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地热利用“风物长宜放眼量”

已有 1754 次阅读 2008-9-17 20:22 |个人分类:名记大作

“世界上少数国家研究的增强型地热系统有巨大潜力,有望在不远的将来替代人类的基础能源需求,中国应该也正在开始这一研究。”

 

一眼高温地热井在我国西藏羊八井地热田放喷试验,背景厂房是羊八井地热电厂。
  
 
 
  记者:王卉
 
 
 
 
 
 
8月19日美国谷歌公司宣布,将向地热能开发领域投资1000多万美元,用于推动地热能新技术的研发和应用。这一投资的对象是增强型地热系统技术,是其寻找比煤更便宜的可再生能源计划的一部分。谷歌称,这一新技术使得地热能的利用潜能拓展了“好几个数量级”。
 
地热利用,除了为人们所熟知的温泉,更有取暖、发电等功效,在能源日益紧张的社会大背景之下,作为可再生能源之一的地热利用究竟能到什么状态?技术发展又到怎样的程度?日前,《科学时报》记者专访了国际地热协会理事、中国能源研究会地热专业委员会主任郑克棪。
 
地热利用,历史悠久
 
地热能是由地壳抽取的天然热能,这种能量来自地球内部的熔岩,并以热力形式存在,是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达7000℃,而在80至100公里的深处,温度会降至650℃至1200℃。因熔岩涌至离地面1至5公里的地壳,或地下水通过断裂带的深循环,热力得以被输送至较接近地面的地方。
 
郑克棪介绍,火山、地震、地热带在全球的分布主要集中在3个地带:环太平洋带,包括美国西海岸、新西兰、印度尼西亚、菲律宾、日本以及中国台湾;大西洋中脊带,大部分在海洋,北端穿过冰岛;地中海到喜马拉雅带,包括意大利和我国西藏等。
 
温泉在中国各地都有分布。中国人直接利用地热已有两千年历史。公元2世纪,东汉科学家张衡就在《温泉赋》中描述温泉可以治病,北魏郦道元的《水经注》中也有温泉灌溉一年三熟的记载。
 
中国把地热作为能源使用始于上世纪70年代。当时的世界石油危机,引发了世界各国对新能源的高度重视。时任地质部部长的李四光向全国发出利用地热的号召,国家拨款投资勘查,掀起了全国性地热勘查和开发利用的热潮。地热开发利用从低温地热发电试验到房屋供暖、水产养殖、地热孵化、温室种植、工业利用等,遍地开花。
 
但是,这种发展势头在此后的20世纪80年代便停止了。经济体制逐步向市场经济转轨后,相关研究和勘探因为失去了原来事业费的支持而受到很大影响。
 
上世纪90年代,中国社会向市场经济转轨,开发商突然发现投资地热是项很赚钱的事业。随着经济社会的繁荣、人民生活水平的提高,地热旅游和保健休闲出现了新的热潮。
 
而现在地热的能源优势、经济和环境效益,已经在全球得到了充分验证:目前冰岛87%的供暖依靠地热;在菲律宾电力供应中,2002年地热已占21%。
 
“我们目前最迫切的需要是把地热作为能源利用。”郑克棪说。
 
目前地热应用分3个层次:150℃至300℃左右为高温地热,用于发电最为划算;150℃~90℃为中温,可以发电及为房屋供暖;90℃以下为低温地热,直接利用,可用于洗浴、医疗,也可以用于供暖以及温室种植、水产养殖等。其中水产养殖养热带品种,优点是产量高,比如一般水域一亩每年产出200斤鱼,利用地热养热带品种,一年每亩可以产出2万斤鱼。
 
地源热泵技术发挥浅层地热效力
 
过去只有高温地热可以作为能源利用,现在借助于科技发展,人们已经可以利用地源热泵技术将浅层地热用于供暖和制冷。
 
“利用地源热泵技术有望解决全国的供暖问题。”郑克棪说。
 
目前来看,天津地热供暖发展极快,其地热供暖面积已占全国地热总供暖量的70%。
 
郑克棪介绍,以2008年7月的价格进行地源热泵与其他能源供暖方式的运行费用对比,煤、天然气、轻柴油、电、地源热泵分别为1∶2.65∶8.48∶5.93∶1.63,也就是说,使用地源热泵的经济成本仅高于用煤。
 
过去人们认为25℃以下不叫温泉,没有能源利用价值,这一二十年来,人们发现通过地源热泵,对甚至5℃、6℃的地下水都可以利用。“利用地源热泵,耗费1千瓦的电能,产出3~4千瓦热能,效率在300%~400%。世界都看好这一技术,也因为它本身不产生污染,没有二氧化碳排放,只是所使用的电在发电过程中有一部分排放,另外效率高。”
 
浅层地热用于供暖最为合适。比如北京把15℃的地下水抽上来,热能被用过后,10℃的水从另一眼井灌下去。东北地区把6℃的水提上来,用后,1℃的水回灌下去。在地下水不丰富的地方,用地埋管的回路也能把岩土中的热量交换出来。
 
地源热泵技术1995年以来在世界以每年递增20%的速度快速发展。在瑞典这样北纬60度的国家都可以借助该技术手段利用地热,瑞典地源热泵利用世界排名第二。只是,在美国利用需要打井200米,瑞典则需要打400米深。
 
中国自2000年开始地源热泵发展很快,每年达到50%的发展递增速度。5年前中国大约有三五个生产地源热泵的企业,现在已经发展到100多家。沈阳依靠地源热泵供暖已经超过5%,北京使用量的递增仅次于沈阳。
 
对地源热泵技术的利用,中国已经排到世界第三。
 
地热发电,潜力巨大
 
“在我国提倡节能、减排的形势下,地热能资源潜力丰富,地热发电技术成熟,虽投资成本略高,但可以做到具有竞争力的商业性应用,在我国能源结构中发挥作用。”郑克棪表示。
 
20世纪70年代,我国曾建成7个中低温地热发电厂,但在“技术上可行、经济上不可行”的观点下,其中5处陆续关停。今天反思这段历史,郑克棪觉得这是历史性的偏见:地热发电,投资约1万元人民币建1千瓦装机,有些地方还低于这一成本,将此与燃煤电厂几千元建1千瓦的装机来说是投资成本高了,但是,中低温地热发电的优势在于:没有污染,可以减排。太阳能光伏发电10万元装一个1千瓦,成本是地热的10倍,同时太阳能电池板生产过程中还有耗能和污染排放。
 
“地热发电技术成熟,虽投资成本稍高,但替代和节省了常规能源,减少污染;再从国际原油价格的飞涨看,肯定是具有竞争力的;何况像太阳能光伏发电那样高昂的初投资和低利用率的技术也都在发展和应用。”郑克棪说。
 
中国藏滇地热带有高温地热资源分布,可以用于地热蒸汽发电;中国中低温地下热水直接利用的能量居世界第一,其中的温度较高者,可以先发电,再将排水作综合利用。
 
郑克棪介绍,地热发电有3种方式:利用高温地热蒸汽发电;中低温地下热水发电;增强地热系统的开发。
 
今年3月,一份名为《地热资源的将来》的研究报告引起了美国能源部的震惊。美国麻省理工学院(MIT)完成了这份历时3年的研究报告,提出到2050年,通过增强型地热系统(或称工程性地热系统,即以前所说的干热岩)可以提供1亿千瓦发电的基础容量。“这相当于美国目前年用电量的10% 。”郑克棪解释。
 
增强型地热系统是潜力巨大的本土化资源,不像现在开发的水热型高温地热那样受地域限制,而且该清洁能源招致的环境影响最小,该技术的商业化可望在10~15年内实现。该报告估算全美国增强型地热系统资源可开采量相当于美国2005年基本能源消费量的2000倍。
 
增强型地热系统在世界上已有30多年的研究历史,世界上有8个国家投入了增强地热系统研究——美、英、法、德、瑞典、日本、澳大利亚和中国。为达到商业性开发目标,3000~5000米钻井技术和热电转换技术等都作过研究。在这种俗称干热岩的岩体中,通常只有热,没有裂隙或孔隙,没有渗透性,没有地热流体,所以须靠井下压裂,在高温岩体中造出人造裂隙,连通地下网络,便可以从一眼井灌入冷水,从另一眼井中产出高温流体了。
 
“过去我国仅有少数学者发表了论文或著作,探讨了这一领域,但并没有实地开展这一研究。2007年中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚一公司签订了合作协议,共同承担‘中国工程型地热系统资源潜力的研究’项目,中澳专家已联合在一些可望有潜力的选定地区开展了初步调查,采集了一些试验样品,进一步的分析测试、模型研究等工作正在进行之中。”郑克棪表示。
 
地壳30公里厚,增强地热系统在3000米至5000米,仅仅是地壳的1/10至1/6深处。在地球内部更深处、更高温的地热,人们现在还没有利用。
 
“在地热直接利用中,在开采地热水时,人工补给回灌是必须的,这样才能保证可持续利用。”郑克棪强调:“北京、天津等是地热管理部门兼顾地上地下系统,从技术等方面能够保证对地热资源的可持续使用。但也有一些地方的地热开采是由管理地表水的机构管理,缺少地热资源合理利用的概念,其地热资源可持续利用前景堪忧。”


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