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浅析地热资源的开发利用

2014-10-28 10:27:35 来源:中国矿业报 作者:郑世骅

随着经济发展和社会进步,人们在享受富裕生活的同时,对生态环境的要求也越来越高。近几年挥之不去的雾霾,已成为政府治理环境污染的一大障碍,威胁到了人民群众的身心健康。有效控制和降低雾霾不仅是人民群众的强烈意愿,也成为考验政府执政能力、建设服务型政府的重要内容。根据监测分析,2013年西安全年空气污染天数达到227天,以PM2.5为首要污染物的天数达138天,占60.8%,PM2.5污染物约有1/4来自燃煤排放,在冬季采暖季尤为明显。为此,陕西省委、省政府提出要把铁腕治霾作为一项政治任务强力推进,要求关中五市一区2014年减少1000万吨燃煤消耗量。在环保重压之下,各地大力推进燃煤锅炉“煤改气”,从供暖方式上减少煤炭使用量是治污减霾的重要方向。与燃煤锅炉相比,燃气锅炉能效比较高,污染物排放较少。但燃气锅炉也有弱点,一是使用成本和安全要求高;二是受天然气供应量影响大,有的地方锅炉改造完毕,却连调试用的天然气都没有;三是仍有二氧化碳排放。况且,天然气与煤炭一样属于常规能源,都是不可再生的一次性能源,把这种有限且珍稀的资源规模化应用于城市供暖,其运行并不经济,还会造成资源浪费,加速资源枯竭。

因此,寻找其他可再生的新型清洁能源成为摆在我们面前的现实任务。

开发利用地热能有良好的社会、环境效益

为了寻找可再生的新型清洁能源,科学家做了广泛的尝试。风能、太阳能等可再生能源,受地域、天气、季节变化影响大,难以全方位、全天候应用。核电站技术日臻完善,但建设成本大,有一定的安全风险。水电资源丰富,但易受气候条件制约,枯水期无法全负荷运转,且存在引发地质变化的可能和难以避免的生物生态环境问题。这样,地热逐渐进入了人们的视野。

地热来自于地球内部,地核散发的热量透过地幔的高温岩浆传达至地壳形成“地热能”。常见的地热依其储存方式,可分为3种类型:第一种是水热型,称为热液资源,统称为地热水,指地下水在多孔性或裂隙较多的岩层中吸收地热,其所储集的热水及蒸汽,经适当提引后可为经济型替代能源,即常见的地热水、温泉,其开采历史悠久。第二种是土壤热源型,地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多。第三种是热岩型,称为干热岩资源,指浅藏在地壳表层的熔岩或尚未冷却的岩体,可以人工方法造成裂隙破碎带,再钻孔注入冷水使其加热成蒸汽和热水后将热量引出。其中第二、第三种类型不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层深层、近乎无限的可再生能源,使得地热能成为清洁的可再生能源的一种形式,其开采技术近年来获得突破。

地热资源是矿产资源的一部分。以往人们对地热的认识很单一,只是针对地热水。2004年12月,陕西省人民政府与国土资源部合作开展的《陕西省关中盆地地热资源调查评价》项目,历时4年共投入项目经费2500万元,其对陕西省地热资源普查也仅仅限于地热水。根据普查结果,关中地区地热资源居陕西省之冠,而西安一带的地热资源又居关中之冠。由于地热水资源的形成与地质构造、水文等客观条件有着密切的关系,所以西安地区拥有的丰富地热资源堪称是大自然的慷慨赐予。然而,地热水是不可再生的,赋存有限,用一点少一点,还会带来地下水受污染等风险,必须采取措施加以保护,严格控制开发。目前西安地区的地热井总数已达140口左右,其中有90口左右集中在市区,不少地热井出现水位下降,最深的地热井甚至打到了4000米左右。实际上,当地热井取水深度超过150米,其耗能将逼近加热冷水的资源损耗,已经丧失经济运行价值。因此,对于西安的地热水资源需要科学评估,合理利用,防止因过度开采而耗尽。

现在,我们需要很好地认识和了解地热资源——土壤热源和热岩资源。

地热是蕴藏在地球内部的一种巨大的“绿色能源宝库”,具有可持续和可再生等特点,不仅资源储量大,分布广,还是一种新型清洁能源,开发利用地热能具有良好的社会效益、环境效益,市场潜力巨大,发展前景广阔。早在1970年,地质部部长李四光就提出“地下是一个大热库,是人类开辟自然能源的一个新来源,就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样”。地热是唯一不受天气、季节变化影响的能源,最大优势在于其安全性、稳定性、连续性和利用率高,具有清洁、低碳、可再生等特点。积极开发利用地热能对缓解我国能源资源压力、实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。

按照现有开发技术的可能性,地热资源的范围一般指在地壳表层以下5000米以内地层和岩石所含的热量。按照埋藏深度,200米以内的属于浅层地热能,称为土壤热源,温度大约在25摄氏度左右。随着深度增加,正常状态为埋深每增加100米,温度升高3摄氏度。埋深200米~3000米的属于中层地热,温度在65~150摄氏度之间,埋深3000米以上深层没有水或蒸汽的热岩体属于深层地热,温度在150~650摄氏度之间。习惯上将土壤热源之外的地热统称为干热岩。

据测算,我国在较浅层的干热岩资源中,蕴藏的热能是包括石油、天然气和煤在内的所有化石燃料能量的300倍还多,地下3000米~10000米深处干热岩资源相当于860万亿吨标准煤,是我国目前年度能源消耗总量的26万倍。最重要的是,干热岩系统的排放几乎为零,无废气和其他流体或固体废弃物,可维持对环境最低水平的影响,最大程度地缓解气候变化压力。

我国幅员辽阔,地下蕴藏的地热能极其丰富并且遍布各处,与其他几种新能源相比,其具有稳定性高、品质好、储藏量高、遍布区域广、可再生等优点,并且未被大量开发。因此,地热能开发利用逐渐成为了新能源产业中最具开发潜力、最具有市场空间、最具有经济社会效益的产业。

土壤热源与干热岩应用技术对比

目前在西安已有针对土壤热源和干热岩两种地层地热应用的成功案例,特别是干热岩供热技术,经过科技人员多年研发已取得重大突破。

一是利用土壤热源供暖。西安市内某小区因市政热力管网没有到达,建成数年无法供暖。通过运用地源热泵技术,在小区周围共钻探741个埋深200米的换热孔,通过地源热泵吸附25摄氏度左右的土壤热源,解决了13.82万平方米住宅建筑面积供暖问题。

地源热泵的优点是:环保节能,不使用煤炭、天然气,不产生废气、废渣;安装使用相对灵活,不受市政管网辐射的限制;可以提供供暖、制冷、解决部分生活热水,一机多用。其缺点是:换热孔施工需要较大的空间,在建筑密度高的区域无法大面积实施,难以规模化发展,由浅层土壤热源吸热,需要消耗一定电力。

二是利用干热岩热能供暖。西安市内某大厦商住楼项目,通过运用干热岩供热技术,在市区街道红线内钻探3个直径200毫米、埋深2000米的换热孔,吸附65摄氏度左右的干热岩热能,满足了28层3.77万平方米建筑面积供暖需要。该项技术通过钻机向地下干热岩层钻直径200毫米、埋深2000米的换热孔,给孔中安装密闭的金属换热器,在换热器内充满换热介质——软化水,通过换热器管壁传导将地下深层的热能导出,再通过循环系统向建筑物供热,能量来自地下,效率更高,经济效益、社会效益显著,治污减霾成效更加突出。

干热岩供热技术具有以下特点:

一是占地空间小。钻孔位置的选定比较灵活,可不受场地条件制约。二是绿色环保。无废气、废液、废渣等排放。三是保护水资源。系统与地下水隔离,不抽取动用地下水。四是高效节能。新材料的使用提高了吸热导热效率,一个换热孔可以解决1万~1.3万平方米建筑的供暖。五是系统寿命长。换热器采用特种钢材制造,耐腐蚀、耐高温、耐高压,寿命可与建筑寿命相当。六是安全可靠。孔径小,埋管深,系统稳定,地下无运动部件,对建筑地基无任何影响。七是投资成本低。向地下中、深层取热,增加单孔取热量,扩大供热面积,可减少钻孔数,降低开发成本。以100万平方米建筑面积一个采暖季(4个月)为例来分析一下。

能源消耗对比:采用干热岩供热技术需要消耗部分电能,折合成当量标准煤约为5400吨;采用燃煤锅炉消耗标准煤量1.6万吨,比干热岩供热多消耗标准煤约1.06万吨。

排放物质对比:干热岩供热技术消耗少量电能,不产生废弃物,零排放;燃煤锅炉二氧化碳排放量约4.3万吨、二氧化硫排放量约136吨。

投资运行对比:与燃煤锅炉、燃气锅炉相比,干热岩技术应用前期投入低20%左右,正常运行及维护费用低35%左右。

地热能技术应用需要大力扶持和推广

地热能作为可再生的新型环保清洁能源,也是一种特殊矿产资源。地热资源的应用潜力巨大,随着技术进步,不断扩大使用范围,将会创造一种全新的能源利用形式,不仅可以优化能源消费结构,节约资源,而且治污减霾效果突出,环境效益十分显著。科学开发利用地热能会给人类社会发展带来巨大好处。仅从利用地热能供暖测算,若实现利用地热能供暖1000万平方米面积,每年可节约标准煤约59万吨,减排二氧化碳约160万吨,二氧化硫约5000吨,氮氧化物约4900吨。

我国十分重视推进地热资源利用。早在2008年12月国土资源部就发出了《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》,指出“要加强组织领导,抓好技术培训,制定优惠政策,实行规范管理,促进浅层地热能开发利用工作健康发展。”

2009年12月26日全国人大常委会通过的《中华人民共和国可再生能源法》明确规定:“可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域,通过制定可再生能源开发利用总量目标和采取相应措施,推动可再生能源市场的建立和发展。”

2010年4月,中国地质调查局颁布《浅层地热能勘查评价技术规范》,明确“浅层地热能是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200米埋深),温度低于25摄氏度,在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能。浅层地热能是地热资源的一部分。”

2013年1月,国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部联合发出《关于促进地热能开发利用的指导意见》,明确要求“大力推进地热能技术进步,积极培育地热能开发利用市场,按照技术先进、环境友好、经济可行的总体要求,全面促进地热能资源的合理有效利用。完善价格财税扶持政策。按照可再生能源有关政策,中央财政重点支持地热能资源勘查与评估、地热能供热制冷项目、发电和综合利用示范项目。按照可再生能源电价附加政策要求,对地热发电商业化运行项目给予电价补贴政策。通过合同能源管理实施的地热能利用项目,可按现行税收法律法规的有关规定享受相关税收优惠政策。利用地热能供暖制冷的项目运行电价参照居民用电价格执行。采用地热能供暖(制冷)的企业可参照清洁能源锅炉采暖价格收取采暖费。鼓励各省、区、市结合实际出台具体支持政策。”

2014年6月,国家能源局综合司、国土资源部办公厅发出《关于组织编制地热能开发利用规划的通知》,要求各地“近期地热能开发利用规划以浅层地温能供暖(制冷)、中深层地热能供暖及综合利用为主,具备高温地热资源的地区可发展地热能发电。远期发展中温地热发电和干热岩发电,并提高地热综合利用水平。加强地热能开发利用规划与区域能源规划、城镇供热规划、城镇建设规划的统筹协调,将地热供暖规划纳入城镇供热体系,做好供热范围的划定和供热价格的衔接,并在市政基础设施建设、资金支持等方面为地热能开发利用提供保障。”

地热能行业产业链长,地质勘探、产品研发、制造、系统设计安装、售后服务等方面涉及面广,属于技术密集型产业。近年来,虽然国家对地热能项目有节能投资项目无偿补助、按投资规模给予资助、按节能效果给予奖励等相关政策,但对于这一新型清洁能源来说还不够,还需要在相关技术研发、资源合理利用以及市场准入等方面制定出台新的优惠政策,以鼓励地热能推广应用,积极引导社会资金投入,逐步形成浅层地热能开发有度、市场有序的良好局面。除此之外,还需要在以下方面做好工作:一是广泛宣传,让更多的人了解地热能尤其是能够带来显著社会效益、环境效益的干热岩新技术。二是做好技术推广,实现规模化应用,切实降低建筑供暖领域煤炭、天然气使用量,减少排放。

鉴于地热资源利用对促进生态文明建设具有重要意义,对城市治污减霾作用巨大,地热资源相关管理部门需要根据地热开发利用实际,制定流程简便、分工明确、监管有力的地热能开发利用项目管理办法,简化审批办法,提高行政效率,加强项目后续运行及环境保护监管,建立信息监测体系,完善设备检测认证制度等,在涉及地热资源应用政策制定、项目技术推广会商时,给予积极支持。同时,政府相关部门也应当大力支持地热资源技术应用,从政策、资金、技术推广等方面对从事干热岩供热技术研发的企业加大支持力度,不断扩大市场份额,为节能减排、治污减霾发挥更大的作用。□

(作者单位:西安市国土资源局)

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