PDF《我国地热能开发利用现状与发展》

马伟斌1,2 龚宇烈1,2 赵黛青1,2** 徐琼辉1,2 秦汉时1,2 陈勇1,2

1 中国科学院广州能源研究所 广州

510640 2 中国科学院可再生能源重点实验室 广州

510640 摘要 我国地热资源相当丰富,应用潜力巨大,因此,大力发展地热能能够缓解能源供应紧 张局面,很大程度上解决因大量使用化石能源所造成严重的空气污染问题.

在我国,应根 据资源分布特点制定地热发展规划,在资源品质较好的地区发展地热发电,在有条件的地区 发展各种地热直接利用技术,采用综合梯级利用提高资源利用效率.今后开发利用地热能, 政府应加大对地热能利用的政策支持,鼓励企业加大资金投入;

同时开发商应做好规划和布 局,优选技术路线,使得地热能的利用由无序变有序,朝着更加科学合理的方向发展. 关键词 地热能,开发利用,现状,发展 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.006

1 开发利用地热能的战略意义 1.1 我国地热能资源及应用潜力 我国是一个地热资源相当丰富的国家,地热资源主要集中于构造活动带和大型沉积盆 地中,主要类型为沉积盆地型和隆起山地型[1] . 2009―2011 年,国土资源部在系统收集中国基础地质、地热地质、水文地质、城市地 质、石油地质等已有资料的基础上,对地热资源潜力进行了重新评价.这一最新评价认为, 中国浅层地热能资源量相当于95亿吨标准煤.每年浅层地热能可利用资源量相当于3.5亿吨标 准煤.如全部有效开发利用则每年可节约2.5亿吨标准煤,减少CO2 排放约5亿吨;

全国沉积 盆地地热资源储量折合标准煤8530亿吨;

每年可利用的常规地热资源总量相当于6.4亿吨标准 煤,每年可减少CO2 排放13亿吨.中国大陆3000―10000米深处干热岩资源总计相当于860万 亿吨标准煤,是中国目前年度能源消耗总量的26万倍. 据上述国土资源部最新的评价数据资料,我国现已查明

287 个地级以上城市浅层地热 能、12 个主要沉积盆地地热资源、2

562 处温泉区隆起山地地热资源.目前利用地热发电的 我国地热能开发利用现状与发展* *资助项目:中科院学部咨 询项目 大力发展分布式可 再生能源应用和智能微网 **通讯作者 修改稿收到日期:2016年1 月18日 专题:分布式可再生能源和智能微网 The Distributed Renewable Energy and Smart Micro Grid System

200 2016年.第31卷.第2期有4处,其中西藏

3 处,分别是羊八井、那曲和朗久

3 个地热田,总装机容量约为

25 兆瓦;

广东丰顺地区有1 处,其装机容量约为 0.3 兆瓦.其余主要用于供暖、热泵、洗浴、医疗、养殖和农业大棚等. 图1给出了我国地热能资源的分布情况.高温地热 资源分布在滇藏和川西,对流型地热资源分布在东南 沿海地区(如广东、福建),传导性地热资源分布于华 北、松辽盆地[2] . 根据我国地热资源分布的特点以及当地的社会特 征,可制定相应的地热资源发展规划.如西部、西南地 区可重点发展地热发电,该区域地热资源品位较高, 人口密度较小,发展地热发电对人类的生产生活影响较 小,而且电力便于输送,能在一定程度上缓解全国电力 需求的压力.在东南沿海地区,夏季温度高、时间长, 制冷的能耗相当高,如果利用该区域丰富的地热资源来 制冷,可以大幅缓解我国南方地区夏季电力供应不足的 矛盾.东北、华北地区,冬季供暖的压力非常大,当前 的供暖方式以燃煤为主,空气污染十分严重,严重影响 了当地人们的生活质量,而作为优质清洁能源之一的地 热能,资源量大,供应持续稳定,是北方供暖的最佳替 代能源.同时,在地热资源品位相对较低的地区,可大 力发展地源热泵技术,这也是节能降耗的有效途径. 1.2 地热能利用的战略意义 相对于其他可再生能源,地热能的最大优势体现 在它的稳定性和连续性.联合国《世界能源评估》报告 在2004 年和

2007 年给出的可再生能源发电的对比数字, 地热发电的利用系数在 72%―76% 之间,明显高于太阳 能(14%)、风能(21%)和生物质能(52%)等可再生 能源.地热能用来发电全年可供应

6 000 小时以上,有些 地热电站甚至高达

8 000 小时,同样地热能用来提供冷、 热负荷也非常稳定. 发展地热能对我国经济社会的发展具有重要的战略 意义,可以从以下4个方面来阐述. (1)在城镇建筑节能方面,浅层地热及地源热泵技 术与系统,在地热资源相对丰富的地区,可以很大程度 替代传统市政供暖系统,作为城镇居民供热采暖的能量 来源.目前我国北方大部分地区,冬季烧煤供暖,雾霾 天气长期存在,严重影响居民的生活质量和身体状况, 如果采用地热供暖,则可以大幅缓解雾霾问题,还大家 一片纯净的蓝天. (2)从分布式电力方面来说,在有条件的地区利 用中高温水热型地热资源建设分布型地热电站,降低对 传统化石燃料发电的依赖以及减少化石燃料的使用量, 减少由于化石燃料使用带来的环境问题,可为煤炭等传 统资源相对贫乏的地区提供电力来源,带动当地经济发 展;

同时,大量开发我国优质地热资源,可缩短我国地 热资源的开发利用与世界其他国家的差距. (3)虽然我国地热能直接利用世界第一,但是利 用效率不高.事实上,地热制冷、地热采暖、地源热泵 等的各项技术对温度的要求各不相同,如果通过地热资 源梯级利用就可以将各项技术有机结合起来,形成一个 地热梯级利用的链条,使地热资源综合利用率达到最大 化.地热梯级利用的推广可以优化产业布局,帮助企业 做好能源结构转型,提高地热资源的利用效率,形成一 系列围绕着地热资源的产业链,对我国调整能源结构、 图1我国地热能资源的分布图 [1] 院刊

201 促进经济发展、实现城镇化战略等有重要的意义. (4)地热资源的综合开发利用经多年实践表明,其 社会、经济和环境效益均非常显著,它能促进地热能利 用相关的装备制造产业的发展;

也能建立新的建筑用能 供应体系,带动新的能源服务业的发展,带动智能电网 相关设备与技术的发展.

2 国内外地热能技术研究与应用的现状和发展 2.1 地热能技术发展现状 2.1.1 地热发电技术 由于地热资源种类繁多,地热发电的方式有多种. 温度比较高的蒸汽热田采用直接蒸汽发电,美国盖瑟斯 地热电站就是采用这种方式.中温热水型地热田可以采 用扩容(闪蒸)发电或者双工质(中间介质)发电. 双工质发电是全球装机台数最多的一种地热发电方 式.截至

2014 年底,全球地热双工质发电总装机容量 已达

1 790 兆瓦,占全球地热发电总装机容量的 12%, 比2009 年底的

1 178 兆瓦(占当时总量的11%)增加了 52%.全球共有双工质发电机组

286 台,占地热发电机组 的46.7%. 双工质循环技术主要应用 ORC 循环,以色列、美 国在该项技术上具有优势.自20 世纪

80 年代中期, Kalina 循环也被引入地热双工质发电系统之中,美国、 意大利、德国的地热电站都相继采用了该种循环方式. 相对于 ORC 循环,Kalina 循环利用改变混合工质成分浓 度的方法,使循环整体上与热源和冷源有较好的匹配关 系,提高了循环效率.目前澳大利亚正在计划把 Kalina 循环应用于增强地热系统中. 2.1.2 地热直接利用技术 地源热泵在地热直接利用领域中应用最为广泛.地 源热泵技术问世于1912 年的瑞士,1948 年这项技术才引 起人们的关注.1974 年以来,随着能源危机和环境问题 日益严重,人们更重视以低温地热能为能源的地源热泵 系统的研究.目前,地源热泵已在北美、欧洲等地广泛 应用,技术也日趋成熟.美国正在实现每年安装

40 万台 地源热泵的目标,在瑞士、奥地利、丹麦等欧洲国家, 地源热泵在家用的供暖设备中已占有相当大比例. 世界各国对地热供暖都非常重视,例如冰岛、匈牙 利、法国、美国、新西兰、日本等都采用地热供暖.冰 岛有85%的房屋用地暖供热,占地热直接利用的77%. 匈牙利的地热供暖虽较地热农业和浴疗应用时间晚,但 发展速度很快,现已有

8 个城市,近9000 套住宅用地 热水供暖.地热在法国的可再生能源中排第

4 位,占总 能源的比例为 0.44%,居世界第

10 位,目前地热能已用 于20 万个住宅的供暖及热水供应. 地热制冷是以足够高温度的地热水驱动吸收式制冷 系统,制取温度高于

7 o C 的冷冻水,用于空调或生产.用 于地热制冷的制冷机有两种,一种是以水为制冷剂、溴化 锂溶液为吸收剂的溴化锂吸收式制冷机;

另一种是以氨 为制冷剂、水为吸收剂的氨水吸收式制冷机.由于世界上 地热利用技术比较成熟的国家主要分布在纬度比较高的 地区,夏季时间短,都不需要制冷,到2014 年,地热制 冷在地热利用中所占的比例不到 0.4% ,因此,全球的地 热制冷技术还是比较薄弱.但是,在夏季时间长、地热资 源比较丰富的地区,如美国的南部、中国的广东、福建等 地,仍对地热制冷技术提出了较高的要求. 2.2 地热能开发利用现状和案例 冰岛地热资源得天独厚,地热利用开发技术全球 独有.它地处北极圈边缘,气候寒冷,一年中有 300― 340天需要取暖,其主要能源中地热能占 48.8%,石油占 31.5%,水力能占 17.2%,煤炭占 2.5%.全国有 85%的房 屋用地暖供热,占地热直接利用的 77%. 在我国,1970 年12 月在广东丰顺县邓屋建造了第一 台闪蒸式地热水发电试验机组[3] ,利用91o C的地热水发 电,功率为

86 千瓦,汽轮机进汽压力 0.028 兆帕,进汽 温度 68o C,进汽量

3 000 公斤/小时,排汽压力 5.1 千帕, 使中国成为世界上第

7 个利用地热发电的国家. 我国的工业性地热电站均分布在西藏自治区,其202 2016年.第31卷.第2期 中西藏羊八井是目前规模最大的商业化地热电站.1976 年开始对该地区地热田进行详查并钻探,并论证建设 地热电站,同年 0.3 兆瓦的试验地热发电机组发电成 功;

1977 年建成

1 兆瓦地热试验电站,现在已经停机;

1985 年逐年扩展为热田南部的一分厂,安装

3 台3兆瓦国产汽轮发电机组,共装机容量10兆瓦;

1991年完 成热田北部的二分厂,共安装

4 台3兆瓦国产汽轮发电 机组及

1 台3.18 兆瓦进口汽轮发电机组,电站总装机 容量达到 25.18 兆瓦.西藏羊八井是世界上海拔最高的 地热电站,初期承担拉萨市平时供电的 50% 和冬季供 电的 60%,曾被誉为世界屋脊上的一颗明珠.1977 年至2011 年底,累计发电 26.79 亿千瓦时,与燃煤电厂相 比节约标准煤 88.4 万吨,减少 CO2 排放量

318 万吨,为 西藏的经济建设和环境保护做出重要贡献.2009 年―

2010 年西藏新增了

2 台容量为

1 兆瓦全流发电机组. 据2015年世界地热大会统计[4] ,截至2014年底,中国 地热发电总装机容量为27兆瓦,居世界第18位.我国地热 发电具有非常大的发展空间,但是近30年来,我国的地热 发电装机容量几乎没有增加,目前国内的技术支撑和设备供 应明显落后,新技术的突破和自主设备的研发亟待解决. 2.3 地热能利用技术创新和产业发展 2.3.1 地热发电 十二五 期间, 我国在中低温地热发电关键技术及装 置、地热防腐防垢、地热综合利用等方面虽取得了一些初 步成果,但我国地热发电技术研发水平与世界先进国家存 在明显差距.我国地热发电产业的发展趋势主要表现在: (1)地热发电产业逐渐向中低温地热资源靠近.20 多年来,我国地热发电停滞不前,除西藏羊八井和广东丰 顺地热电站外, 我国没有兴建大规模的地热电站, 发展规模 和水平已远远落后于地热直接利用(地热供暖、地源热泵 等) . 我国具有丰富的中低温地热资源, 而且这些资源一般 分布在偏远的山区, 受节能减排的影响, 我国政府已经出台 相关政策大力发展新能源和可再生能源, 建成中低温地热 电站不仅可以为当地提供电力, 实现节能减排, 还可以促进 当地的旅游和经济的发展, 解决部分农村就业问题. (2)建设规模化地热发电示范工程.由于我国在地 热发电建设已经停滞了20多年,在地热电站工程建设方 面缺乏实际工程经验,需要从系统设计、施工、运行和 管理等环节解决一系列关键技术,以提升我国规模化地 热电站的建设能力. 2.3.2 地热直接利用 地源热泵展现出有力的竞争趋势.地热供暖、地源 热泵、地热干燥及洗浴等技术已经成熟,并且我国地热 直接利用年产能长期位居世界第

1 位[5] ,这主要得益于我 国地源热泵的推广[6] .由于地源热泵自身的节能环保特 性,建筑业主和开发商开始逐渐接受这项新技术,目前 整个华北、东北地区,地源热泵工程已非常普及,并且 工程大小也由过去单个建筑向小区规模过渡.有了北方 地区成功的经验,地源热泵工程迅速南移,目前在长江 流域地区,地源热泵已展现出强有力的竞争势头,正逐 渐成为解决该地区夏热冬冷问题的重要节能途径[7] . 天津静海某单位原有锅炉房燃煤供暖的建筑面积 约12*104 平方米,1996 年钻了一口

2 777 米深的地热井, 井口水温92o C,流量140―200吨/小时.该单位要求将 原95o C―70o C 供暖系统改为冬季地热供暖系统,并全年 提供日常生活用的热水,以达到节约燃料和保护环境的 目的,同时希望原供暖系统少改动或不改动.一期工程 要求满足12*104 平方米 住宅、1

250 平方米 地热游泳池 和330平方米公共浴室生活用水的需求;

二期用原有锅炉 图2天津静海某地热供暖系统示意图 散热器 循环泵 自来水 回灌井 出水井 板式 换热器 板式 换热器 生活热水 调峰锅炉 院刊

203 做调峰措施后,达到总供暖面积 20*104 平方米 [8] .地热 供暖系统示意图如图2所示. 该地热供暖系统平均热负荷为

6 449 千瓦,高峰负 荷为

7 774 千瓦,终端散热器平均温度 62.3o C.该工程 从1996 年冬开始使用,情况正常,目前地热供暖面积 14*104 平方米,没有启用锅炉调峰,冬季供暖高峰地热 抽水量

140 吨/小时;

同时全年可供

3 000 户生活用热水. 目前,我国的地热资源梯级利用主要体现在供热和 供冷两个方面[9] .冬季,超过

50 o C 的地热水采用梯级 利用的方式进行供暖,取得了良好的供暖效果和环境效 益.夏季热泵机组通过阀门切换作为冷机使用,系统成 为常见的风机盘管+新风系统.然而这些所谓的梯级利用 都过于简单化,利用过后仍有大量的能量浪费掉了.综 合利用可以使资源利用率更高,北方地区可以优先考虑 地热采暖、地热洗浴、地热种植、地热养殖等技术,南 方地区可以优先考虑地热制冷、地热干燥、地热洗浴、 地热种植、地热养殖等技术,优化地热资源的梯级利 用.因此,地热资源的综合利用也是一种发展趋势. 由中科院广州能源所承担的国家科技支撑项目 地 热资源综合梯级利用集成技术研究 ,即是地热综合利 用的典型代表(图3).该项目以国家科技支撑计划为依 托,联合多家行业内知名科研机构和企业,以广东丰顺 地热电站为基点,建立了一整套的地热资源综合利用系 统,有效解决了发电后地热尾水的再利用问题,避免了 大量资源的白白浪费. 2.3.3 增强型地热系统 我国增强型地热系统的研究刚刚起步,主要开展理 论模拟方面的基础研究,包括对深层地热资源的评价方法 和技术、流体流动换热、流态控制以及热采出量的研究, 目的是评价我国........