中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 ■ 陳從磊 徐孝軒

0 引言

地熱資源是指能被經(jīng)濟地開發(fā)利用的地球內(nèi)部的地熱能、地熱流體及其有用組分，是一種可再生的清潔能源。地熱資源因儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定性好、利用系數(shù)高等特點，成為具有競爭力的新能源。

隨著國家電氣自動化程度提高，電力需求日益增加，而絕大部分電力主要通過煤炭和天然氣等常規(guī)化石能源獲得，經(jīng)濟發(fā)展易受化石燃料價格波動的影響。以美國為例，2012年煤炭和天然氣的發(fā)電量占總發(fā)電量的26%和31%，地熱、太陽能、風能等可再生能源占2.5%[1]。此外，隨著新興市場規(guī)模的擴大，電力需求將逐步增加，供需矛盾逐年突出。因此，為充分保障能源安全，滿足不斷增長的電力需求和減少化石燃料的使用，各國正積極采取措施，增加包括地熱在內(nèi)的可再生能源在能源供給中的比重，構建多元化能源結構，以保證本國能源安全。地熱資源以其穩(wěn)定可靠、成本低廉、清潔環(huán)保等優(yōu)點逐漸被各國所認識，開發(fā)熱度逐年增加。

1 地熱發(fā)電裝機容量逐年增加

據(jù)2010年世界地熱大會公布，世界上已有78個國家對地熱資源進行了開發(fā)利用(包括發(fā)電和直接利用)。2000年、2005年和2010年地熱資源綜合利用分別為1022億kWh、1316億kWh和1889億kWh，前5年和后5年的年均增長率分別為5.2%和7.5%。其中地熱直接利用分別為528億kWh、759億kWh和1217億kWh，前5年和后5年的年均增長率分別為7.5%和9.9%。

熱發(fā)電最早起源于1904年意大利西北部Larderello火山區(qū)建立的一個10 kW的實驗性電站。隨后于1913年建成第一臺250 kW地熱發(fā)電機組，成為地熱發(fā)電商業(yè)化的開端。從1958年起，美國、墨西哥、前蘇聯(lián)、日本、菲律賓、薩爾瓦多、冰島和中國先后開始進行地熱發(fā)電研究試驗和開發(fā)建設。自此，地熱發(fā)電業(yè)務進入快速發(fā)展時期，裝機容量逐年增加，1960年僅為386 MW，到1975年突破1000 MW，達到1180 MW。截止到2013年底，全球24個國家和地區(qū)地熱發(fā)電總裝機容量約12000 MW[2]；其中，發(fā)電能力位于前3位的國家和地區(qū)分別為美國、菲律賓、印度尼西亞。

按區(qū)域劃分，美洲地區(qū)地熱發(fā)電裝機容量最大，約為4565 MW，占總裝機容量的41.9%；其次為亞太地區(qū)的3717 MW，占34.1%；歐洲地區(qū)以1643 MW位居第3，約占15.1%；隨后是大洋洲地區(qū)的763 MW(約占7%)和非洲地區(qū)的209 MW(約占 1.9%)。

圖1 1950～2013年全球地熱發(fā)電總裝機容量

隨著地熱資源的開發(fā)熱度逐年增加，預計到2015年全球擁有地熱發(fā)電的國家和地區(qū)將由目前24個增至46個，總裝機容量將達到19.804 GW。其中，歐洲地區(qū)將由目前1.6 GW增至2.8 GW；亞太地區(qū)由3.7 GW增至6.8 GW；美洲地區(qū)由4.6 GW增至8.3 GW；非洲地區(qū)由0.2 GW增至0.6 GW；大洋洲地區(qū)由0.8 GW增至1.3 GW，見圖2、3。

圖2 2010年和2015年(預計)不同地區(qū)地熱發(fā)電裝機容量

圖3 2010年和2015年(預計)不同地區(qū)地熱發(fā)電國家數(shù)目

作為全球地熱發(fā)電第一大國的美國，地熱發(fā)電業(yè)務的開展最早開始于1960年，隨后進入快速發(fā)展時期。自2008年以來地熱發(fā)電裝機容量年均增長2.3%，截至2013年，美國地熱發(fā)電總裝機容量為3442 MW，居世界第一(見圖4)。地熱電廠主要分布在阿拉斯加、加利福尼亞、佛羅里達、夏威夷、愛達荷、內(nèi)華達州等地。目前，美國仍有分布在15個州的147座地熱發(fā)電項目正在開發(fā)中，總發(fā)電潛力超過5000 MW[3]。預計到2015年，美國地熱發(fā)展總裝機容量將達到5380 MW。

圖4 2008～2015年美國地熱發(fā)電裝機容量

菲律賓擁有豐富的地熱資源，1977年7月，國內(nèi)第一座小型地熱發(fā)電試驗電廠的正式運營拉開了地熱發(fā)電的序幕。經(jīng)過最初幾十年的快速發(fā)展，2000年以來菲律賓地熱發(fā)電業(yè)務的發(fā)展趨于平緩，地熱電站主要分布在Leyte、Bac-Man、Mindanao、Northern Negros、South Negros和Tiwi等。截至2013年，菲律賓總裝機容量達到1884 MW[4]，成為僅次于美國的世界第二大地熱發(fā)電生產(chǎn)商。菲律賓政府出臺大量優(yōu)惠政策和措施，鼓勵和推動地熱發(fā)電等新能源業(yè)務的發(fā)展。預計到2015年，其地熱發(fā)電總裝機容量將達到2519 MW。

圖5 菲律賓歷年地熱發(fā)電總裝機容量

印尼擁有豐富的地熱資源儲量，地熱資源利用也僅次于美國和菲律賓，居世界第3位。截止到2013年底，印尼已建成地熱發(fā)電站總裝機容量達到1333 MW，此外還有眾多項目正在建設或規(guī)劃中，預計到2015年，地熱發(fā)電總裝機容量達3451 MW，成為僅次于美國的世界第2大地熱生產(chǎn)商。印尼政府實施了一系列法律法規(guī)，如精簡監(jiān)管過程，在競標過程中直接將地熱勘探許可證授予開發(fā)商；減免地熱開發(fā)設備進口相關關稅等，促進地熱資源的開發(fā)，并規(guī)劃到2025年建成9000 MW的地熱發(fā)電能力，成為全球最大地熱生產(chǎn)商[5]。

圖6 印尼歷年地熱發(fā)電總裝機容量

2 地熱發(fā)電技術日新月異

地熱發(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發(fā)電技術。地熱發(fā)電的過程是把地下熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，按照載熱體類型、溫度、壓力和其他特性的不同，可將地熱發(fā)電技術分為干蒸汽發(fā)電技術、擴容蒸汽發(fā)電技術、雙循環(huán)(雙工質(zhì))發(fā)電技術和雙循環(huán)井下?lián)Q熱發(fā)電技術。近年來，干熱巖發(fā)電技術也有一定突破。

相對常規(guī)的利用干蒸汽發(fā)電和地熱水發(fā)電，干熱巖發(fā)電(EGS)具有其獨特優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：干熱巖資源量巨大、分布廣泛；無廢氣和其他流體或固體廢棄物，幾乎零排放；開發(fā)系統(tǒng)安全；熱能連續(xù)性好；經(jīng)濟實惠等。該技術自1993年在美國通過可行性論證后，近些年取得了一定突破，干熱巖發(fā)電已從早期試驗性階段進入小規(guī)模的商業(yè)開發(fā)階段。

當前，利用干熱巖發(fā)電的國家主要有法國、德國、澳大利亞、美國、日本。其中，世界上最大EGS項目位于當前正在開發(fā)的澳大利亞Cooper盆地，據(jù)初步統(tǒng)計，Cooper盆地擁有5000～10000 MW的發(fā)電潛力[6]。

3 中國地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展

我國地熱資源分布廣、類型多、資源豐富，具備大發(fā)展的資源條件。初步估算，全國287個地級以上城市淺層地熱能資源量每年相當于94.86億 t標準煤，每年可利用量相當于3.56億 t標準煤；12個主要沉積盆地地熱資源儲量折合標準煤8530億 t；每年可利用量相當于6.4億 t標準煤。而當前正處于研發(fā)階段的干熱巖資源量相當于860萬億 t標準煤。

3.1 中國地熱直接利用居世界首位，地熱發(fā)電發(fā)展相對滯后

我國地熱利用始于上世紀70年代。地熱直接利用量自1995年以來連續(xù)多年處于世界首位(見圖7)，主要用于地熱供暖和制冷，地熱發(fā)電發(fā)展相對滯后。截至2013年，常規(guī)地熱能供熱面積約為7680萬 m2[7]。地熱發(fā)電總裝機容量約為24 MW，年發(fā)電能力約為150 GWh[8]，僅排在世界第18位。

1970年，中國科學院在廣東省豐順縣鄧屋建立了我國第1座地熱發(fā)電站。地熱水溫度92 ℃，采用閃蒸發(fā)電技術，裝機容量為300 kW，年運行時間為8000 h，年發(fā)電量為160 萬kWh。隨后又在河北懷來、江西宜春、湖南灰湯、遼寧熊岳、廣西象州和山東招遠6個地區(qū)，建設了中低溫地熱發(fā)電站。由于經(jīng)濟效益差，目前除了廣東豐順外，其余均已停用。

表1 常規(guī)地熱發(fā)電技術對比表[9]

表2 世界主要發(fā)達國家EGS/HDR項目一覽表

圖7 全球主要國家地熱直接利用量

1977年我國第一臺1 MW高溫地熱發(fā)電試驗機組在西藏羊八井建成發(fā)電，此后一直到1991年間又陸續(xù)建成了8組3 MW發(fā)電機組，總裝機容量達到24 MW(1 MW試驗機組退役)[10]。2009～2010年，羊八井地熱電站又新增螺桿膨脹動力機2臺，新增裝機容量2 MW。截至2013年，羊八井電站每年約發(fā)電1.4億kWh。

由于我國地熱資源以中低溫為主，地熱發(fā)電主要采用擴容閃蒸蒸汽發(fā)電技術(廣東豐順地熱電站、西藏羊八井地熱電站均采用該技術)。該技術設備工藝簡單，技術成熟，也是全球地熱發(fā)電應用最多的發(fā)電技術，發(fā)電量占地熱總發(fā)電量的60%。但是，機組整體熱效率和經(jīng)濟效益不高。

3.2 初步形成了地熱資源開發(fā)利用技術

經(jīng)過近40多年不斷實踐，我國已初步建立了一套與中國地熱資源特點相適應的開發(fā)利用技術。2012年，國家地熱能源開發(fā)利用研究及應用技術推廣中心正式成立，依托這一平臺逐步開展地熱能源發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃、政策及相關規(guī)范標準研究、地熱能源開發(fā)利用關鍵技術研發(fā)及推廣應用[11]，將極大推動我國自熱資源開發(fā)利用技術的進步和水平的不斷提高。

3.3 國家宏觀政策的積極引導

為促進地熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家到地方相繼制定了一系列相關政策、法規(guī)，以促進地熱發(fā)電業(yè)務的發(fā)展。如國家能源局、財務部、國土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合發(fā)布的《關于促進地熱能開發(fā)利用的指導意見》中提出：到2015年，地熱發(fā)電裝機容量達到10萬kW，地熱能年利用量達到2000萬t標準煤；到2020年，地熱能年開發(fā)利用量達到5000萬t標準煤，形成完善的地熱能開發(fā)利用技術和產(chǎn)業(yè)體系[12]。

當前，我國地熱開發(fā)利用，尤其是地熱發(fā)電方面還存在一些問題尚待解決，如缺乏統(tǒng)一的開發(fā)利用規(guī)劃、資源開發(fā)利用管理不規(guī)范、開發(fā)利用程度偏低、地熱發(fā)電技術特別是增強型地熱發(fā)電技術等與國際差距較大。

在我國能源結構不斷優(yōu)化、治理大氣污染日益緊迫的形勢下，地熱資源以其“減排效益顯著、可持續(xù)利用”的優(yōu)勢，在生態(tài)文明建設中將發(fā)揮越來越重要的作用?？深A見在不遠的將來，地熱資源開發(fā)利用將會像太陽能、風能等資源的開發(fā)利用一樣，飛速發(fā)展。

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[5] United Press International. Indonesia: $5 billion in geothermal deals[EB/OL]. http://www.upi.com/Science_News/Resource-Wars/2010/04/28/Indonesia-5-billion-in-geothermal-deals/UPI-75251272464182/. 2010-04-28.

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[10]李志茂, 朱彤.世界地熱發(fā)電現(xiàn)狀[J]. 太陽能, 2007, (8): 10－14.

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[12] 國家能源局、財政部、國土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設部.促進地熱能開發(fā)利用[N].中國石化報，2013-02-28 (1).