地大熱能：智慧應用地熱能+ 共同促進現代能源體系建設

地大熱能網訊：《“十四五”現代能源體系規劃》明確提出了“十四五”時期現代能源體系建設的主要目標，其中包括能源低碳轉型要取得顯著成效——單位 GDP二氧化碳排放五年累計下降18%。到 2025 年，非化石能源消費比重提高到20%左右，非化石能源發電量比重達到39%左右，電氣化水平持續提升，電能占終端用能比重達到30%左右。

在此目標下，地熱能作為非化石能源，如何在未來的能源體系中發揮更大作用?

重視地熱+

中國石油石化：汪院士，您好!您認為地熱能作為非化石能源，如何在未來的能源體系中發揮更大作用?

汪集暘：在非化石能源大家庭里，地熱是地球本土能源、清潔能源、可再生能源、非碳基能源，有獨特的優勢。但從資源總量來看，跟太陽能、風能等相比要小得多，而且分布不均勻。

在未來的能源體系中發揮更大作用，應重視“地熱+”的思維及應用。可以將地熱這種地球本土的能源和來自太陽系的其他新能源、可再生能源，諸如太陽能、風能、生物質能、海洋能等，結合起來一并加以開發利用，不爭老大老二、不分你我，綜合利用，真正做到“多能互補、一能多用”，在北方清潔取暖、南方制冷空調等工作中發揮更大的作用，解決實際的民生問題。

為方便敘述，可將“地熱+”的內涵概括為“天地合一、動靜結合”。“天”指太陽能，“地”即地熱能;“動”指風能、海洋能、生物質能，“靜”指地熱能。實際上，目前建筑行業中大力推廣的“近零能耗建筑”和供暖行業中的“區域能源網(站)”等都是“地熱+”概念的延伸或應用。

應用的實例也有。比如，意大利國家電力公司ENEL在美國內華達州斯蒂爾沃特(Stillwater)地熱電站實施了聯合發電。2009年組合了太陽能光伏，2015年又組合了太陽能熱發電。目前地熱發電33兆瓦，光伏發電26兆瓦，光熱17兆瓦，給地熱發電因中午環境溫度增高而致的效率降低實現了很好的發電增效。

中國石油石化：據悉，從“地熱+”概念里引申，您提出了“地球充電/熱寶”。這具體是一種什么樣的概念?

汪集暘：所謂“地球充電/熱寶”(earth charger)，是指以地球介質為載體的“地熱+”多能互補儲/供能系統。該系統可將各種形式的能量儲存于地下，并按需求取出加以利用，是地熱開發利用的一條新途徑。地球是一個龐大的熱庫，地熱能是一種不可多得的綠色本土能源，但它的明顯劣勢是分布極不均勻，往往在有需求的地方沒有足夠的資源，在沒有需求的地方資源又很豐富，存在供需矛盾的問題，必須加以調節。

另外，在新能源和可再生能源大家庭中，中國西北、東北、華北地區棄風、棄光現象十分嚴重，有些地區高達50%以上，造成了能源大量浪費。據報道，2017年棄光、棄風的能量約為三峽水庫全年的發電量。而且城市中有大量的余熱、“廢”熱沒有被有效利用，同樣是能源的浪費。如何將這些廢棄的能量儲存起來并加以充分利用，是擺在地熱界乃至整個新能源和可再生能源界的大問題。

目前，國際上已經開始注意這些問題，并提出了“地球電池”(earth battery)的概念。認為將地球上各種多余的能量儲存到地下是一種將取能/儲能相結合的能源開發利用新途徑。但“地球電池”的提法不夠準確，因為地球是一個可反復充電、用電的“電池”，就像現在大家廣泛使用的手機充電寶。因此，我認為將這種儲能技術取名為“地球充電/熱寶”更為貼切，也更為通俗易懂。

讓地球來儲能

中國石油石化：與傳統的儲能技術相比，“地球充電/熱寶”有什么優勢?

汪集暘：與傳統的儲能技術相比，“地球充電/熱寶”至少具有以下優點。

第一，規模大。一般水箱儲熱的容量均小于105立方米，而“地球充電/熱寶”利用地下含水層儲熱的容量可大于106立方米。

第二，應用廣。“地球充電/熱寶”不僅可以利用風能、太陽能無法消納而剩余下來的能量，也可將城市中的廢熱、余熱集中起來加以儲存和利用，比如發電廠、污水處理廠的余熱。

第三，跨季節。風力、光伏的資源總量雖然大得多，但存在時間、空間上供需不匹配的問題。在中國諸如長三角等冬冷夏熱的地區，可將夏季酷暑難熬時的多余熱量存儲于地下含水層中，供冬季嚴寒時取出來加以利用。

第四，成本低。據初步估算，水箱儲熱的成本為40~100元/千瓦時。若用“地球充電/熱寶”儲熱，則成本大幅度降低，可降至0.1~20元/千瓦時。

中國石油石化：您看好“地球充電/熱寶”的應用前景嗎?

汪集暘：當然。這種儲能技術已有不少成功應用的實例。例如，德國2004年就在Kiel地區建立了基于地下含水層的跨季節儲熱系統。該項目的冷井工作溫度約在10℃左右，利用1000平米的屋頂太陽能集熱器作為熱源，使熱井工作溫度達到50℃左右，為108棟公寓共計7000平米的社區進行供暖。

瑞士計劃在首都伯爾尼地區將發電站的廢熱存儲在地下砂巖含水層，以實現在冬季為該市舊城區提供供暖。該項目利用發電廠生產過程中廢物、木材和天然氣等焚燒產生的熱量加熱地下水并將其泵入地下200~500米深的砂巖層中進行存儲，預計可存儲熱容量為3~12兆瓦的廢熱。

結合當前中國的實際情況來看，北方地區清潔供暖是擺在全國地熱工作者面前的一個大問題。無論是北京城市副中心、雄安新區，還是京津冀地區，地球充電/熱寶都大有用武之地。

舉例來說，雄安新區自2004年大規模開采深部震旦系霧迷山組大型巖溶熱儲的地下熱水進行全縣供暖以來，水位從2004年的地下42米急速下降至2012年的地下81米。8年間下降了39米，平均每年下降近5 米。可以想象，這部分采出的地下熱水空間若加以回灌補充，可儲存巨大的熱水體積，從而增加雄安地區的地熱資源潛力。而且回灌后，可補充地熱田下降的熱儲壓力，也有助于恢復地下水位。

《“十四五”能源領域科技創新規劃》在“地熱能開發與利用技術”板塊的“應用推廣”部分中提出，推廣含水層儲能、巖土儲能等跨季節地下儲熱技術利用，因地制宜推廣集地熱能發電、供熱(冷)、熱泵于一體的地熱綜合梯級利用技術。在“集中攻關”部分提出，開展高溫含水層儲能和中深層巖土儲能關鍵技術研究，實現余熱廢熱的地下儲能。

這進一步明確了“地球充電/熱寶”儲能技術在我國的應用。比如，發展含水層儲能技術，以地下水為介質，以100%原水同層對井回灌為手段，利用含水層的地質熱慣性進行開發。冬冷夏用，夏熱冬用，冷熱聯供，是中央空調系統的最佳冷熱源。與燃氣供熱和電制冷的傳統空調系統比較，供暖節能50%、制冷節能80%，同時可解決國內地下水源熱泵地下水不能有效回灌的瓶頸，讓地下水源熱泵起死回生。

做好頂層設計

中國石油石化：在現代能源體系建設中促進我國地熱產業發展，您有什么建議?

汪集暘：發展地熱產業，一定要有頂層設計，要有總的規劃。規劃怎么做?首先要看資源條件。

我國地熱資源比較豐富。《中國可再生能源發展報告(2020)》的數據顯示，我國336個主要城市淺層地熱能年可開采資源量折合標準煤7億噸。在回灌情景下，中深層地熱能年可開采資源量折合標準煤18.65億噸。全國埋深3000~10000米的深層地熱基礎資源量約為2.5×10^35焦耳，折合標準煤856萬億噸。

雖然資源量豐富，但是分布不均勻。淺層地熱資源在全國范圍內普遍較為豐富，主要分布在北京、天津、河北、山東、江蘇、湖南、安徽、上海、陜西等省份。中深層地熱資源以中低溫為主、高溫為輔。中低溫型地熱資源主要分布在華北、松遼、蘇北、江漢、鄂爾多斯、四川等平原和盆地，以及東南沿海、膠東半島和遼東半島等山地丘陵地區。而高溫型地熱資源主要分布在西藏自治區南部、云南省西部、四川省西部和臺灣省。我歸納為“東高西低、南高北低”。

其次要看需求。北方有清潔取暖的需求，南方有因冬冷夏熱而產生的供暖、制冷需求。基于資源和需求兩方面的考慮，我認為我國地熱開發應該遵循“深淺兼顧、由淺及深，熱電并舉、以熱為主、西電東熱，干濕有度、先濕后干”的總方針。

中國石油石化：為什么是“深淺兼顧、由淺及深，熱電并舉、以熱為主、西電東熱，干濕有度、先濕后干”?

汪集暘：這主要是從經濟性方面考慮。開發地熱不能只算政治賬，更應該算經濟賬。

200米以淺的淺層地熱開發難度低，用熱泵技術就可以實現開發利用，因此利用成本低。而且江河湖海等水體里蘊含的熱能都可以開發利用。南京江北新區江水源熱泵區域供冷供熱項目，根據項目規劃可向新區核心區的8.75平方公里近1600萬平方米建筑群提供供冷供熱服務，每年可為新區節約用電量1.4億度電，相當于少燒4.69萬噸標煤。從資源量上來說，已經可以很大程度上滿足清潔取暖、制冷方面的需求。而越往深層，開發難度越大，對設備、技術的要求越高，成本也越高。因此，應該“深淺兼顧、由淺及深”。

至于“熱電并舉、以熱為主、西電東熱”是由我國地熱資源的分布情況決定的。我國的地熱資源以中低溫為主，更適合發展供熱。比如，東部地區的地熱資源用來發電品位不夠，而夏熱冬冷的氣候情況，用地熱供暖很適合。截至2020年，我國淺層地熱源熱泵供暖(制冷)面積已達到約8.58億平方米，位居世界第一。中國北方地區中深層地熱供暖面積累計約1.52億平方米。其中，河南等地增長較快，形成較大規模的開發利用，在散煤替代和實現區域清潔取暖方面發揮了較大作用。我國150℃以上的高溫地熱資源集中在西藏、云南騰沖一帶的滇藏地熱帶上，因此我國的地熱發電站也較為集中在這一地區。《“十四五”現代能源體系規劃》明確指出，“積極推進地熱能供熱制冷，在具備高溫地熱資源條件的地區有序開展地熱能發電示范”。地熱發電裝機容量落后于其他國家沒有關系，不應以地熱發電量論英雄，應以我國的實際需求為導向，以熱為主、西電東熱。

說到“干濕有度、先濕后干”，我對近年來炒得很熱的干熱巖并不看好。深層(4000~10000米)干熱巖雖然資源量巨大，但開發難度很大，技術、裝備水平達不到，因此開發成本高昂。從上世紀70年代末至今，全世界前前后后有64個國家開發過干熱巖，但到現在只有位于德國、法國交界處的1個干熱巖項目成功了。而該項目前后投資了1億多歐元，只有2000千瓦的裝機容量，投入產出比太低。賠本的買賣不能干，我國發展干熱巖應慎之又慎。可以做一些前期研發、跟蹤，但大量投入沒有必要。說白了，開發干熱巖是要人造熱儲系統，但已經有很好的天然水熱系統為什么放著不用，而要花巨資去人造?

總而言之，以這樣的頂層設計，政產學研用金服結合起來，特別是決策者要有清醒的認識，共同促進我國地熱產業蓬勃發展，為現代能源體系建設做出更大貢獻。