美國地熱能利用概述及技術創新發展趨勢-地熱發電-地熱供暖

由美國能源部(DOE)和國家可再生能源實驗室(NREL)聯合編制的《2021年美國地熱發電和區域供暖市場報告》，反映了2019年美國地熱發電和地熱區域供暖的發展現狀、發展預測及地熱能開發利用技術創新發展方向。

美國的地熱能發電裝機量位于世界首位，地熱發電技術處于世界領先地位，但近年來，美國地熱發電發展相對緩慢。由于美國有更廉價的天然氣資源作為供暖的主要來源，所以，地熱能區域供暖的發展較為滯后。從未來的地熱能開發利用技術創新發展方向來說，美國關注增強型地熱系統技術、閉環工質循環地熱技術、地熱發電靈活調度技術、地熱鹽水鋰提取技術、地下熱能存儲技術、油氣地熱伴生開發技術、超臨界地熱技術和地熱能微網技術。

一、地熱發電

(一)發展總體概況

目前美國共有93個地熱發電站，總裝機容量為3673MW。近年來，美國地熱發電裝機量增長緩慢，根據統計，從2015年至2019年期間，美國新增了7個地熱發電站，總裝機容量186MW，但同期11個地熱電站退役，總裝機容量103MW。

圖1 美國地熱發電總體概況

(注：凈容量定義為全年地熱發電量除以全年地熱發電小時數)

技術路線上，美國地熱發電以干蒸汽發電技術和閃蒸法(含單級閃蒸、雙級閃蒸和三級閃蒸)發電技術為主，自2000年至2020年以來，美國新增地熱電站中，幾乎均為雙級閃蒸法發電技術系統，僅有一家為三級閃蒸系統。服役年限上，美國已經有超過64%的地熱電站服役年限超過30年，在運20-30年的地熱電站占6%，在運10-20年的地熱電站占13%，在運小于10年的地熱電站占17%。地域分布上，加州和內華達州擁有美國溫度最高的地熱資源，因此這兩個州的地熱發電量占美國地熱發電量的90%以上，其余主要分布在阿拉斯加、夏威夷、愛達荷、新墨西哥州、俄勒岡和猶他州，加州共計有51座地熱電站，總裝機容量2627MW，內華達州共計有28座地熱電站，總裝機容量797MW。價格成本上，地熱發電的成本在59美元/MWh到101美元/MWh之間，仍然高于燃機發電和風電光伏的發電成本，美國的地熱發電成本預計到2050年將降至42美元-77美元/MWh之間。

圖2 不同技術路線的美國地熱能發電站裝機容量分布

(二)項目開發障礙

1. 技術障礙

(1) 針對識別和開發優質高溫地熱資源，未來需進一步開發先進勘探開發技術; (2) 地熱鉆井成本較高從而導致項目前期開發成本高，未來需要進一步開發高效經濟的地熱鉆井技術; (3) 進一步研發長時間、可持續、高循環量的EGS循環系統。

2. 政策障礙

(1) 以美國現有的PPA協議電價體系，地熱發電難以被發現優勢并獲得合理的PPA協議電價;

(2) 根據美國《國家環境政策法》，位于聯邦管理土地上的地熱項目在整個開發過程中最多可接受六次環境審查。此外，各級審查均有嚴格要求，地熱項目開發的時間框架可能長達7至10年。

3. 公眾認知

民眾普遍缺少對地熱能的正確科學認知，地方政府和民眾普遍認為開發地熱能具有高危險性和高成本。

(三)未來發展預測

自2019年底以來，已經簽署了9個新的地熱能項目PPA電價協議，分別位于加州(6個)、猶他州(1個)、夏威夷州(1個)和阿拉斯加州(1個)。裝機容量3MW-46MW，PPA電價67.5美元-74美元/MWh，協議年限20年-30年。

根據在一般發展場景、政策促進場景、技術革新場景三個場景下對美國未來地熱能發電裝機的預測：一般發展場景下，到2050年，美國地熱裝機的夏季凈容量將從2.5GW增加到6GW;政策促進場景下，到2050年，美國地熱裝機的夏季凈容量將增加至13GW，這一預測接近于美國能源信息署(EIA)的預測;在技術革新場景下，到2050年，美國地熱裝機的夏季凈容量將增加至60GW，其中45GW源于干熱巖增強型地熱系統的貢獻。(注：夏季凈容量即為夏季總發電量除以夏季發電小時數)

二、 區域供暖

(一)發展總體概況

在美國，地熱區域供暖項目最初是在高品位水熱型地熱資源附近開發的，但該技術正在向中-低品位水熱型地熱資源地區擴展。目前，美國共有23個地熱區域供熱系統，總容量超過75MWth。

圖3 美國地熱區域供暖項目安裝數量

商業開發上，美國的地熱區域供暖大部分還未開發，直接利用地熱能只提供了美國目前總用熱需求的0.1%，原因主要有兩點，一是當前美國天然氣價格較低，鼓勵地熱能供熱的驅動力不強，二是民眾和地方政府對地熱區域供暖技術沒有足夠重視。區域分布上，美國所有的地熱區域供暖項目均位于美國西部，2000年以來新安裝的4個項目全部位于加州和俄勒岡州。裝機規模上，系統的容量范圍從0.1 MWth~20 MWth以上，平均裝機容量4MWth。服役年限上，美國82%的地熱區域供暖系統已經使用了30年以上，剩下的18%中，有一半已經超過了10年服役期。利用情況上，美國地熱區域供暖系統的平均利用率為23%，這種低利用率主要歸結于經常無法滿負荷運行及供暖的季節性原因。成本價格上，美國地熱區域供暖的成本在15美元~105美元/MWh之間，平均54美元/MWh，在這23個商業項目中，有10個獲得了美國能源部的貸款和贈款支持。事實證明，聯邦、州和地方資金支持對發展美國大多數現有區域供熱項目至關重要。

(二)項目開發障礙

1. 技術障礙

(1) 高等級地熱資源和供熱需求逆向分布特征，美國地熱資源豐富的地區位于美國西部，而供熱需求旺盛的地區位于美國東部，且美國的用熱、用冷系統多樣性大，改造過程復雜;

(2) 針對識別和開發優質高溫地熱資源，未來需進一步開發先進勘探開發技術。

2. 政策/市場障礙

(1) 美國的地熱采暖和制冷技術并未受益于一些州的碳核算機制，如排放交易或可再生能源組合標準(RPS)，天然氣作為一種廉價的供暖能源品種，相比于地熱供暖更具有經濟性;

(2) 與其他國家甚至其他可再生能源技術相比，缺乏聯邦或州政府的激勵措施，如補貼或稅收抵免;

此外，美國的能源基礎設施以蒸汽管道為主，若采用地熱供暖，則需要對地熱供應的熱水分配系統進行改造。

(三)未來發展預測

根據對一般發展情景和技術革新情景下的模型預測結果，在一般發展情景下，技術、經濟和市場潛力分別為27000 MWth、2800 MWth和1000 MWth;在技術革新情境下，經濟和市場潛力分別為27000 MWth、4600 MWth和1600 MWth。如果將增強型地熱開發技術和區域供熱技術考慮在內，則相應數值最高可高出兩個數量級。

三、 新興技術

(一)增強型地熱系統技術

增強型或工程型地熱系統(EGS)在兩個或多個鉆孔之間建立水力連接，以實現流體循環。這使得低滲透巖石中的熱量可以被用來生產地熱能。滲透率可以通過水力(或機械)增產來提高。

美國已經開展了數個示范項目，其中有3個項目仍然處于活躍度比較高的狀態。由美國能源部支持的EGS示范項目在地熱能研究前沿天文臺(FORGE)開展。FORGE站點位于猶他州米爾福德附近，旨在通過專注于現場規模的測試和監測，為開發EGS資源創建一個可復制的過程，從而加速EGS的研究和開發。相關的FORGE 路徑圖確定了EGS的關鍵研究領域:增產計劃和設計、裂縫控制和油藏管理。猶他 FORGE團隊最近完成了該項目的第一口大斜度深井的鉆井，鉆井時間不到最初預期的一半。該井將作為注采井對的注入井或生產井，深度溫度接近226°C。目前，FORGE站點包括一口試驗井和三口地震監測井。2020年7月，美國能源部地熱技術辦公室(GTO)組織Cyrq Energy、Ormat 和相關高校聯合開展改善勘探開采前沿技術研究，以便為在內華達州和加州開展現有地熱田勘探、識別、訪問、創建和管理EGS資源進行技術儲備。美國能源部還資助了EGS協作項目，該項目是位于南達科他州鉛市桑福德地下研究設施的一個現場實驗室，一個合作團隊正在進行EGS儲層創建和模型驗證的測試。

(二)閉環地熱技術

閉環地熱(CLG)能源系統使用密封的井來使熱傳輸流體在地下循環，這樣就不需要從滲透性巖石地層中流動地熱流體。然而，在致密巖石中，為了克服井筒附近有限的熱補充，可能仍然需要滲透率。CLG可能能夠在廣泛的溫度和巖石條件下產生熱能和動力，包括低溫沉積帶和高溫干巖層。CLG還增加了可行的地熱項目的數量，因為它可以用于以前不生產的地熱井。隨著時間的推移，由于儲層熱水化學變化，地熱井可能會啟動或不再生產。CLG還可以應用于高溫地層的枯竭油氣井。對現有井進行改造而不是鉆探新井，將降低地熱項目固有的高鉆探風險和成本。由于沒有流體流失到周圍的地層中，因此可以簡化環境允許的過程，并替代熱傳輸流體(如超臨界CO2)，在一定條件下可能優于水。雖然CLG還沒有商業化，但有一些正在進行的示范項目。在Coso地熱田，GreenFire Energy公司在一個現場規模的閉環系統中安裝了一個井下熱交換器，目標井有幾兆瓦的潛力，但由于不凝氣含量高而沒有使用。水和超臨界CO2被成功地用作熱傳輸流體。水產生不含不凝氣體的蒸汽，將超臨界二氧化碳加熱直接發電。Eavor技術公司最近完成了位于加拿大阿爾伯塔省的Eavor-lite示范項目。Eavor-Lite是一個全尺寸原型閉環系統。鉆井和施工于2019年8月開始，該設施于2019年12月投入使用。

(三)地熱發電調度技術

可調地熱能在技術上是可行的，并已在夏威夷的普納合資企業進行了演示。地熱發電廠可靈活運行，提供輔助和電網可靠性服務(如電網支持、調節、負荷跟蹤、旋轉儲備、非旋轉儲備、替換或補充儲備)。曾經有地熱發電廠過去提供靈活的模式，但由于需求低、設備額外壓力帶來的運營和維護成本高，以及水力發電、煤炭和天然氣發電成本較低，這種模式在20世紀90年代初停止。由于地熱發電廠的經濟性主要取決于資本成本，而且運行成本相對較低，因此運營商傾向于基礎負荷發電，以實現收益最大化。部署可調度地熱更多的是一個經濟問題而不是技術問題。需要進一步的研究來評估靈活地熱操作的經濟參數，以及未來電網對基負荷與可調度地熱發電廠的要求。

地熱能作為可調性資源的價值可能隨著靈活可再生能源的高滲透而增加。例如，在孤立或島嶼電網中，需要靈活的可再生能源。在夏威夷，普納地熱投資工廠代表了第一個完全可調度的地熱工廠。2011年，普納地熱風險投資公司和夏威夷電力照明公司達成了一項8MW的擴建協議，該電廠已擴展到38MW，其中16MW的靈活產能。在歐洲也有柔性地熱的例子，在德國慕尼黑有5個柔性地熱發電廠，其中3個還向集中供熱網絡提供熱量。

(四)混合地熱技術

混合地熱技術是采用“地熱+”的能源形式，以地熱能和其他能源相結合，形成多能互補系統，實現能量梯次利用。未來主要關注的是熱電發電技術，包括太陽能熱電、煤炭熱電和天然氣熱電混合發電系統。地熱能還可用于工藝熱應用，如從化石熱電廠捕獲二氧化碳和熱脫鹽，地熱能可增強壓縮空氣能量存儲等。

(五)礦物質(鋰)提取技術

綠色低碳技術的蓬勃發展推動了鋰、稀土元素的需求。鋰主要是從富含鋰的海水、地下熱鹽水或巖石中提煉獲得。現階段，美國進口的鋰主要來自于阿根廷、智利和玻利維亞。如果能充分利用美國的地熱鹽水高效開采鋰資源，將大大豐富美國的礦產資源。美國最豐富的地熱鹽水鋰礦資源位于美國加州的索爾頓海，地熱鋰濃度400mg/L。美國加州能源委員會已經關注在該地區提取鋰資源技術的研發，并期望以此為依托在美國創造“世界級的鋰產業”。美國公司Lilac Solutions與澳大利亞公司Controlled Thermal Resources(CTR)合作的美國加州索爾頓海鹽湖地熱鹽水鋰礦，憑借其創新的鋰回收技術，吸引了比爾·蓋茨旗下風投Breakthrough Energy Ventures(BEV)的2000萬美元的投資。該技術用獨有的離子交換珠技術取代了傳統的蒸發池方法，能夠連續高效率地處理地熱鹽水，從而提純出電池級的鋰產品。該技術不僅可以降低生產成本，還能充分利用低品位的資源。此外，美國能源部也在開展地熱鋰資源開發相關技術的研發支持。

(六)地下熱能儲存技術

地下熱能儲存(Thermal Energy Storage, TES)是利用地下的自然熱容來存儲熱能供以后使用。

含水層TES在地下含水層中以適中的溫度儲存熱能。大多數含水層TES系統位于荷蘭，井深通常為10米~150米。這些含水層可以位于松散的沉積單元、多孔的沉積巖(如砂巖或石灰巖)或破裂的硬巖層中。根據適用溫度范圍劃分，含水層TES有三種不同類型：在溫度超過60°C的深層含水層中可以進行高溫存儲，中溫儲存范圍為30°C~60°C，地下幾百米的低溫儲存通常限制在30°C以下。含水層TES系統已經在世界各地應用，歐洲有許多成功的系統。含水層TES在美國要有限得多，但在新澤西州的理查德·斯托克頓學院有一個含水層TES項目，在明尼蘇達州、俄亥俄州和馬里蘭州也進行了含水層TES的可行性研究。

儲層TES利用地下的滲透層來儲存熱能。儲層TES是一項新技術，存儲溫度可在70°C~100°C之間，目前應用較少。使用的儲層通常比用于含水層TES的儲層更深、更熱，其特點是幾乎不流動，這使得TES更容易控制。隨著熱散失率的降低，儲層TES的效率會隨著時間的推移而增加，儲層TES已被證明是大型建筑的一種可行的熱能來源。

其它TES技術，利用地下空間如坑、礦山和洞穴存儲熱量的方式雖然尚未得到廣泛應用，但已經從基礎研發階段步入了實踐示范階段，歐洲已經有少數項目利用礦井TES作為低溫熱源加熱建筑。

(七)油氣與地熱聯產開發技術

油氣沉積盆地擁有豐富的地熱資源，油氣與地熱聯產技術日益受到關注。在美國，許多沉積盆地已經鉆探石油和天然氣，留下了大量的鉆井記錄和地質地層、溫度梯度和其他儲層性質的特征，可以利用這些特征進行低成本和低影響的地熱開采。通常情況下，采出水與碳氫化合物的比值會隨著時間的推移而增加，這意味著在油氣儲量不斷減少的地區，油井可能會成為地熱聯合開采或轉化的重要選擇。利用油氣井生產地熱能有兩種方法：一是，利用相關已有的鉆井裝備用于地熱資源開采;二是，利用這些油氣井開采油氣資源的同時，伴生產生地熱資源。在這兩種情況下, 重復使用現有井可以避免新井昂貴的鉆井成本，并提高社會接受度。懷俄明州落基山油田測試中心的一個項目已經得到了該項技術的驗證，該項目使用油井聯合采出的地熱水為一個250kW的有機朗肯循環(ORC)地熱發電裝置提供熱源。未來，通過改進現有的油氣裝備以使其更加高效地開展油氣伴生地熱資源的地熱能開采利用，將是一種重要的趨勢。

(八)地熱供冷技術

地熱能制冷是地熱能綜合利用的一個重要方面，在美國的大部分地區，制冷比供暖更需要。在阿拉斯加州的切納溫泉，吸收式制冷機的運行成本還不到備用系統的三分之一。

(九)超臨界地熱技術

超臨界地熱流體(>5km，>400℃)比目前深度(~3.5km)和儲層溫度(<350℃)的常規地熱流體相比，提供的能量要更大，據估計，超臨界地熱資源的能量潛力至少在一個資源區域達到十億瓦規模，每口井的能量是常規熱液資源的10倍。傳統的鉆井和完井技術、井下工具和地面設備不適合這些系統的極端溫度和腐蝕性流體化學成分。在冰島鉆出的第一口超臨界井(IDDP-1)產生了極具腐蝕性和研磨性的流體，該井進行了1年多的流動測試，并證明其產量可超過36MW。冰島第二口超臨界井IDDP-2沒有進行測試，原因可能是流體的腐蝕性導致套管損壞。然而，該井的鉆井深度為4.7 km，井底溫度估計為535℃。這證實了即使是含有海水成分的流體也達到了超臨界域，冰島深井鉆探項目IDDP-3的第三口深井計劃在未來幾年進行。此外，新西蘭等地熱資源豐富的國家也開展了超臨界地熱能開發技術的布局。

(十)地熱能微網技術

盡管在美國，地熱幾乎只用于大型電網項目，但地熱技術也能在微電網規模上提供電力。許多小型項目，包括并網和隔離，已經成功運行了多年。它們提供了柴油發電機的替代方案，而柴油發電機通常用于遠程發電。幾個不斷變化的市場條件正在提高地熱微電網的競爭力，包括碳核算、小規模地熱發電的技術改進(特別是ORC渦輪機效率、井口發電和設計優化)，以及批量生產的模塊化系統的可用性。

成功的小型地熱發電廠在孤立和并網的環境中都有應用，通常與級聯直接使用項目相結合，以提高項目的經濟效益。泰國清邁附近的方氏地熱系統采用低溫熱源(116°C)， ORC系統自1989年以來一直持續運行，余熱用于冷藏、作物干燥和水療。自2006年以來，一個680kW的孤立地熱微電網一直在阿拉斯加的切納運行，第一年的運行節省了超過65萬美元的柴油燃料，并將電力成本從0.30美元/kWh降低到0.05美元/kWh，該電廠利用了世界上溫度最低的71oC地熱發電源，利用接近冰點的河水和季節性零度以下的空氣溫度進行發電循環散熱。總的來說，該工廠多年來進行了一些改造和完善，余熱用于區域供暖、溫室、利用吸收式制冷的季節性制冷、溫泉療養和其他用途。