地熱能。淺層地熱能資源在我國非常豐富,按照資源品質(zhì)分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)四大類,其中資源利用條件較好的適宜區(qū)主要分布在我國東北地區(qū)南部、華北地區(qū)、江淮流域和四川盆地,主要用于建筑物供暖和制冷。根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局的評價結(jié)果,全國336個地級以上城市淺層地熱能年開可采量折合7億噸標準煤,可實現(xiàn)建筑物320億平方米的供暖、制冷。在農(nóng)村地區(qū)雖然尚未開展此方面系統(tǒng)評價,但預計資源可觀。
 
我國中深層(水熱型)地熱資源折合標準煤1.25萬億噸,每年可開采量折合標準煤18.65億噸。其中,高溫水熱型地熱資源集中分布于青藏高原及其周邊地區(qū),主要用于發(fā)電;東部地區(qū)目前正在開展深層高溫地熱勘探,無論是發(fā)電或直接利用可能都會有非常好的前景。中低溫水熱型地熱資源廣泛分布于中東部,包括華北、松遼等平原,以及東南沿海、膠遼等山地丘陵地區(qū)。這些地區(qū)人口密集、用熱需求旺盛,更適宜地熱能直接利用。
 
干熱巖一般指溫度大于180℃,埋在地下數(shù)千米處,內(nèi)部不含或僅含少量流體的高溫巖石。中國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示,中國陸區(qū)地下3—10千米范圍內(nèi)干熱巖型地熱資源量折合標準煤856萬億噸。
 
對于干熱巖型地熱資源,在目前技術(shù)經(jīng)濟條件下,青藏高原、東南沿海、松遼平原和華北平原被視為潛力區(qū)。近年來,我國在青海共和、河北唐山馬頭營、海南??诘鹊貐^(qū)開展了鉆探、壓裂和試驗性發(fā)電工作,取得了較好的進展。近日,中國石化在海南島部署了我國最新一口干熱巖科學探井福深熱1井。該井鉆探設(shè)計井深5000米,是中國目前最深的地熱探井,正處于鉆井過程中。
 
地熱能直接利用規(guī)模居世界第一
 
近年來,我國地熱能直接利用規(guī)模呈現(xiàn)加速增長的趨勢,2020年底總裝機容量達到40.61吉瓦,直接利用規(guī)模位居世界第一。其中,淺層地熱能利用折合裝機容量26.45吉瓦,占比65%,主要以地源、水源熱泵方式用于建筑物供暖或制冷使用。中深層地熱能利用折合裝機容量14.16吉瓦,占比35%,地熱供暖是其主要利用方式。
 
技術(shù)進步是推動我國地熱產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的主要原因。表現(xiàn)之一是,淺層地熱能利用技術(shù)不斷完善,實現(xiàn)了大型商業(yè)體規(guī)?;?。本世紀以來,淺層地熱供暖 (制冷)核心設(shè)備——熱泵類型從活塞式熱泵向螺桿式、離心式熱泵發(fā)展,能效比不斷提高。對于熱(冷)源的利用方式也拓展至地表水(江河湖水、海水、城市污水)、地下水、土壤、巖體等,從單一的制冷、供暖向冷暖雙供模式轉(zhuǎn)變,淺層地熱能利用已經(jīng)遍及各個氣候區(qū)。
 
截至目前,我國淺層地熱供暖(制冷)的面積已達到8.1億平方米,主要應用于東部平原地區(qū),以環(huán)渤海地區(qū)發(fā)展最好,其次為長江中下游平原。
 
北京大興國際機場是我國目前最大的地源熱泵系統(tǒng)工程,利用“淺層地熱能+多能融合”的方式為257萬平方米建筑提供供暖和制冷服務,年節(jié)約標準煤7.1萬噸,年減排二氧化碳17.7萬噸以上。
 
此外,中深層地熱勘探開發(fā)利用技術(shù)體系已初步形成,促進了供暖規(guī)??焖僭黾?。針對我國地熱資源成因復雜、開發(fā)工程難度大等問題,科研人員通過持續(xù)攻關(guān),在地熱系統(tǒng)形成機制、熱儲傳熱機理等兩個基礎(chǔ)理論方面取得實際進展,形成了地熱資源選區(qū)評價技術(shù)等四項非常有中國特色的核心技術(shù)。這些技術(shù)上的進步使得中深層供暖面積快速增長,供暖面積達到5.82億平方米,年節(jié)約標準煤1102萬噸,減排二氧化碳2743.98萬噸,在北方清潔供暖和大氣污染防治中發(fā)揮了重要作用。河北、河南、 山東、天津、陜西、山西等省份成為水熱型地熱供暖的主要區(qū)域,占全國70%以上。
 
2009年開始,在河北各級政府的支持下,中國石化在河北雄縣通過對河北雄縣地熱資源、地面用能需求開展系統(tǒng)評價的基礎(chǔ)上,協(xié)助政府編制了雄縣12.1平方公里地熱開發(fā)利用專項規(guī)劃,對雄縣地熱資源實施整體開發(fā)。目前項目已在雄縣建成供暖能力560萬平方米,實現(xiàn)城區(qū)95%以上的建筑采用地熱供暖。項目運行14年以來,地熱水水位、溫度保持穩(wěn)定,實現(xiàn)了可持續(xù)的開發(fā)。2021年,雄安地熱項目被聯(lián)合國列入國際可再生能源機構(gòu)全球推廣項目名錄。
 
同時,我們還積極探索地熱發(fā)電商業(yè)模式。高溫地熱發(fā)電目前已實現(xiàn)了商業(yè)化運行。作為中國最大的兩個地熱電站,西藏羊八井和羊易均已并入電網(wǎng)。羊八井地熱電站于1977年試驗發(fā)電成功,累計建成26兆瓦。羊易地熱電站于2011年試驗運行,2018年并入電網(wǎng),規(guī)模達16兆瓦。2018年1月,云南瑞麗1.2兆瓦的地熱發(fā)電試驗成功,同年10月河北獻縣實現(xiàn)地熱發(fā)電和供暖的梯級利用。
 
應做好三方面工作
 
國家高度重視地熱能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
 
2022年1月,習近平總書記在中共中央政治局第三十六次集體學習時強調(diào),要加快發(fā)展有規(guī)模有效益的風能、太陽能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能、氫能等新能源,統(tǒng)籌水電開發(fā)和生態(tài)保護,積極安全有序發(fā)展核電。
 
2022年6月,國家發(fā)展改革委等九部委聯(lián)合發(fā)布了《可再生能源“十四五”規(guī)劃》,提出積極推動地熱能規(guī)?;_發(fā)。積極推進中深層地熱能供暖制冷;全面推進淺層地熱能開發(fā);有序推動地熱能發(fā)電發(fā)展。
 
此前,國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委發(fā)布《關(guān)于促進地熱能開發(fā)利用的若干意見》,提出到2025年全國地熱能供暖(制冷)面積比2020年增加50%,在資源條件好的地區(qū)建設(shè)一批地熱能發(fā)電示范項目,全國地熱能發(fā)電裝機容量比2020年翻一番,為中國地熱能發(fā)展描繪了宏偉藍圖。
 
要實現(xiàn)上述目標需要做好三方面工作。
 
首先要進一步加大資源勘查力度,摸清資源家底。為此,建議加大地熱基礎(chǔ)性、公益性勘查投入,引入商業(yè)性地熱勘察,調(diào)動社會各界加大地熱資源勘查投入積極性,建立地熱勘查資料共享制度。
 
其次,要強化基礎(chǔ)研究,攻克關(guān)鍵技術(shù)。要向資源品質(zhì)更高、應用范圍更廣的深層地熱領(lǐng)域進軍,超前布局干熱巖理論研究及工程技術(shù)攻關(guān),突破勘探開發(fā)利用瓶頸。要進一步推進“地熱+油田余熱”“地熱+風光+氫能”“地熱+儲能”等多方式的多能耦合利用模式,構(gòu)建以地熱為基礎(chǔ)的智慧能源系統(tǒng)。
 
第三,地熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要積極融入城鄉(xiāng)規(guī)劃,推動產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。具體實踐中,要與城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、礦產(chǎn)資源規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護、地下水利用與保護規(guī)劃等相關(guān)專項規(guī)劃做好銜接,結(jié)合各地地熱品質(zhì)和用能需求,從供暖/制冷、發(fā)電、工農(nóng)業(yè)綜合利用、旅游康養(yǎng)、儲能等多方面入手統(tǒng)籌整體方案,促進地熱產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、效益化發(fā)展。
 
(作者系中國工程院院士、國家地熱能中心技術(shù)委員會主任,《中國科學報》記者計紅梅據(jù)其在2023年世界地熱大會上的報告整理)
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