潛力巨大的地熱能

    地熱能是蘊藏在地球內部的一種潛力巨大的可再生能源，實際上包括兩類介質；一種是巖體熱資源；另一種是水（礦）熱資源。地熱利用可以分為地熱發電和地熱直接利用兩大類。經過幾十年幾代人的努力，目前，常規地熱也就是水熱型地熱的直接開發利用，我國已處于世界先進水平，利用的地熱能總量居世界前列。相對而言，地熱發電近30年來發展緩慢，中低溫地熱發電停滯，高溫地熱發電裝機容量很小，干熱巖資源發電尚屬空白。本文對我國地熱發電的歷史、現狀作簡要介紹，并對開發前景進行分析。

一、地熱發電技術

    要讓地熱發電，首先要將熱能轉化成動能，然后將動能再轉變成電能。用于發電的地熱資源，主要有三種，即水熱資源、地壓資源、干熱巖資源。目前只有水熱資源用于商業發電，其余還處于試驗階段。作為地下熱能的載熱體可以是蒸汽或是熱水，因此地熱發電分為地熱蒸汽發電和地下熱水發電兩大類。地熱蒸汽發電簡單，因為地熱蒸汽既是載熱體又是工質。地下熱水發電須先汽水分離，水要排掉，使蒸汽進入汽輪機做功，這種系統叫閃蒸系統（減壓擴容系統）；或利用地下熱水來加熱某種低沸點工質，進入汽輪機做功，這種系統稱雙流體系統（低沸點雙工質系統）；還有一種全流系統，將汽水混合物直接送入一個膨脹機做功，產生機械功帶動發電機發電。目前實際應用的地熱能發電技術主要有擴容閃蒸法、雙工質法、螺桿膨脹動力機組。

二、我國地熱發電歷史與現狀

（一）中低溫地熱流體發電

    20世紀70年代，我國先后在廣東、江西、湖南、廣西、山東、遼寧、河北等地共建成7處、利用100℃以下中低溫地熱流體發電的小型地熱試驗電站：

    1970年廣東豐順縣鄧屋，利用92℃地下熱流體采用閃蒸法發電試驗成功，當時的地質部部長李四光先生還發去了賀電。首次發電裝機容量為86kW。1978年采用雙工質法的第二臺試驗機組發電量為200kW。1984年第三臺300kW機組投入生產。其中1號機組、2號機組完成試驗不久后都停運了，3號機組（300kW，水溫92℃，閃蒸）一直運行至2008年因設備老化、腐蝕等問題停運。

    1971年在江西宜春縣建立的溫湯地熱試驗發電站（2臺機組裝機容量100kW），是世界上因地制宜利用中低溫地熱水發電的范例。溫湯熱水溫度只有67℃，設計為一套雙循環地熱發電試驗裝置，工質采用氯乙烷。由于氯乙烷的沸點只有12.5℃，當67℃的熱水流入蒸發器，加熱器內的低沸點工質氯乙烷立即汽化，蒸汽壓力立即升高，主汽門一開，蒸汽就推動汽輪發電機組發電。廠用電只需一臺7kW工質泵，就能得到50kW的凈電。這是全世界地熱水溫度的一座小型地熱試驗電站（美國阿拉斯加Chena電站記錄的世界上中低溫地熱發電下限為74℃），整個電站的廠用電也是，非常成功，這一成果還獲得了1978年全國科學大會獎。

    湖南寧鄉縣灰湯地熱試驗電站也是一個比較成功的電站，1975年建成，利用98℃的溫泉，年裝機容量為300kW，電站由省電力系統統一管理，設備的建造和維護正規，正常運行30多年后到2008年終因設備老化停運。

    河北懷來縣后郝窯，利用85℃的地熱流體建立發電站，也是采用雙循環發電系統，工質為氯乙烷，裝機容量為200kW。

    遼寧營口市熊岳地熱試驗電站，熱水溫度84℃，采用正丁烷作為雙循環發電系統的工質，裝機容量為200 kW。

    山東招遠縣湯東泉地熱電站，熱水溫度98℃，裝機容量為300kW。

    廣西象州市熱水村地熱電站，熱水溫度79℃，裝機容量200kW。

    從以上資料可以看出：我國的中低溫地熱電站基本上是在計劃經濟時代建立的，雖然總裝機容量1.6MW微不足道，但都是當時科學工作者因地制宜、自主探索獲得的寶貴經驗，創造了利用67℃地熱流體的世界低溫度發電歷史，沒用進口設備，沒請外國專家，都是大學老師出圖紙，工廠試生產，其技術是與世界同步的擴容閃蒸法和雙工質循環法。但這些小型地熱發電站均是試驗研究性質，由于試驗經費減少、設備腐蝕等原因，其中5處在20世紀70年代末就認為沒有經濟效益而停止運行，僅廣東省豐順縣鄧屋和湖南省寧鄉縣灰湯各300kW均運行至2008年，因設備過于老化而停運。

（二）高溫地熱能發電

    我國高溫地熱能發電有西藏的羊八井、朗久、那曲、羊易，云南騰沖，臺灣的清水、土場。目前僅羊八井地熱電站仍在運行，其他電站均運行時間不長，因結垢等原因停運。

    西藏羊八井地熱電站是我國目前唯一仍在運行且效益較好的一個地熱發電站。1975年發現的羊八井地熱蒸汽田，位于拉薩市西北90公里青藏公路線上，為一面積30平方公里的斷陷盆地，有十多個地熱顯示區，沸泉組成的熱水湖、大小噴氣孔、熱水泉星羅棋布。羊八井地熱蒸汽田內的第一口鉆孔探至地下38~43米深時，蒸汽和熱水混合物從鉆桿外沿噴出，高達15米以上，井口壓力3.1kg/cm2，蒸汽流量10t/h，井下溫度達到150℃左右。羊八井地熱蒸汽田是我國目前已知的熱儲溫度的地熱田。我國第一座地熱蒸汽電站在西藏羊八井于1976年建立，第一臺1MW試驗機組于1977年發電成功，此后羊八井地熱電站經過不斷擴容，至1991年陸續組裝完成了另8臺3MW機組，同時第一臺1MW試驗機組退役。此后維持裝機容量24.18MW，每年發電量1億度左右，在當時拉薩電網中曾承擔41%的供電負荷，冬天甚至超過了60%，被譽為世界屋脊上的一顆明珠。2008年“國家863計劃”支持在羊八井地熱電站新增安裝了1MW低溫雙螺桿膨脹發電機組，利用電站排放的80℃廢熱水發電運行，2009年羊八井地熱電站發電量達到1.419億度。至今羊八井地熱電站已運行40多年，每年運行6000小時以上，年均發電量超過1.2 億度。此外羊八井還建有地熱溫室種植多種蔬菜，一年四季向拉薩供應新鮮蔬菜。目前西藏羊八井地熱電站總裝機容量為25.18 MW。

    西藏的地熱電站還有羊易地熱電站，井口工作溫度209℃，裝機容量30MW；阿里朗久地熱電站，2臺1MW機組，總裝機容量2MW；那曲地熱電站1992年由聯合國捐贈建設，采用美國ORMAT技術，井口工作溫度110℃，裝機容量1MW，但該地熱電站2000年停產。

    其他高溫地熱發電站有云南騰沖地熱田，井口工作溫度250℃，裝機容量12MW；臺灣清水地熱電站于1977年建立，2臺1.5MW機組，裝機容量3MW；臺灣土場地熱電站1983年建成，井口工作溫度173℃，雙工質，1臺機組裝機容量0.3MW。

三、地熱發電大有可為

    目前國際上評價一個國家地熱發展的程度，往往是以這個國家地熱發電的產出作為判斷根據。因為地熱發電要求比較高的技術，地熱發電能產生二次能源，為國家的經濟發展提供動力。根據國際地熱協會（IGA）的統計，至2015年全球有34個國家建有地熱電站，總裝機總容量達到18500MW，地熱發電10年內增長率為13.4%。同時預測利用現有技術，世界地熱發電潛力至2050年裝機容量可望達到70GW；若采用新的技術（增強型地熱系統EGS），則裝機容量可以翻一翻（140吉瓦）。若用地熱發電替代燃煤發電，至2050年將可減少二氧化碳排放每年10億噸，若替代天然氣發電則可每年減少5億噸。

    我國地熱發電探索起步不算晚，但近30年來發展緩慢，在世界各國中處于較為落后的局面，地熱發電裝機容量世界排名第15位，年發電量排在世界第14位。從地熱發電基礎理論和設備裝配角度看，我國利用技術水平已相當成熟。從資源儲量角度分析：全國已發現地熱點3200多處，其中具備高溫地熱發電潛力有255處，預計可獲發電裝機5800MW；干熱巖蘊藏熱能量巨大，我國大陸3000米至10000米深處干熱巖資源總計為2.5×1025J，相當于860萬億噸標準煤，是我國目前年度能源消耗總量的26萬倍；中低溫地熱資源豐富，在東南沿海、華北等地具有很好的中低溫地熱發電前景，目前開發利用量不到資源保有量的千分之一，總體資源保證程度相當好。

    當今世界，能源是一個國家的經濟命脈。對比我國未來40年地熱資源路線圖（表1），要實現2020年高溫地熱發電和干熱巖發電裝機容量達到75MW的目標還須努力，但通過科學工作者的共同奮戰，前景還是可以期待的。

表1 我國地熱資源中長期戰略目標建議

     首先，我國境內的環太平洋地熱帶和地中?！柴R拉雅(滇藏)地熱帶蘊藏有豐富的高溫地熱資源。我國擁有150℃以上高溫溫泉區近百處，主要集中分布在西藏南部、滇西地熱帶和臺灣地熱帶。西藏有沸泉44個，根據地球化學溫標推算高溫水熱對流系統有61個，估計發電潛力可達1930.11MWe30a。羊八井地熱蒸汽田內的ZK4001地熱井，井口工作壓力15×105Pa，工作溫度200℃，汽水總量302t/h，其中蒸汽流量37t/h，單井發電潛力即可達到12.58MW。羊易地熱田具有30MW裝機的建站條件，遠景發電潛力可達50MW。高溫地熱蒸汽首先用于發電，地熱電廠發電尾水向城市建筑物供暖，可實現高溫地熱發電—尾水供暖的梯級利用，達到經濟、環境效益的雙贏，無論從資源角度、還是從市場方面，有著廣闊的前景。西藏有高溫地熱蒸汽發電成功經驗，地熱資源豐富但開發利用程度較低，進一步開發羊八井深部熱能，可提高羊八井地熱電站發電能力。加大加快青藏路沿線地熱資源開發力度，以現有地熱電站為基礎，建立高溫地熱開發利用示范基地，以此帶動云南、福建、臺灣等地區的高溫地熱開發利用。

    其次，改進中低溫（100℃以下） 地熱發電技術，使經濟上更具競爭力。轉變“中低溫地熱發電在技術上可行、但經濟上不可行”的歷史偏見和認知誤區。太陽能光伏發電10萬元裝機1kW，年運行2000小時；而中低溫地熱發電1萬元裝機1kW，可實現年運行6000小時以上，優勢顯而易見。經濟性要從長遠的角度看，不能只從單一的經濟利益來評價地熱發電，還應認識到生產的是無碳的二次能源，包括能源結構的改善、環境效益等。

    另外，大量的礦山企業、燃煤電站和諸多油田廢棄油井所排放的高于80℃以上的廢水，采用雙流體系統發電，可以物盡其才廢物利用。尤其是油氣田伴生的中低溫地熱資源總量非常巨大，綜合開發利用將給我國地熱發電帶來新的機遇。油田區注水采油，使許多油田含水率已達90%，實際上是“水田”。地熱發電成本高在于鑿井費用，利用油氣田已有井孔，可大量節省打井費用，減少60%投資。油氣田綜合開發利用地熱資源，發電成本是增強地熱系統（EGS）的1/4或1/5。已有統計預算：僅是我國任丘油田可供發電的中低溫(90～150℃)地熱資源就可建2000MW以上的地熱電站。油氣田區開發地熱資源，可以產生油—熱—電聯產井綜合效益，將是今后地熱產業發展的一個方向。

    第四，向深部干熱巖進軍。干熱巖資源量占全部地熱資源的98%，潛力無比巨大。地殼中干熱巖所蘊含的能量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍，是一種可再生能源，可以說取之不盡、用之不竭，是地熱發電領域新的突破點。目前，全球眾多經濟發達國家對干熱巖的發電研究方興未艾。世界上第一個商用增強型地熱發電廠已經在德國建成，2007 年投入運行每年可發電2200 千瓦時。建造一個干熱巖發電廠一般需要5年時間，其使用壽命一般在15～20年左右。我國增強型地熱系統（EGS）的具體目標是：初步將2020年作為技術成熟期，2035年形成規模開發，2050年將地熱發電的目標設定為全國總裝機容量的5%～10%，這是非常高的目標。為實現這一目標，地熱界在努力?？瓶颊J為西藏南部上地殼中的熔融層是尋找增強型地熱系統的有利地區，羊八井深部和云南騰沖熱海熱田的發電潛力可達到100GWe。2007～2008年中、澳簽訂合作協議共同承擔“中國工程地熱系統資源潛力的研究”項目，兩國科學家多次在云南、廣東、福建、江蘇等地考察，選擇福建漳州和江蘇北部為前景區。2010年國土資源部啟動“我國干熱巖勘查關鍵技術研究”。2012年科技部863項目啟動“干熱巖熱能開發與綜合利用關鍵技術研究”。高溫巖體地熱資源豐富、地熱梯度高的青海共和盆地作為我國干熱巖優先開發地區，投入了深部地球物理勘探，實施了干熱巖科學鉆探，2017年8月位于青海省共和縣的GR1井實施固井一次成功，井深3705米探獲236℃優質干熱巖，成為國內溫度的干熱巖井。2019年自然資源部中國地質局正式印發《青海共和盆地干熱巖勘查與試驗性開發科技攻堅戰實施方案（2018~2025）》，明確總體目標：通過協同攻關，突破干熱巖勘查開發重大技術難題，實現干熱巖勘探開發重大儀器國產化，建立中國首個可復制推廣的經濟型、規?；蔁釒r開發示范工程。一旦試驗成功并廣泛推廣應用，則又是地熱發電的一個歷史里程碑。

    國家給予政策和財政支持。相比風能、太陽能等其他可再生能源，地熱發電具有很高的利用效率。據《聯合國世界能源評價報告》（2007），地熱發電的利用效率高達72%～76%，是風能的3～4倍、太陽能的4～5倍。增加我國地熱發電的裝機容量，既可以促進經濟發展，又可以在減排的國際談判中爭取話語權。建議參照其他可再生能源產業發展政策，給予地熱發電上網電價補貼，鼓勵和吸引更多企業和資金投入到地熱發電項目中來。

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