年終特稿 | 鄭克棪：中國地熱的回顧和展望

1970年緊隨李四光倡導中國地熱能開(kāi)發(fā)利用的號召，從水文地質(zhì)轉入了地熱隊伍。我當初不到30歲，如今已成了“八零后”。作為中國的“第一代”地熱人，經(jīng)歷了中國地熱事業(yè)的全過(guò)程，我愿意回顧這不尋常的五十二年經(jīng)歷，來(lái)談一下對今后中國地熱前景的預想。

1. 新能源曾經(jīng)的先驅

1.1 地熱開(kāi)發(fā)早于其它可再生能源

20世紀70年代世界第一次石油價(jià)格危機，引發(fā)各國政府探尋新能源。我國地質(zhì)部長(cháng)李四光教授倡導開(kāi)發(fā)利用地熱能，他指出：“地下熱能的開(kāi)發(fā)與利用，是個(gè)大事情。這件事，就像人類(lèi)發(fā)現煤炭、石油可以燃燒一樣。這是人類(lèi)歷史上開(kāi)辟的一個(gè)新能源，也是地質(zhì)工作的一個(gè)新領(lǐng)域”。

李四光是國際知名地質(zhì)學(xué)家，他的看法真是高瞻遠矚。當時(shí)世界上新能源的態(tài)勢，地熱能已表現出驕人的先驅業(yè)績(jì)，世界第一個(gè)地熱發(fā)電的意大利當時(shí)裝機335兆瓦，世界第二個(gè)地熱發(fā)電的新西蘭當時(shí)裝機192兆瓦，世界第三個(gè)地熱發(fā)電的美國當時(shí)裝機521兆瓦，這3個(gè)國家的地熱發(fā)電總裝機已達1048兆瓦。如果比較一下，當時(shí)世界風(fēng)電裝機不及地熱的30%，太陽(yáng)能發(fā)電僅地熱的1‰(圖1)。但后來(lái)2002年和2007年風(fēng)力和太陽(yáng)能分別超越了地熱。

圖1 地熱、風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電進(jìn)程對比(據李克文)

中國地熱當時(shí)轟轟烈烈掀起了第一次高潮：1970年廣東省豐順縣地熱發(fā)電成功，使中國成為世界第8個(gè)地熱發(fā)電國家。70年代全國建成7處中低溫地熱發(fā)電廠(chǎng)，西藏羊八井高溫地熱發(fā)電成功。北京城區勘探發(fā)現地熱田，地熱用于供暖、醫療、溫室和水產(chǎn)養殖等。天津地熱會(huì )戰地熱綜合利用赫然成為了全國前來(lái)學(xué)習的榜樣。遺憾這第一次高潮維持不到10年，因為沒(méi)有地熱產(chǎn)業(yè)的支撐，事業(yè)單位、大學(xué)和研究所在完成研究報告后，就逐漸退出了舞臺。

1.2 地熱能的優(yōu)勢召喚起行業(yè)發(fā)展

所有可再生能源都是極低的碳排放量，然而地熱能更具吸引人的優(yōu)勢，因為其它可再生能源都有間歇性和波動(dòng)性，能量密度也較分散低位，但地熱發(fā)電可承擔基礎負荷，高溫地熱的能量密度大。世界能源理事會(huì )統計當今世界同樣裝機容量的發(fā)電設備，風(fēng)電一年平均運行1840小時(shí)，太陽(yáng)能平均運行1230小時(shí)，但地熱可平均運行6300小時(shí)，我國新建的西藏羊易地熱電站一年運行8500小時(shí)(全年共8760小時(shí))，即地熱的能力系數高達0.72~0.97，與核電相當，高于火電。

地熱能的優(yōu)勢說(shuō)明了運營(yíng)地熱可以得到更大收益，這無(wú)疑就吸引了能源投資商選投地熱能的興趣，從而促進(jìn)了市場(chǎng)經(jīng)濟下中國地熱行業(yè)的發(fā)展壯大。

1.3 強大產(chǎn)業(yè)隊伍是行業(yè)發(fā)展的基礎

70年代中國第一次地熱高潮的沒(méi)能持久，就是因為沒(méi)有地熱產(chǎn)業(yè)的支撐。我國改革開(kāi)放實(shí)施市場(chǎng)經(jīng)濟后，地熱產(chǎn)業(yè)隊伍才逐漸形成，并得以發(fā)展壯大。在市場(chǎng)經(jīng)濟初期“摸著(zhù)石頭過(guò)河”之后，90年代中期起開(kāi)發(fā)商投資溫泉休閑娛樂(lè )，適應了社會(huì )大眾的需求，快速得到市場(chǎng)回報，于是從京津和沿海掀起了溫泉開(kāi)發(fā)熱，帶動(dòng)了地熱行業(yè)的快速形成。1995年我國地熱直接利用的熱量進(jìn)入世界排名的第二位，是當時(shí)世界第一冰島的80%。

20世紀末，在世界發(fā)達國家已大發(fā)展的地源熱泵引入中國。這種節能減排的新事物因技術(shù)門(mén)檻相對較低，利潤回報較高，經(jīng)北京、沈陽(yáng)等地的試點(diǎn)開(kāi)發(fā)，迅速形成熱潮，席卷全國。與之相應，是產(chǎn)業(yè)隊伍迅猛發(fā)展，從而更支持了地源熱泵(地熱)產(chǎn)業(yè)的壯大。2000年我國地熱直接利用的熱量比1995年猛增85%，躍居世界排名第一，比世界第二、第三的美國和冰島均高55%。這是產(chǎn)業(yè)隊伍的強大支撐了行業(yè)的大發(fā)展。

2. 地熱為什么走不快

2.1 走向世界的中國地熱在國內的囧景

中國自2000年拿下地熱直接利用世界第一后，迄今一直保持，并進(jìn)一步發(fā)揚光大，在此后的每5年統計中，中國的5年增長(cháng)率依次為44%、66%、131%和154%，2020年中國地熱直接利用的熱量占世界總量的43.4%，絕對穩居世界霸位。

但是，在國內的可再生能源發(fā)展大潮中，地熱始終只是不起眼的小弟弟。我國“十一五”國家重點(diǎn)支持風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電增加了670倍;“十二五”國家重點(diǎn)支持太陽(yáng)能，太陽(yáng)能發(fā)電增加了100倍;然而“十三五”國家重點(diǎn)支持地熱能，地熱發(fā)電僅增加了46%，只完成了計劃指標的4%。

2.2 資源條件制約了決策者

為什么中國地熱發(fā)電壯大不起來(lái)呢?政府高層決策者常說(shuō)的一句話(huà)是“你地熱那點(diǎn)量太小了”，這確實(shí)有一定道理。

雖然中國地熱資源評價(jià)給出了水熱型地熱資源儲量折合8530億噸標準煤，但這些儲量大多是中低溫地熱資源，還不代表全能取出，作為利于發(fā)電利用的高溫地熱資源30年發(fā)電潛力僅8459兆瓦(2020年全國太陽(yáng)能發(fā)電裝機已87300兆瓦)，而且很多高溫地熱資源分布在交通條件較差的西藏、滇西山區。另外說(shuō)干熱巖資源相當于860萬(wàn)億噸標準煤的說(shuō)法，但目前技術(shù)能采出的量微乎其微，進(jìn)展也甚慢。

2.3 技術(shù)難度仍有待應對克服

地熱資源隱藏在地下深部，不像風(fēng)能和太陽(yáng)能在地面就可測量。尤其高溫地熱田都是裂隙熱儲，不像層狀熱儲可保障高成井率，雖然鉆井前的地球物理勘查做精做細，多種方法中還用上了人工地震高精度解釋斷裂位置，但不少高溫井鉆探仍然失敗。中石油長(cháng)城鉆井公司在肯尼亞高溫鉆井的成井率創(chuàng )世界先進(jìn)，但他們仍用超低頻地震物探選井的方法，在東非其它地方不全成效。

還有設備方面，我國最新建成的西藏羊易地熱電站用的是進(jìn)口名牌奧瑪特發(fā)電設備，年運行8500小時(shí);其前的羊八井地熱電站用的國產(chǎn)發(fā)電設備，扣除維護保養后的年運行6000小時(shí)，這是技術(shù)差距。

3. 地熱今后該怎么辦

3.1 曾寄厚望的干熱巖進(jìn)展不大

科學(xué)家對干熱巖的研究已歷50年，雖然一直被看作前瞻性地熱資源前程無(wú)量，但迄今的進(jìn)展不大。曾經(jīng)在2006年美國麻省理工學(xué)院《地熱能的未來(lái)》研究報告描繪了EGS的龐大前景，掀起了世界新一波高潮，也確實(shí)于2011年法國蘇爾茲實(shí)現了兆瓦級(1.5MW)發(fā)電，接著(zhù)2012年德國實(shí)現了蘭道3MW和印希姆5MW發(fā)電，再接著(zhù)又有美國1.7MW和澳大利亞1MW，這幾年的飛躍似乎一下子突破了關(guān)鍵，馬上就可全面推廣了。然而甚為遺憾，最近幾年幾無(wú)新進(jìn)步。

2020年世界地熱大會(huì )因疫情推遲了一年，剛在冰島閉幕，大會(huì )論文報告，至2019年世界干熱巖共64處試驗，涉20個(gè)國家，中國列第63個(gè)在青海“進(jìn)行中”。EGS技術(shù)成功35處，發(fā)電8例，其中兆瓦級發(fā)電6處，共13.2MWe，仍在運行11.2MWe。但2016年后未有新建增長(cháng)，美國實(shí)施了FORGE計劃支持，期望不借用水熱型+壓裂，能創(chuàng )建出硬碰硬的人造致裂系統，以利廣泛可復制推廣，但僅見(jiàn)少量研究成果報告，未有新增的EGS發(fā)電實(shí)例。

3.2 期望退一步的突破(換熱)

近些年的EGS深化研究沒(méi)有突破性的成果，似乎反而引發(fā)了對初衷的質(zhì)疑，因為最初是說(shuō)高溫水熱型地熱資源嚴格受特定地熱地質(zhì)條件的制約，因此寄希望于干熱巖到處可以開(kāi)發(fā)的廣泛前景。然而，世界的幾十處試驗結果，說(shuō)明了如英國那樣90℃的資源條件，能換出的熱量太小了，相對于昂貴的鉆井成本，就失去了開(kāi)發(fā)意義，因此必須提高干熱巖的品位下限，有提出4000m深度150℃，但更多的主張180℃。這樣，就把原來(lái)劃歸干熱巖的資源削去了一大塊。

還有，原來(lái)設想的壓裂技術(shù)，要在地下巖體中造出數立方千米體積的人造裂隙系統實(shí)在是太難了，于是不少專(zhuān)家提出了就靠鉆井的換熱技術(shù)吧，有U型對接井，有上部500m大口徑井往下鉆十幾個(gè)分叉井，有2口直井在井底鉆出幾個(gè)水平連接的叉井……。這類(lèi)試驗還在進(jìn)行中，換出的熱量不夠，只能借助周?chē)h(huán)境能有高地溫，再加上熱泵。

3.3 地熱+儲熱可以解困突圍

還有什么解困之法呢?有!而且應該更靠譜些，就是儲熱技術(shù)。太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)的電，受上網(wǎng)限額之外成為“棄電”，要儲電很難，要技術(shù)，要設備，體積也不可能無(wú)限大。但是地下儲熱相對容易得多，一個(gè)地熱田，小到數平方千米，大到數百平方千米，如此龐大的地下空間與“儲電”設施相比簡(jiǎn)直是無(wú)限大。

意大利國家電力公司ENEL在美國內華達州斯蒂爾沃特地熱電站實(shí)施的聯(lián)合發(fā)電，2009年組合了太陽(yáng)能光伏，2015年又組合了太陽(yáng)能熱發(fā)電，它們給地熱發(fā)電因中午環(huán)境溫度增高而致的效率降低很好實(shí)現了發(fā)電增效。后來(lái)項目接著(zhù)考慮了利用太陽(yáng)能儲熱的進(jìn)一步增效，但尚未見(jiàn)到它們實(shí)施進(jìn)展的報告。

圖2 超超臨界地下儲熱發(fā)電設想

2020年世界地熱大會(huì )有論文提出了地下儲熱超超臨界發(fā)電的研究設想(圖2)。計劃利用廣大地面的太陽(yáng)能集熱(如太陽(yáng)能熱發(fā)電)，將聚熱塔收集的高熱不是當即用于發(fā)電，而是將高熱儲存到地下熱儲。水的超臨界點(diǎn)是溫度374℃和壓力220巴，太陽(yáng)能聚熱溫度可高達600℃構成超超臨界，這樣的高熱補充和增強了現有的高溫熱儲，用來(lái)發(fā)電就比現有的地熱發(fā)電系統效率更大大提高了?，F有地熱田的地下熱儲是天然的，不需要干熱巖那樣靠壓裂來(lái)人造熱儲(太困難了);現有熱儲的溫度不夠高，就靠太陽(yáng)能聚熱來(lái)注入增溫。該設想已經(jīng)用數學(xué)模型擬合，是有可能實(shí)現的，這樣就增加了原顯不夠的地熱資源，就可以充分發(fā)揮“地熱+”的效益了。

中國地熱和世界地熱一樣，都需要有超超臨界儲熱這樣的創(chuàng )新，來(lái)引領(lǐng)地熱產(chǎn)業(yè)的大規模發(fā)展，從而更有能力在實(shí)現碳達峰、碳中和目標任務(wù)中承擔起更大責任。

(作者系中國技術(shù)監督情報協(xié)會(huì )地熱產(chǎn)業(yè)工作委員會(huì )專(zhuān)家委員會(huì )主任)