淺析地熱資源的開發利用

  隨著經濟發展和社會進步，人們在享受富裕生活的同時，對生態環境的要求也越來越高。近幾年揮之不去的霧霾，已成為政府治理環境污染的一大障礙，威脅到了人民群眾的身心健康。有效控制和降低霧霾不僅是人民群眾的強烈意愿，也成為考驗政府執政能力、建設服務型政府的重要內容。根據監測分析，2013年西安全年空氣污染天數達到227天，以PM2.5為首要污染物的天數達138天，占60.8%，PM2.5污染物約有1/4來自燃煤排放，在冬季采暖季尤為明顯。為此，陜西省委、省政府提出要把鐵腕治霾作為一項政治任務強力推進，要求關中五市一區2014年減少1000萬噸燃煤消耗量。在環保重壓之下，各地大力推進燃煤鍋爐“煤改氣”，從供暖方式上減少煤炭使用量是治污減霾的重要方向。與燃煤鍋爐相比，燃氣鍋爐能效比較高，污染物排放較少。但燃氣鍋爐也有弱點，一是使用成本和安全要求高；二是受天然氣供應量影響大，有的地方鍋爐改造完畢，卻連調試用的天然氣都沒有；三是仍有二氧化碳排放。況且，天然氣與煤炭一樣屬于常規能源，都是不可再生的一次性能源，把這種有限且珍稀的資源規模化應用于城市供暖，其運行并不經濟，還會造成資源浪費，加速資源枯竭。

 

  因此，尋找其他可再生的新型清潔能源成為擺在我們面前的現實任務。

 

  開發利用地熱能有良好的社會、環境效益

 

  為了尋找可再生的新型清潔能源，科學家做了廣泛的嘗試。風能、太陽能等可再生能源，受地域、天氣、季節變化影響大，難以全方位、全天候應用。核電站技術日臻完善，但建設成本大，有一定的安全風險。水電資源豐富，但易受氣候條件制約，枯水期無法全負荷運轉，且存在引發地質變化的可能和難以避免的生物生態環境問題。這樣，地熱逐漸進入了人們的視野。

 

  地熱來自于地球內部，地核散發的熱量透過地幔的高溫巖漿傳達至地殼形成“地熱能”。常見的地熱依其儲存方式，可分為３種類型：第一種是水熱型，稱為熱液資源，統稱為地熱水，指地下水在多孔性或裂隙較多的巖層中吸收地熱，其所儲集的熱水及蒸汽，經適當提引后可為經濟型替代能源，即常見的地熱水、溫泉，其開采歷史悠久。第二種是土壤熱源型，地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。第三種是熱巖型，稱為干熱巖資源，指淺藏在地殼表層的熔巖或尚未冷卻的巖體，可以人工方法造成裂隙破碎帶，再鉆孔注入冷水使其加熱成蒸汽和熱水后將熱量引出。其中第二、第三種類型不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層深層、近乎無限的可再生能源，使得地熱能成為清潔的可再生能源的一種形式，其開采技術近年來獲得突破。

 

  地熱資源是礦產資源的一部分。以往人們對地熱的認識很單一，只是針對地熱水。2004年12月，陜西省人民政府與國土資源部合作開展的《陜西省關中盆地地熱資源調查評價》項目，歷時4年共投入項目經費2500萬元，其對陜西省地熱資源普查也僅僅限于地熱水。根據普查結果，關中地區地熱資源居陜西省之冠，而西安一帶的地熱資源又居關中之冠。由于地熱水資源的形成與地質構造、水文等客觀條件有著密切的關系，所以西安地區擁有的豐富地熱資源堪稱是大自然的慷慨賜予。然而，地熱水是不可再生的，賦存有限，用一點少一點，還會帶來地下水受污染等風險，必須采取措施加以保護，嚴格控制開發。目前西安地區的地熱井總數已達140口左右，其中有90口左右集中在市區，不少地熱井出現水位下降，最深的地熱井甚至打到了4000米左右。實際上，當地熱井取水深度超過150米，其耗能將逼近加熱冷水的資源損耗，已經喪失經濟運行價值。因此，對于西安的地熱水資源需要科學評估，合理利用，防止因過度開采而耗盡。

 

  現在，我們需要很好地認識和了解地熱資源——土壤熱源和熱巖資源。

 

  地熱是蘊藏在地球內部的一種巨大的“綠色能源寶庫”，具有可持續和可再生等特點，不僅資源儲量大，分布廣，還是一種新型清潔能源，開發利用地熱能具有良好的社會效益、環境效益，市場潛力巨大，發展前景廣闊。早在1970年，地質部部長李四光就提出“地下是一個大熱庫，是人類開辟自然能源的一個新來源，就像人類發現煤炭、石油可以燃燒一樣”。地熱是唯一不受天氣、季節變化影響的能源，最大優勢在于其安全性、穩定性、連續性和利用率高，具有清潔、低碳、可再生等特點。積極開發利用地熱能對緩解我國能源資源壓力、實現非化石能源目標、推進能源生產和消費革命、促進生態文明建設具有重要的現實意義和長遠的戰略意義。

 

  按照現有開發技術的可能性，地熱資源的范圍一般指在地殼表層以下5000米以內地層和巖石所含的熱量。按照埋藏深度，200米以內的屬于淺層地熱能，稱為土壤熱源，溫度大約在25攝氏度左右。隨著深度增加，正常狀態為埋深每增加100米，溫度升高3攝氏度。埋深200米~3000米的屬于中層地熱，溫度在65～150攝氏度之間，埋深3000米以上深層沒有水或蒸汽的熱巖體屬于深層地熱，溫度在150～650攝氏度之間。習慣上將土壤熱源之外的地熱統稱為干熱巖。

 

  據測算，我國在較淺層的干熱巖資源中，蘊藏的熱能是包括石油、天然氣和煤在內的所有化石燃料能量的300倍還多，地下3000米～10000米深處干熱巖資源相當于860萬億噸標準煤，是我國目前年度能源消耗總量的26萬倍。最重要的是，干熱巖系統的排放幾乎為零，無廢氣和其他流體或固體廢棄物，可維持對環境最低水平的影響，最大程度地緩解氣候變化壓力。

 

  我國幅員遼闊，地下蘊藏的地熱能極其豐富并且遍布各處，與其他幾種新能源相比，其具有穩定性高、品質好、儲藏量高、遍布區域廣、可再生等優點，并且未被大量開發。因此，地熱能開發利用逐漸成為了新能源產業中最具開發潛力、最具有市場空間、最具有經濟社會效益的產業。

 

  土壤熱源與干熱巖應用技術對比

 

  目前在西安已有針對土壤熱源和干熱巖兩種地層地熱應用的成功案例，特別是干熱巖供熱技術，經過科技人員多年研發已取得重大突破。    一是利用土壤熱源供暖。西安市內某小區因市政熱力管網沒有到達，建成數年無法供暖。通過運用地源熱泵技術，在小區周圍共鉆探741個埋深200米的換熱孔，通過地源熱泵吸附25攝氏度左右的土壤熱源，解決了13.82萬平方米住宅建筑面積供暖問題。

 

  地源熱泵的優點是：環保節能，不使用煤炭、天然氣，不產生廢氣、廢渣；安裝使用相對靈活，不受市政管網輻射的限制；可以提供供暖、制冷、解決部分生活熱水，一機多用。其缺點是：換熱孔施工需要較大的空間，在建筑密度高的區域無法大面積實施，難以規模化發展，由淺層土壤熱源吸熱，需要消耗一定電力。

 

  二是利用干熱巖熱能供暖。西安市內某大廈商住樓項目，通過運用干熱巖供熱技術，在市區街道紅線內鉆探3個直徑200毫米、埋深2000米的換熱孔，吸附65攝氏度左右的干熱巖熱能，滿足了28層3.77萬平方米建筑面積供暖需要。該項技術通過鉆機向地下干熱巖層鉆直徑200毫米、埋深2000米的換熱孔，給孔中安裝密閉的金屬換熱器，在換熱器內充滿換熱介質——軟化水，通過換熱器管壁傳導將地下深層的熱能導出，再通過循環系統向建筑物供熱，能量來自地下，效率更高，經濟效益、社會效益顯著，治污減霾成效更加突出。

 

  干熱巖供熱技術具有以下特點：

 

  一是占地空間小。鉆孔位置的選定比較靈活，可不受場地條件制約。二是綠色環保。無廢氣、廢液、廢渣等排放。三是保護水資源。系統與地下水隔離，不抽取動用地下水。四是高效節能。新材料的使用提高了吸熱導熱效率，一個換熱孔可以解決1萬～1.3萬平方米建筑的供暖。五是系統壽命長。換熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命可與建筑壽命相當。六是安全可靠。孔徑小，埋管深，系統穩定，地下無運動部件，對建筑地基無任何影響。七是投資成本低。向地下中、深層取熱，增加單孔取熱量，擴大供熱面積，可減少鉆孔數，降低開發成本。以100萬平方米建筑面積一個采暖季（4個月）為例來分析一下。

 

  能源消耗對比：采用干熱巖供熱技術需要消耗部分電能，折合成當量標準煤約為5400噸；采用燃煤鍋爐消耗標準煤量1.6萬噸，比干熱巖供熱多消耗標準煤約1.06萬噸。

 

  排放物質對比：干熱巖供熱技術消耗少量電能，不產生廢棄物，零排放；燃煤鍋爐二氧化碳排放量約4.3萬噸、二氧化硫排放量約136噸。    投資運行對比：與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐相比，干熱巖技術應用前期投入低20%左右，正常運行及維護費用低35%左右。

 

  地熱能技術應用需要大力扶持和推廣

 

  地熱能作為可再生的新型環保清潔能源，也是一種特殊礦產資源。地熱資源的應用潛力巨大，隨著技術進步，不斷擴大使用范圍，將會創造一種全新的能源利用形式，不僅可以優化能源消費結構，節約資源，而且治污減霾效果突出，環境效益十分顯著。科學開發利用地熱能會給人類社會發展帶來巨大好處。僅從利用地熱能供暖測算，若實現利用地熱能供暖1000萬平方米面積，每年可節約標準煤約59萬噸，減排二氧化碳約160萬噸，二氧化硫約5000噸，氮氧化物約4900噸。

 

  我國十分重視推進地熱資源利用。早在2008年12月國土資源部就發出了《關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知》，指出“要加強組織領導，抓好技術培訓，制定優惠政策，實行規范管理，促進淺層地熱能開發利用工作健康發展。”

 

  2009年12月26日全國人大常委會通過的《中華人民共和國可再生能源法》明確規定：“可再生能源是指風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石能源。國家將可再生能源的開發利用列為能源發展的優先領域，通過制定可再生能源開發利用總量目標和采取相應措施，推動可再生能源市場的建立和發展。”

 

  2010年4月，中國地質調查局頒布《淺層地熱能勘查評價技術規范》，明確“淺層地熱能是指地表以下一定深度范圍內（一般為恒溫帶至200米埋深），溫度低于25攝氏度，在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地熱能。淺層地熱能是地熱資源的一部分。”

 

  2013年1月，國家能源局、財政部、國土資源部、住房和城鄉建設部聯合發出《關于促進地熱能開發利用的指導意見》，明確要求“大力推進地熱能技術進步，積極培育地熱能開發利用市場，按照技術先進、環境友好、經濟可行的總體要求，全面促進地熱能資源的合理有效利用。完善價格財稅扶持政策。按照可再生能源有關政策，中央財政重點支持地熱能資源勘查與評估、地熱能供熱制冷項目、發電和綜合利用示范項目。按照可再生能源電價附加政策要求，對地熱發電商業化運行項目給予電價補貼政策。通過合同能源管理實施的地熱能利用項目，可按現行稅收法律法規的有關規定享受相關稅收優惠政策。利用地熱能供暖制冷的項目運行電價參照居民用電價格執行。采用地熱能供暖（制冷）的企業可參照清潔能源鍋爐采暖價格收取采暖費。鼓勵各省、區、市結合實際出臺具體支持政策。”

 

  2014年6月，國家能源局綜合司、國土資源部辦公廳發出《關于組織編制地熱能開發利用規劃的通知》，要求各地“近期地熱能開發利用規劃以淺層地溫能供暖（制冷）、中深層地熱能供暖及綜合利用為主，具備高溫地熱資源的地區可發展地熱能發電。遠期發展中溫地熱發電和干熱巖發電，并提高地熱綜合利用水平。加強地熱能開發利用規劃與區域能源規劃、城鎮供熱規劃、城鎮建設規劃的統籌協調，將地熱供暖規劃納入城鎮供熱體系，做好供熱范圍的劃定和供熱價格的銜接，并在市政基礎設施建設、資金支持等方面為地熱能開發利用提供保障。”

 

  地熱能行業產業鏈長，地質勘探、產品研發、制造、系統設計安裝、售后服務等方面涉及面廣，屬于技術密集型產業。近年來，雖然國家對地熱能項目有節能投資項目無償補助、按投資規模給予資助、按節能效果給予獎勵等相關政策，但對于這一新型清潔能源來說還不夠，還需要在相關技術研發、資源合理利用以及市場準入等方面制定出臺新的優惠政策，以鼓勵地熱能推廣應用，積極引導社會資金投入，逐步形成淺層地熱能開發有度、市場有序的良好局面。除此之外，還需要在以下方面做好工作：一是廣泛宣傳，讓更多的人了解地熱能尤其是能夠帶來顯著社會效益、環境效益的干熱巖新技術。二是做好技術推廣，實現規模化應用，切實降低建筑供暖領域煤炭、天然氣使用量，減少排放。

 

  鑒于地熱資源利用對促進生態文明建設具有重要意義，對城市治污減霾作用巨大，地熱資源相關管理部門需要根據地熱開發利用實際，制定流程簡便、分工明確、監管有力的地熱能開發利用項目管理辦法，簡化審批辦法，提高行政效率，加強項目后續運行及環境保護監管，建立信息監測體系，完善設備檢測認證制度等，在涉及地熱資源應用政策制定、項目技術推廣會商時，給予積極支持。同時，政府相關部門也應當大力支持地熱資源技術應用，從政策、資金、技術推廣等方面對從事干熱巖供熱技術研發的企業加大支持力度，不斷擴大市場份額，為節能減排、治污減霾發揮更大的作用。