地热资源是一种绿色低碳、可循环利用的清洁能源,在地热资源丰富的地区可有效替代煤炭等化石能源,对于调整能源结构、减少温室气体排放、助力实现“双碳”目标,建设美丽中国具有重要意义。

2023年6月,自然资源部浅层地热能重点实验室揭牌,旨在通过产学研用结合,不断增强开发创新能力,发展成为全国浅层地热能科学研究、系统集成和展示的科技创新平台,服务自然资源管理和经济社会发展,推动“双碳”目标实现。

在全球以低碳转型为背景的当下,世界范围及国内地热资源开发利用又面临哪些新形势和技术难题?

西藏羊八井地热电站 本报记者 刘晓慧 摄

开发利用地热资源已成全球之势

地热能是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源,可直接用于供暖(制冷)、温泉、农业养殖,也可通过能量交换用于发电,对于改善当地环境,提高生活质量和缓解能源压力具有重要意义。

地热发电已有百年历史。

1904年,意大利托斯卡纳拉德瑞罗第一次利用地热驱动小型发电机发电为5个100瓦的电灯提供照明用电,至1913年建成了全球第一座地热电站。1958年,新西兰建成第一个热水型扩容闪蒸式地热电站。

如今,地热能已经成为全球范围内广泛应用的一种清洁能源。

冰岛被称为地热领域的“超级大国”,其首都雷克雅未克市的地热供暖已有百年的历史。

现在,地热能已经成为冰岛能源消耗的重要来源,全国有90%以上的家庭用地热供暖。冰岛政府鼓励并积极推动地热能应用的发展,将地热能应用于暖气、温室、游泳池等日常生活中。此外,冰岛还将地热能应用于发电领域,为整个国家提供大量的电力供应。

新西兰也是一个地热能资源非常丰富的国家。据统计,新西兰的地下热水和蒸汽资源总量为5000兆瓦,其中大部分被用于暖气、游泳池和温泉等日常生活中。此外,新西兰还将地热能应用于发电领域,并建设了多个地热发电站,可以为整个国家提供大量的电力供应。

美国也是地热能资源非常丰富的国家,主要集中在加利福尼亚州、内华达州和爱达荷州等地区。数据显示,美国5%的电力供应来自地热能。美国政府积极推动地热能应用的发展,支持地热能的开采和利用。目前加利福尼亚州已建设多个地热发电站提供电力供应。

地热能引起了越来越多的关注。多国政府和私营企业正大力投资清洁能源的研究和开发,产业发展潜力巨大。

除上述个国家外,在菲律宾、墨西哥等国家,地热能占据着相当大的比例,应用已经十分广泛。欧洲地区的部分旧的化石燃料项目也被改建为地热能站点,地热能被用来为工业设施供能。

根据世界能源协会评估报告,全球可再生能源中,地热能占总量的66%,折合标准煤近5000万亿吨,相当于煤炭储量的1.7亿倍,是亟待开发的巨大的“地下宝藏”。目前,全球已有近百个国家和地区开展了地热能开发利用,而且数量还在不断增加。

《世界地热供暖制冷进展》报告显示,截至2022年底,全球供热和制冷热能装机容量相当于1.73亿千瓦时,比2020年增加了60%,主要应用领域是建筑物供暖和制冷,其次是健康娱乐和旅游、农业和食品加工。

国际可再生能源组织统计数据显示,截至2021年底,全球地热能发电总装机容量15644兆瓦。2021年,全球地热能市场价值为66亿美元。预计到2027年前,全球地热能市场价值将达到94亿美元。

国内开发利用地热资源加速推进

地热能是一种可再生能源,对保障国家能源资源安全具有重要意义。

数据显示,我国的地热资源量约占全球的1/6,在青藏高原、东南沿海、华北平原、辽东半岛等地区广泛分布。

2017年,中国地质调查局组织对我国地热资源摸底调查,结果显示,我国开采利用规模最大的水热型地热资源储量十分丰富,总量折合标准煤约12500亿吨,其中每年可开采量折合标准煤达18.65亿吨,是2022年全国能源消费总量的34%。对于开采难度较大、目前暂不具备大规模开采条件的干热岩资源,其资源储量高达856万亿吨标准煤,潜力巨大,被认为是未来的战略资源。

从20世纪50年代起,我国就开始规模化利用地热能。

20世纪70年代以来,我国先后在西藏羊八井、朗久、那曲建设商业性地热发电站。

当前,能源行业低碳转型和推进绿色发展已成大势所趋,国家已将地热能开发利用纳入能源总体规划。地热资源开发利用在提速。

国家发展改革委等八部门发布的《关于促进地热能开发利用的若干意见》提出,到2025年,全国地热能供暖(制冷)面积比2020年增加50%,在资源条件好的地区建设一批地热能发电示范项目,全国地热能发电装机容量比2020年翻一番。

2021年,《关于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》《关于加强县城绿色低碳建设的意见》《关于促进地热能开发利用的若干意见》等系列支持地热能发展政策先后发布。《“十四五”可再生能源发展规划》则明确提出“积极推进地热能规模化开发”,到2025年地热能供暖等非电利用规模达到6000万吨标准煤以上,持续营造有利于地热能开发利用的政策环境。

《2023年能源工作指导意见》提出,积极推广地热能、太阳能供热等可再生能源的非电利用。

近年来,各地为加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系,也在不断采取措施积极推动地热能产业发展。

浅层地热能储量大、分布广、热导率高和可再生能力强的贵州省,相继出台了系列政策和规划文件。2021年出台的《贵州省地热能产业发展“十四五”规划》提出,到“十四五”末,全省地热能供暖(制冷)面积累计达到2500万平方米,产业竞争力、影响力、渗透力和辐射力不断增强,产业增加值突破80亿元,形成完整的地热能上、中、下游产业链体系和适合省情的管理制度和激励政策措施;打造“一区”(铜仁引领发展区)、“两核”(贵阳-贵安-安顺都市圈、遵义都市圈核心发展区)、“两带”(毕水兴发展带、凯里都匀发展带)、“多极”(县域城镇发展极)地热能产业发展布局。

2022年10月,云南省自然资源厅、省发展改革委等七部门印发的《云南省矿产资源总体规划(2021-2025年)》提出,合理利用地热资源,加快推进地热等矿产资源勘查,并依托地热带动重点地区旅游与康养产业发展。同年,云南省科技厅初创型新型研发机构地热能科学技术(大理)研究院成立,开展地热能勘探开采、技术研发、成果转化、产业培育、人才培训、科技交流等工作,成为国内地热能研究开发利用的主要技术研究力量之一。他们先后启动“云南省中深层地热能勘探开发关键技术研究”项目和“云南省中深层地热能探测及ORC发电关键装备研制”项目,摸清了云南省地热资源家底,形成经济有效、特色适用的地热能勘探和发电技术系列,推动中深层高温地热示范区建设,最终实现云南省地热能的梯级利用。

2021年,《北京市矿产资源总体规划(2021-2025年)》强调,地热资源将成为首都矿产资源开发利用最为重要的矿种。2022年4月,《北京市“十四五”时期能源发展规划》进一步提出,大力推动能源新技术应用与城乡规划建设融合发展,大力推动浅层地源热泵、再生水源热泵等供热制冷技术与常规能源供热系统融合发展。到2025年,新增可再生能源供热面积4500万平方米,可再生能源供热面积占比超10%。

地热能的开发利用大致可分为直接利用和地热发电两种。对于浅层地热资源,以及中低温的水热型地热资源,通常以直接利用为主,如地热供暖、温泉康养等。对于高温水热型地热资源,地热发电则是价值更高的利用方式。近年来,我国的中深层水热型地热能供暖利用规模持续扩大,在北方清洁供暖和大气污染防治中发挥了重要作用,已成为可再生能源家族中的重要一员。

目前,在城市发展建设中地热资源利用最具代表性的雄安新区供暖面积超700万平方米,年可替代标准煤16万吨,减排二氧化碳40万吨,相当于植树22万棵。其中,雄县地热供暖面积超95%,成为全国首屈一指的供暖“无烟城”。

国家地热能中心的数据显示,2023年,全国336个主要城市浅层地热能年可采资源量折合7亿吨标准煤,中深层地热能年可采资源量折合超过18亿吨标准煤,干热岩地热能资源潜力巨大。

2021年世界地热大会公布的数据显示,2020年,中国地热直接利用装机规模在全球占比达37.7%,地热直接利用装机容量和地热能利用量连续多年均居世界首位。

在2023年世界地热大会上,我国首次发布的地热能国家主旨报告——《中国地热产业高质量发展报告》提出,在清洁供暖需求的强烈作用下,我国逐渐形成了以供暖(制冷)为主的地热发展路径,为国际地热发展提供了新思路。截至2021年底,我国地热供暖(制冷)能力达13.3亿平方米。未来,我国北方地区地热清洁供暖、长江中下游地区地热供暖(制冷)、青藏高原及其周边地热发电仍将是产业发展热点。

技术创新是实现地热能高效开发利用的关键

加快推进地热资源规模化开发利用,不仅对调整能源结构、实现“双碳”目标、改善生态环境具有重要意义,而且对培育新兴产业、带动相关装备制造国产化和工程技术创新发展具有引导和推动作用,对美丽中国建设具有重要意义。

积极稳妥推进碳达峰、碳中和,深入推进能源革命进程,地热产业的高质量发展是必然趋势,也是必然选择。

中国地质调查局调查评价结果显示,中国336个主要城市浅层地热能可实现供暖(制冷)建筑面积320亿平方米。我国高温水热型地热资源发电潜力为8460兆瓦。干热岩方面,据初步估算,中国大陆埋深3000米~10000米深度内干热岩资源量折合标煤856万亿吨,其中埋深在5500米以浅的折合标煤106万亿吨。

尽管我国地热资源丰富,但目前我国实际利用量还相对较少,在技术和政策推广应用端还存在一些难点、堵点。

相关专家表示,目前,国内在地热资源的直接利用、浅层和中深层资源利用方面已经形成了比较完备的技术体系,但是地热资源要实现可持续的进一步发展,尤其是在充分利用干热岩这种温度更高、更稳定的热岩方面,还面临很多的技术瓶颈。

在资源勘探方面,地下岩体结构复杂,地热水分布不均,因此勘探难度大,需要进行大量的勘探活动。勘探需要投入大量的人力、物力和财力,成本较高。对于地热资源丰富但没有足够资金投入勘探开发的地区,如何提高勘探成功率和降低勘探成本是亟待解决的问题。地质条件的差异性和复杂性会影响地热开发技术的选择。因此,要推进一体化解决方案,更好地推进资源识别、地面勘探、勘探钻井、生产钻井、发电厂建设启动等,不断降低地热项目的风险。同时,相关部门需尽快制定地热能开发利用管理办法,明确地热能资源和取热的边界和标准。此外,出台优惠政策,积极鼓励各类企业和社会资本积极参与地热能产业规模化开发。

在资源开发利用方面,地热能的开发需要依赖于地下热储层。因此,地质条件是决定能否开发地热能的主要因素之一。地下热储层的深度、渗透性、热导率、热储量等条件是地热能能否有效开发的关键。在实际开发中,不同的地质条件也会影响到地热能开发的效果和成本。例如,地下水渗透性差、热导率低、地下岩石层特别坚硬等情况都会导致地热能的开发难度增加以及效果不佳。地热井深度较深,施工难度大,需要借助先进的技术手段,采用特殊设备和工艺。地热能开发与利用也涉及环境保护问题。虽然地热能本身是一种清洁能源,但地热水通常含有硫化氢、二氧化碳等化学物质,对设备、管道等造成腐蚀,在勘探、开采和输送等过程中也会对环境产生影响。在开发与利用中,需要谨防污染地下水资源和土壤环境。