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全球地?zé)崮艿拈_發(fā)利用現(xiàn)狀與展望
日期:2023-07-26   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_oumingzhu 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
地?zé)崮茏鳛橐环N非碳基、清潔能源,具有穩(wěn)定連續(xù)輸出的優(yōu)勢,對實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)具有重要價(jià)值。本文在綜述全球地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,從地?zé)豳Y源分布、地?zé)岚l(fā)電利用、地?zé)嶂苯永煤偷責(zé)?a href="/news/search.php?kw=儲能" target="_blank">儲能等方面入手,對全球地?zé)崮荛_發(fā)利用的發(fā)展趨勢和新技術(shù)研發(fā)方向進(jìn)行了梳理。在總結(jié)全球地?zé)衢_發(fā)利用經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),針對中國現(xiàn)有地?zé)崮荛_發(fā)利用的問題與技術(shù)水平,提出有利于推動和促進(jìn)中國地?zé)崮荛_發(fā)利用的政策建議和未來的發(fā)展方向。

來自地球內(nèi)部的本土能源的地?zé)崮苁且环N潔凈的可再生能源。與風(fēng)能、太陽能等可再生能源相比較,地?zé)崮艿淖畲髢?yōu)勢在于能量的穩(wěn)定連續(xù)輸出,國際可再生能源組織(IRENA)《可再生能源發(fā)電成本》報(bào)告顯示,2007—2021年,地?zé)岚l(fā)電的能源利用系數(shù)在70%~90%。“十四五”時(shí)期是中國推動經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”階段性目標(biāo)的關(guān)鍵時(shí)期,在加強(qiáng)大氣霧霾治理力度、積極應(yīng)對全球氣候變暖趨勢、主動承擔(dān)溫室氣體減排責(zé)任的大環(huán)境下,地?zé)崮芤殉蔀楦鞯貭幭嚅_發(fā)利用的重要新能源之一。

自2010年以來,全球地?zé)崮芾每焖僭鲩L,地?zé)嶂苯永醚b機(jī)容量和年利用熱量分別約為108GWt和283580GWh,中國在地?zé)嶂苯永梅矫骈L期保持世界第一。地源熱泵系統(tǒng)在全球地?zé)嶂苯永玫难b機(jī)容量和利用熱量中占比分別約為72%和60%。1995—2020年,熱泵系統(tǒng)呈現(xiàn)每年約16%增長率的指數(shù)增長趨勢,預(yù)計(jì)這一趨勢將在未來持續(xù)下去。截止到2020年,全球地?zé)岚l(fā)電的總裝機(jī)容量為15.9GWe,年發(fā)電量為73550GWh。2010—2020年,地?zé)岚l(fā)電的年平均增長率約為4%。

本文在綜述全球地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,從地?zé)豳Y源分布、地?zé)岚l(fā)電利用、地?zé)嶂苯永煤偷責(zé)醿δ艿确矫嫒胧?,對全球地?zé)崮荛_發(fā)利用的發(fā)展趨勢和新技術(shù)研發(fā)方向進(jìn)行了梳理。在總結(jié)全球地?zé)衢_發(fā)利用經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),針對中國現(xiàn)有地?zé)崮荛_發(fā)利用的問題與技術(shù)水平,提出有利于推動和促進(jìn)中國地?zé)崮荛_發(fā)利用的政策建議和未來的發(fā)展方向。

地?zé)豳Y源分布

全球地?zé)豳Y源總量豐富,但空間分布上極不平衡。高溫地?zé)豳Y源主要分布在離散板塊邊界和匯聚板塊邊界,高溫地?zé)豳Y源分布總體受地球的構(gòu)造—熱背景控制,空間分布上與全球板塊邊界、地震帶、火山帶具有相關(guān)性,最為顯著的特征是熱流高、高溫水熱活動強(qiáng)烈、活火山與地震活動頻繁。4個(gè)全球性的高溫地?zé)釒牵涵h(huán)太平洋帶、大西洋中脊帶、東非裂谷帶、地中海—喜馬拉雅帶(圖1);而中—低溫地?zé)豳Y源則廣泛分布在板塊內(nèi)部,主要分布于造山帶及山間盆地和中-新生代沉積盆地,圖1為全球地?zé)釒Х植紙D。

圖1 全球地?zé)釒Х植?/div>
環(huán)太平洋地?zé)釒侨蚍植挤秶顝V的一個(gè)地?zé)釒?,沿太平洋板塊與美洲板塊、歐亞板塊的俯沖/碰撞邊界展布。最為顯著的特征是高熱流、年輕造山活動和頻繁活火山活動。按照地理分布進(jìn)一步分為東太平洋中脊、西太平洋島弧和東南太平洋縫合線3個(gè)地?zé)醽啂?。儲層溫度一般?50~300℃,代表性的地?zé)崽镉忻绹w瑟斯(288℃)、墨西哥塞羅普列托(388℃)、中國臺灣大屯(293℃)、日本松川(250℃)以及菲律賓巴克曼(300℃)等。但需要特別指出的是,中國大陸東部地區(qū)并不屬于環(huán)太平洋地?zé)釒?,因此,中國大陸東部高溫地?zé)峥碧綉?yīng)該遵循板內(nèi)地?zé)岢梢蚶碚?,而非板緣地?zé)岢梢蚶碚摗?br />
地中海—喜馬拉雅地?zé)釒в商靥崴箍p合帶組成,位于歐亞板塊與非洲板塊及印度洋板塊碰撞的接合地帶,以地殼增厚、年輕造山運(yùn)動、現(xiàn)代火山作用、巖漿侵入以及高熱流等為特征。熱儲溫度一般在150~300℃,代表性的地?zé)崽镉兄袊虬司?62℃)、羊易(192℃)、騰沖(250℃)、康定(180℃)、意大利拉德瑞羅(245℃)以及土耳其克澤爾代爾(200℃)等。

大西洋中脊地?zé)釒Т蟛糠衷谘蟮?,出露海面的部分呈南北向展布。熱儲溫度一般?00~300℃,代表性的地?zé)崽镉斜鶏u亨伊爾(230℃)、雷克雅未克(286℃)、納馬菲雅爾(280℃)等。

東非裂谷地?zé)釒е黧w位于非洲板塊內(nèi),沿大陸裂谷系展布,北端為紅海-亞丁灣洋中脊擴(kuò)張帶。以高熱流、強(qiáng)烈現(xiàn)代火山作用以及廣泛斷裂活動為特征。熱儲溫度多高于200℃,代表性的地?zé)崽镉邪H肀葋嗊_(dá)洛爾(>200℃)和肯尼亞奧爾卡利亞(287℃)。

隨著近些年地?zé)豳Y源勘探的進(jìn)行,除了以上在板塊邊界部位形成的高溫地?zé)崽锿猓诎鍓K內(nèi)部也新發(fā)現(xiàn)了諸多的高溫地?zé)崽?,代表性的有青藏高原東北緣的共和盆地(>200℃)、德國蘭道(>160℃)和澳大利庫珀盆地(>200℃)等。

地?zé)岚l(fā)電利用

地?zé)岚l(fā)電是地?zé)崮茏钪饕睦梅绞街弧D壳埃髁鞯牡責(zé)岚l(fā)電技術(shù)包括背壓式發(fā)電、凝汽式發(fā)電、閃蒸發(fā)電、雙工質(zhì)發(fā)電、全流發(fā)電、閃蒸雙工質(zhì)發(fā)電等,采用何種發(fā)電方式主要取決于當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源的稟賦。地?zé)岚l(fā)電已有百年歷史,1904年,在意大利托斯卡納拉德瑞羅第一次利用地?zé)狎?qū)動小型發(fā)電機(jī)發(fā)電,發(fā)電功率為0.55kW,可提供5個(gè)100W的電燈照明用電。1913年,在該地?zé)崽锝ǔ闪巳虻谝蛔責(zé)犭娬?,裝機(jī)容量250kW。1958年,新西蘭建成了懷拉基地?zé)岚l(fā)電廠,為第一個(gè)熱水型擴(kuò)容閃蒸式地?zé)犭娬尽?960年,美國第一座裝機(jī)量11MW的地?zé)犭娬驹诩永D醽喼萆w瑟斯地?zé)崽锝ǔ?,順利運(yùn)行長達(dá)30年之久。根據(jù)國際可再生能源組織(IRNEA)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),截至2021年底,全球地?zé)崮馨l(fā)電總裝機(jī)容量15644MW,較2015年新增裝機(jī)容量3832MW(圖2),全球用于地?zé)岚l(fā)電的主要是中高溫地?zé)豳Y源。

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圖2 全球地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量趨勢

中國高溫地?zé)豳Y源主要分布在西藏地區(qū)。1977年,中國第一座兆瓦級高溫地?zé)犭娬驹谖鞑匮虬司l(fā)電成功,羊八井地?zé)犭娬镜难b機(jī)容量最高時(shí)達(dá)到了27.18MW。2018年底,西藏羊易地?zé)犭娬就瓿梢黄?6MW建設(shè),2019年2月底完成滿負(fù)荷并網(wǎng)發(fā)電。截至目前,中國累計(jì)建成的地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量約為59.6MW,然而,由于各種原因目前實(shí)際運(yùn)行的不足20MW。

由于可開采高溫地?zé)豳Y源需進(jìn)一步探明以及干熱巖發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)仍有待突破,中低溫地?zé)岚l(fā)電有望成為未來地?zé)岚l(fā)電發(fā)展的一個(gè)重要方向,但中低溫地?zé)岚l(fā)電應(yīng)與其他地?zé)崂梅绞较嘟Y(jié)合,以提高能源的利用效率和經(jīng)濟(jì)性。冰島將116℃的地?zé)嵊糜诎l(fā)電,裝機(jī)容量0.6MW,發(fā)電后產(chǎn)生的76℃的尾水再用于供暖,實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的梯級利用。美國在阿拉斯加建成的切納地?zé)犭娬?,利?4℃的地?zé)崴M(jìn)行發(fā)電,地?zé)崴魅胗袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組的蒸發(fā)器,與蒸發(fā)器中的有機(jī)工質(zhì)換熱,降低至54℃流入回灌井,機(jī)組可以提供250kW的電力。日本利用中低溫地?zé)峤ǔ闪搜b機(jī)規(guī)模在100kW~5MW的ORC電站。20世紀(jì)70年代,在中國廣東豐順縣建成的國內(nèi)首座地?zé)犭娬?,其利用的地?zé)崴疁囟葹?2℃,其3號機(jī)組連續(xù)運(yùn)行了近40年,江西宜春曾經(jīng)創(chuàng)造了利用67℃地?zé)崴M(jìn)行發(fā)電的先例。

地?zé)嶂苯永?br />
地?zé)崮苤苯永冒ǖ責(zé)峁┡?、地?zé)嶂评?、地?zé)岣稍?、溫泉洗浴和地源熱泵等。?jīng)過長期的發(fā)展,地?zé)豳Y源的直接利用已經(jīng)從小范圍單一用途利用,逐步演化為大規(guī)模綜合利用工程。目前,全球約有80多個(gè)國家直接將地?zé)崮苡糜诮ㄖ┡ɑ蛑评洌?,或用于工農(nóng)業(yè)。其中,冰島是眾所周知的地?zé)崮芨咝ч_發(fā)利用的典范。雖然緊臨北極圈、全年低溫,但憑借豐富的地?zé)豳Y源,全國有90%以上的家庭用地?zé)峁┡1鶏u首都雷克雅未克市的地?zé)峁┡延邪倌甑臍v史,市區(qū)主要采用地?zé)峁┡哂?ldquo;無煙城”的美譽(yù)。據(jù)2020年世界低熱大會統(tǒng)計(jì),2019年底,世界范圍內(nèi)88個(gè)國家的地?zé)豳Y源直接利用總裝機(jī)容量為107727MWt(圖3能量使用約為1020887TJ/年(283580GWh/年)。各種地?zé)嶂苯永梅绞降难b機(jī)容量變化趨勢及分布情況,如表1所示,可以看出,各種地?zé)豳Y源直接利用方式的裝機(jī)容量均有顯著的增長,尤其是地源熱泵增長十分迅速。隨著地源熱泵受到越來越多的重視,地?zé)豳Y源應(yīng)用的區(qū)域和規(guī)模不斷擴(kuò)大。

圖3 地?zé)嶂苯永媚芰繉Ρ葓D

表1 各種地?zé)嶂苯永梅绞降难b機(jī)容量(單位:MWt)
 

地?zé)峋C合梯級利用無疑提高了地?zé)豳Y源的利用率和經(jīng)濟(jì)效益,許多國家已經(jīng)開始紛紛采用這一技術(shù),肯尼亞近年來在地?zé)岚l(fā)電方面發(fā)展很快,而其在地?zé)嶂苯永蒙弦埠苡刑厣?,肯尼亞Eburru項(xiàng)目利用2口淺層井中產(chǎn)出的地?zé)豳Y源依次用于干燥農(nóng)產(chǎn)品、溫室加熱、家禽孵化等,另外,冰島、奧地利、德國等也有相關(guān)的地?zé)崽菁壚庙?xiàng)目。1995年首次世界地?zé)岽髸詠?,中國地?zé)嶂苯永玫臒崃恳恢狈€(wěn)居世界第1位。2014年底,中國地?zé)嶂苯永冒l(fā)生了可喜的變化,地?zé)峁┡壤状纬^溫泉洗浴。2019年底,中國地?zé)嶂苯永醚b機(jī)規(guī)模40610MW,占世界總裝機(jī)的37.7%,年利用能量443492TJ/年,占世界總利用能量的43.4%。地?zé)峁┡浅卦礋岜弥庵袊钪匾牡責(zé)崂梅绞?,年利用熱量約占世界總量的55.6%。1990年,全國地?zé)峁┡娣e僅190萬m2,2000年為1100萬m2,2019年達(dá)到了4.78億m2。2019年,河北省水熱型地?zé)峁┡娣e達(dá)到1.6億m2,而雄縣也被打造成地?zé)峁┡?ldquo;無煙城”。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下,可以預(yù)見地?zé)豳Y源開發(fā)利用的速度將不斷加快。

地?zé)醿δ芾?br />
地?zé)醿δ苁且环N利用地下含水層作為介質(zhì)以存儲熱能的儲能系統(tǒng)。它通過地下水井從含水層中注入和抽取地下水,實(shí)現(xiàn)熱能儲存和回收(圖4)。地?zé)醿δ芸梢詮浹a(bǔ)能源供需在時(shí)間/空間分布的不平衡,能夠綜合利用多種可再生能源形式,減少對礦物燃料的依賴,為節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)提供了一個(gè)很好的解決途徑,也是助力中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有力手段。

圖4 地?zé)醿δ苣J礁拍?/div>
根據(jù)含水層深度,可將地?zé)醿δ芟到y(tǒng)分為如下2類:(1)淺部地?zé)醿δ?,含水層深度?00m以淺,存儲熱水溫度一般低于50℃;(2)深部地?zé)醿δ埽畬由疃韧ǔT?00m以深,存儲熱水溫度一般在50~150℃。

淺部地?zé)醿δ芤驕囟容^低,其最主要的利用方式是建筑的供暖和制冷。國際上對淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的實(shí)際利用始于20世紀(jì)中葉。中國在利用淺部地下含水層進(jìn)行儲熱方面的實(shí)踐開展較早,20世紀(jì)60年代,上海開展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲熱技術(shù)。截至目前,中國共有6座淺層地?zé)醿δ芟到y(tǒng)已建成并投入使用。近年來,隨著新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,淺部地?zé)醿δ艿睦梅绞揭哺佣嘣?。目前在溫室農(nóng)業(yè)和大型數(shù)據(jù)中心,都有利用淺部地?zé)醿δ艿膶?shí)際案例。

深部地?zé)醿δ芸蓛囟容^高,有的甚至超過100℃,主要可用于發(fā)電和供暖。深部地?zé)醿δ苎芯亢屠檬加?0世紀(jì)80近年代,近年來,隨著能源需求日益增長,深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)又重新受到重視,關(guān)于深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)的研究和工程實(shí)踐也越來越多。2018年,歐盟資助了地下儲熱項(xiàng)目HEATSTORE,總投資達(dá)到5000萬歐元,9個(gè)國家參與(德國、法國、荷蘭、瑞士、比利時(shí)、丹麥、冰島等),項(xiàng)目為期5年(2018—2022年),共資助6個(gè)地下儲熱示范項(xiàng)目,其中包括3個(gè)深部地?zé)醿δ茼?xiàng)目。另外,美國國家科學(xué)基金會(NSF)資助的儲熱項(xiàng)目Geothermal Battery,總投資1000萬美元,由猶他大學(xué)牽頭,愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多家企業(yè)參與其中。中國在深部地?zé)醿δ芊较虻难芯块_展較晚,當(dāng)前以中國科學(xué)院地?zé)釄F(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的深層含水層地下儲熱研究已從理論模型研究進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)和示范工程建設(shè)階段。

地?zé)醿ψ鳛榫薮蟮奶烊荒茉磧?,最適宜在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中承擔(dān)蓄能和實(shí)現(xiàn)熱能穩(wěn)定輸出的功能,可以把風(fēng)能、太陽能等可再生能源儲蓄起來,實(shí)現(xiàn)高效規(guī)?;缂竟?jié)儲能利用,提高可再生能源的利用效率并克服可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn),可以加快中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”發(fā)展目標(biāo)。據(jù)研究表明,通過對荷蘭74個(gè)淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的調(diào)查顯示,從系統(tǒng)中每開采1m3的地下水,可以實(shí)現(xiàn)平均CO2減排量為0.46kg。這對于一個(gè)小規(guī)模地?zé)醿δ芟到y(tǒng)(功率在0.1~3MW)來說相當(dāng)于每年可以減少150t/a的CO2排放,而對于一個(gè)大規(guī)模系統(tǒng)(功率達(dá)到5~30MW)來說每年碳減排多達(dá)1500t/a。相比之下,地源熱泵(GSHP)系統(tǒng)的平均CO2減排量在1.8~4.0t/a。據(jù)報(bào)道,埃因霍溫(荷蘭)科技大學(xué)校園內(nèi)全球最大的淺部地?zé)醿δ芟到y(tǒng)每年可減排超過13000t的CO2,這相當(dāng)于800名美國公民或1300名德國公民的年平均碳排放。

同時(shí),在一定條件下,地?zé)醿δ芟到y(tǒng)與普通地?zé)嵯到y(tǒng)相比,具有更為顯著的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。典型地?zé)醿δ芟到y(tǒng)的投資回報(bào)時(shí)間僅為2~10a。用于制冷的地?zé)醿δ芟到y(tǒng)投資回報(bào)時(shí)間甚至更短,因?yàn)閮Υ娴睦淞靠梢灾苯邮褂?,不需要借助熱泵。?jù)研究報(bào)道表明,地?zé)醿δ芟到y(tǒng)平均使用壽命可達(dá)到25~50a。

結(jié)論

目前,全球的淺層地?zé)豳Y源均通過地?zé)岜眉夹g(shù)進(jìn)行開發(fā)利用,該技術(shù)是全球發(fā)展最快的可再生能源技術(shù)之一,也是地?zé)崂眉夹g(shù)中發(fā)展最快的部分。它們的增長速度驚人,呈指數(shù)級增長。深部地?zé)豳Y源可以直接利用,例如區(qū)域供暖、沐浴和游泳/保健、工業(yè)、農(nóng)業(yè)(尤其是溫室)和水產(chǎn)養(yǎng)殖。深部地?zé)崮艿母咝б?guī)模化開發(fā)利用已經(jīng)在北方地區(qū)冬季清潔供暖以及緩解大氣霧霾中發(fā)揮了重要作用,地?zé)峁┡夹g(shù)已趨于成熟。深部高溫水熱系統(tǒng)只存在特定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中,相對稀缺,嚴(yán)重制約高溫地?zé)岚l(fā)電的增長。因此,在有條件的地區(qū)發(fā)展各種地?zé)嶂苯永眉夹g(shù),采用綜合梯級利用提高地?zé)豳Y源利用效率。

雖然地球是一個(gè)龐大的熱庫,但地?zé)豳Y源分布極不均勻。往往在有需求的地區(qū)沒有足夠的可開采的地?zé)豳Y源,在需求量較小的地區(qū)地?zé)豳Y源非常豐富。另外,中國西北、東北、華北的部分地區(qū)均見有棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象,有些地區(qū)棄風(fēng)率高達(dá)50%以上,除此以外,工業(yè)余熱、核能余熱等其他形式的熱量均可以存儲在地球介質(zhì)中,實(shí)現(xiàn)高效規(guī)?;缂竟?jié)儲能。因此,如何將這些廢棄的能量儲存起來并加以充分利用,是擺在地?zé)峤缫灾琳麄€(gè)新能源和可再生能源界的大問題。事實(shí)上,規(guī)?;缂竟?jié)儲能是能源行業(yè)的重大科學(xué)問題,當(dāng)前可利用方式主要為抽水蓄能,但抽水蓄能面臨能源利用效率低、場地要求高等難題,亟需探索新的規(guī)?;瘍δ芗夹g(shù),而地?zé)醿δ芴峁┝藰O大的可能性。

原標(biāo)題:全球地?zé)崮艿拈_發(fā)利用現(xiàn)狀與展望
 
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