地热发电的投资经济分析

  1 前言

 

  地热能是一种清洁的可再生能源。1960 年，美国在加州建造了第一个商业运行的地热发电厂，目前世界上大约有11200MW 的电力来自运行中的地热电厂。随着二氧化碳减排形势的日益严峻，各国对可再生能源的需求与日俱增。地热能自身的巨大潜力以及人类对其开发利用的认识越来越深刻，使之成为一个欣欣向荣的国际市场。然而，地热发电必须考虑到影响成本的各种因素，无论是电厂投资或运营成本，还是最终产品的价格，影响地热开发的因素比其他形式的能源利用都要多，而且更加复杂。本文以文献综述的形式，阐述了地热发电投资及运行成本的经济分析，并与各类可再生能源发电或供热进行对比，以期为地热发电投资提供有益的参考。

 

  2 地热发电发展概况

 

  作为可再生能源，地热独特的特点使其成为非常重要的基本电力负荷。与太阳能发电或风力发电相比，一座小容量地热发电厂可比其他多数能源提供更实际、更可靠的电力。另一方面，地热也可以进行调负载使用，如果系统设计满足这一要求，则可以调整其输出功率，以满足不断变化的需要。对于一个国家而言，地热项目的优点是在寻求能源和经济独立的同时，可以保持能源市场清洁、稳定地发展。在偏远地区，它可以提供当地的电力来源，同时加快经济发展，从而提高当地人们的生活质量。

 

  在美国，地热是第四大可再生能源。2007 年，美国有近3000MW 的地热发电与电网连接，每年生产约24000GW·h 的电力， 约占世界地热发电总量的30%，大大领先于其他国家[1]。2010 年底美国正在审议或开发中的地热项目共有103 个[2]。美国一直寻求发展更多的地热发电，2012 年其地热总装机容量达到3100MW 以上。

 

  截至2011 年， 欧洲地热能总装机为1600MW，另有109 个新发电厂正在各成员国中建造。意大利是欧洲地热市场的领导者，其装机容量占欧洲装机总量的50%以上。冰岛只有30 多万人口，现在已经充分利用可再生能源，进口的化石燃料主要用于满足捕捞和运输行业的需求。冰岛地热发电生产规模持续扩大，主要是为了满足不断增长的工业和商业的能源需求，冰岛25%的电力和90%的供暖来自于地热资源，堪称现代化地热技术成功应用于社区的典型范例。

 

  地热能已在许多发展中国家的能源供给中发挥着有效作用，如菲律宾、印尼、墨西哥、哥斯达黎加、危地马拉等。大多数中美洲国家地热资源开发的一部分用作公用事业的电力生产。萨尔瓦多和哥斯达黎加分别从地热能源中获得24%(204MW) 和15%(200.5MW)的电力[3]。在亚洲，印尼、菲律宾、日本等国都积极鼓励地热开发， 印尼约有27510MW的潜在地热资源，潜力巨大。菲律宾有23%的电力来自地热能利用，是仅次于美国的世界第二大地热发电生产国。根据美国地热能协会(GEA)2012 年5月的一份国际地热市场报告[4]，估计东非大裂谷的已知地热潜在资源介于10000～20000MW， 基本上还未开发。目前50 个地热站的探测表明，该地区潜在地热资源估计在3000～13000MW 之间。肯尼亚有202MW 地热发电并网。

 

  截至2012 年初，世界24 个国家的地热发电厂确定并网发电能力约11224MW。2008 年至2012 年初，全球地热发电最高容量取得显著增长，其中美国增长336.94MW、印尼增长292MW、新西兰增长263.3MW、冰岛增长180MW、意大利增长80MW、肯尼亚增长71MW，见图1[4]。3 年中正在开发或考虑开发地热项目的国家数量增长了52%。

 

  2012～2013 年， 越来越多的国家宣布支持地热开发，或出台相关政策，或对不断增长的地热市场表现出浓厚的兴趣。当然，有些机构或地区专注于地热发电也有其自身的目的，如东非大裂谷地热能源开发基金，该基金在6 个非洲国家承保地热钻井风险，并得到联合国环境计划署(UNEP)、世界银行、欧洲重建和发展银行对地热开发的支持。

 

  3 地热发电投资的经济分析

 

  美国能源部(DOE)新的“透明成本数据库”中有成千上万的估计数据，包括超过100 份的研究报告和能源部的方案规划及预算文件，还有部分来自正在尝试中的各种技术路线图的报告，这些资料提供了全面的地热发电的经济分析。

 

  3.1 地热发电厂成本

 

  地热发电的成本主要由两部分组成：分期偿还的初始投资和电力生产运行及维护成本。初始投资成本包括项目开发建设所涉及的所有费用，包括开发中的租赁、许可、勘探、确认和现场建设，以及一系列相关费用，可统称为软成本。Sanyal 和Koenig认为：“地热项目融资的风险可细分为资源的存在、资源规模、投产能力、开发和运营成本、环境约束、管理和操作以及资源衰竭等问题”。这两部分成本受到一系列因素的影响，下面就此进行详细阐述。

 

  地热项目具体的投资成本与资源特征和现场条件有着非常密切的关系。资源的温度、深度、化学特性和渗透性是影响发电成本的主要因素，温度将决定发电系统的转换技术(如选择闪蒸还是选择双循环)，以及发电过程的整体效率；现场的位置及交通、地形、当地气候条件、土地利用类型及所有权都是电厂建设和并网所需考虑的成本因素。

 

  项目的大小决定着经济投资的规模，而项目类型(新建和扩建)包含了工程所需的信息，如勘探程度、范围确认和基础设施建设等。资本结构及财务状况(贷款周期和利率)对最终的电力生产成本有着重大影响，这些金融方面的因素还会影响到施工期间的利息成本或进度推迟所造成的相关成本。市场条件会影响施工过程中所需的商品和服务的价格，原材料和服务成本因市场波动可能会发生失衡或明显上涨。

 

  电厂的操作和维护(O＆M)成本是指所有为保持电力系统处于良好工作状态所需的费用。现场条件和资源特性对O＆M 成本具有显著影响， 特别是地热资源的埋深和化学性质。由于劳动力成本的影响，更突显出大型电厂规模效益的重要性。值得指出的是， 初始投资成本和后期O＆M 成本之间的平衡极为重要，行业内对这一点非常重视。

 

  市场条件会严重影响投资的初始成本，而对于O＆M 成本的影响要相对小一些。在建设后期，项目考虑的重点会集中到现场和资源方面，特别是其中所涉及的不利因素。因此，地热行业若要健康可持续地发展，就要学会如何以合理的成本处理好各种困难和复杂的条件。市场因素对电力生产成本也发挥着重要作用，不过这是开发商无法控制的。更加完善的立法可以简化许可证办理程序，减少因进度拖延导致的损失，从而有效降低投资成本。总之，地热生产成本与现场和资源特征的关系非常密切，而且十分重要，具体讨论如下：

 

  地热项目与其他发电项目一样，其总的成本将随着时间的推移、经济状况的不同而改变。在各种成本影响因素中， 有些是电力行业的普遍现象，如钢材及劳动力成本，而环境政策、税收优惠、融资方案等因素往往因市场环境变化而产生波动。对地热电厂而言，其特有的影响因素包括工厂规模、所选择的地热技术、钻井成本、并网成本等。金融机构承担了地热项目的前期风险，时常投资数百万美元只是为了验证地热资源是否有开发价值。对于因时间推移而存在的风险，可以考虑采用已有的验证风能资源风险的效应曲线，对地热项目进行预测。当然，有时这些风险常常可以通过税收优惠和担保人来抵消。所有的地热公司都必须掌握对项目成本至关重要的资源信息，包括岩石地层、温度和化学特征。

 

  为了充分了解情况，开发商应具有对地热资源的独家代理权。租赁和许可证可以极大地影响工程的前期成本，并可能导致进度延误，尤其是在国有土地上，因而90%的地热项目都是国有的。

 

  3.2 地热发电运行成本

 

  在美国， 由地热所生产的电力价格为5～11 美分/(kW·h)，其中包括了税收优惠，而加州盖伊瑟斯(The Geysers)的电力价格只有3～3.5 美分/(kW·h)，这与传统化石燃料发电相比具有相当的竞争力。不过电力价格也取决于运行地区的经济条件，在需求高峰期有些电厂可能会收取更高的费用。

 

  电力成本会给用户带来什么样的影响，往往取决于能源电力公司的投资综合效益，而这实际上大多由国家政策所驱动和决定。2008 年由美国劳伦斯伯克利国家实验室进行的对十几个州可再生能源政策的一项研究分析表明， 在大多数情况下，电力价格的波动在几个百分点范围内，在康涅狄格州和马萨诸塞州则刚刚超过1%。美国能源信息署(EIA)在2009 年的预测中指出，到2030 年， 不管各个州政府有没有可再生能源标准，电费差别都将不会很大。

 

  在尼加拉瓜San Jancinto-Tizate 项目中， 由于在当地销售可再生能源电力可享受免除关税政策，该税率比目前以石油为主的能源低30%～35%， 美国Ram Power 公司讨论了在2014 年中期增加电力销售，一旦整个项目完成，将直接使年度收入增加800 万～1100 万美元。这不仅提供了廉价的电力，而且还为公司树立了良好的社会形象。

 

  3.3 经济方面的考虑

 

  发展地热必须考虑到影响成本的各种因素，无论是电厂投资或运营成本， 还是最终产品的价格，影响地热开发的因素比其他形式的能源利用要多，而且更加复杂。地热发电系统的组成部分包括地热井、地热流体管道、电厂自用电设备和重新回灌系统，耗费了大部分的投资成本。所有这些因素，在展开地热项目前都必须进行仔细的评估。

 

  ① 电厂最简单的技术方案是热源利用后直接

 

  排大气(背压式)，而且比相同容量的凝汽式发电成本还要低。然而，如果要获得相同的发电量，背压式几乎需要两倍于凝汽式发电运行的蒸汽量，也就是两倍的地热资源。由于钻井成本昂贵，实际上凝汽式发电模式是一个更便宜的选择。

 

  ② 地热流体可以通过隔热管道长距离运输，在理想条件下，管线可长达60km。然而，管道自身和所需的辅助设备(泵、阀等)及其维护费用都是相当昂贵的，从而会大大提高地热发电厂的建设成本和运营成本。因此，应尽可能缩短热源和利用站点之间的距离。

 

  ③ 一个地热发电厂的投资成本通常比一个类似的传统燃料发电厂要高， 有时甚至会高很多，但地热发电厂的自用能量成本以及备品配件( 管道、阀门、泵、热交换器等)的维修成本却远远小于常规燃料电厂，较高的投资成本可以从节省下来的能源成本中获得回收。因此，可再生能源电厂应设计足够长的运行周期和运行寿命，以达到抵消高额初始投资的目的。

 

  ④ 地热发电厂值得称道的是通过联合热能系统获得更高的能源利用率(如加热和冷却相结合的应用)或实现电厂系统的串联连接， 即每个系统利用电厂的余热水，例如，由发电+温室加热+牧业联合组成集成系统。

 

  ⑤ 为了减少维修费用和停工损失， 电厂技术的复杂性应维持在本厂技术人员有足够能力胜任的水平，或者所需专家能够招之即来，而高度专业的技术人员或设备厂商只是在定期进行的大检修或发生重大紧急故障时才到现场。

 

  ⑥ 如果地热发电厂生产的是大众消费品， 事先必须进行周密的市场调查，以保证这些产品的销售。从生产现场到最终产品消费市场的经济运输所需的基础设施应该已经存在，或者已包括在最初的项目投资中。

 

  以上仅是定性讨论，可以适用于任何地热能开发利用形式和任何当地条件，如果需要具体的投资和成本定量计算方法，建议参考由联合国开发计划署、联合国经社部和世界能源理事会于2000 年出版的世界能源评估报告。表1 和表2 对地热能和其他各种形式的可再生能源利用进行了比较。

 

  4 地热发电的经济效益

 

  与其他任何投资项目一样，地热发电项目也需要对其风险、成本和效益有充分的了解，只有通过前期完善的经济性评估，开发商和客户才能得到最大的收益。传统燃料和电力成本的波动，使得人们担心将来电力从何而来，不断上涨的能源成本将如何影响自身的日常生活。而地热发电不同于化石燃料发电，它不存在诸如土地退化、大气排放、对濒危动物和植物的破坏以及对人类健康的影响等问题。

 

  此外，由于地热能是本国自产的，有助于缓解对进口能源的依赖。

 

  4.1 地热和其他技术的成本比较地热发电是资本密集型产业，因此初始投资较大，而有利的一面则是基本上所有资源成本都包括在前期投入中。

 

  天然气和煤炭等化石燃料电厂存在高额的燃料成本，尤其是如果燃料来自于进口。对于地热项目，一旦工程完成后燃料是免费的。这也意味着地热能可以作为电力价格的稳定因素，有抵消化石燃料价格波动对电力市场影响的作用。当一个地热发电项目完成后，大多数O＆M 成本是已知的，只有少数市场因素可以影响它们，这就使得地热电厂在其整个生命周期里的均化成本非常具有竞争力(均化成本的定义为电厂整个生命周期的总投资金额、燃料和O＆M 成本除以其整个生命周期内预计输出的电力)。一个15MW 的地热双循环发电厂的均化成本可以低至83 美元/(MW·h)，而一个30MW 的闪蒸厂的成本仅为79 美元/(MW·h)，具有极高的经济竞争力。

 

  表3 预测了各类发电厂在2016 年投用时的电力成本(源于2010 年数据)，整个系统的均化成本必须是考虑整个生命周期中支付的总成本。对于在2016 年开始投产的地热发电厂，其均化成本预计为101.7 美元/(MW·h)。

 

  4.2 地热市场投资增长

 

  根据GEA 的测算，地热能每投资1 美元，可为美国经济增长带来2.5 倍的回报[6]。换句话说，一个投资4 亿美元的地热项目(假设平均投资成本为4000 美元/kW)，将带动10 亿美元的经济增长。

 

  按照美国能源部(DOE)的评估，2006 年全球可再生能源技术项目共得到709 亿美元的投资，2007年为1172 亿美元[6]。自那时起，投入到地热项目的资本大幅增长。美国新的地热项目的投资超过100亿美元， 其每年增长的约100MW 容量都是近几年建设的项目。DOE 称，“这不再仅仅是一个有兴趣的选择，而是全球能源市场的大规模改变”。美国已增加了对包括地热在内的可再生能源技术的公共投资，2009 年通过《美国经济复苏与再投资法案》，有36820 万美元用于遍及38 个州和哥伦比亚特区的共148 个“地热技术项目”。美国2013 财政年度地热能源的预算申请为6500 万美元，而2012 财年只有3790 万美元。地热产业还得到公共和私人投资的支持。2008 年，Google.org 以超过政府的力度，成为地热领域最大的私人投资者， 共注入1100 万美元用于先进地热技术的研究和发展。这些资金有力地推动了地热技术路线图的实现。

 

  4.3 有利于当地经济发展

 

  地热资源往往位于农村地区， 地热的开发，创造了就业和纳税，可以显著改善当地的经济发展状况。中美可再生能源公司(MidAmerican)在2006 年是帝国县最大的单一纳税单位，所有地热项目贡献了该县25%、超过1200 万美元的税收。自2005 年《地热蒸汽法修正案》颁布以来，地热租赁收入和生产的25%反馈给州政府和地方政府。2008 年，美国内华达州获得750 万美元，州政府把所有的钱用于支持学校的州政府基金；加利福尼亚州收到990 万美元， 其中40%分配给原产地，30%投入可再生资源投资基金，其余30%用于补助或贷款给当地的司法管辖区或私人实体。

 

  值得关注的是，地热发电厂甚至可以成为一个吸引游客、学生、科研人员访问的场所，从而提升电厂所在地区的商业机会。冰岛最热门的旅游目的地之一是蓝色泻湖(Blue Lagoon)的地热温泉，它从岛内西南角连接到Svartsengi 地热电厂。美国加利福尼亚州的盖伊瑟斯自2001 年开业以来， 截至2012年8 月， 共接待了超过75000 名来自美国50 个州和79 个国家的游客[4]。

 

  4.4 发展中国家的地热能开发效益

 

  越来越多的国家，包括中国、美国、澳大利亚、德国、冰岛、意大利、日本都力求在世界各地帮助发展中国家开发地热项目， 支持的形式除融资以外，还有技术交流和培训。发展中国家为了寻求能源和经济上的独立，往往乐于接受来自发达国家的贸易补贴。这些地区除了要开展大量的基础设施建设，还要保持环境友好，而地热能提供了最佳的选择。

 

  许多地热资源丰富的国家，如肯尼亚、印度尼西亚和许多加勒比岛屿，都直接受益于地热资源的开发。不过对于这些国家而言，要想使地热开发对当地能源建设和经济发展做出更大的贡献，可能还有很长的路要走。例如，印尼拥有世界上已知地热资源的40%左右，但已经开发的却非常少。虽然地热能开发带有地区性，只能供本地使用，但这样可以置换出印尼更便于运输的其他能源，如煤炭和天然气等用于出口，从而获得更高的经济利益。在非洲，由于气候变化而引发的干旱，使水力发电缺乏足够的资源，而追求生物质产量则会导致对森林的砍伐，近年来，这些国家更加依赖进口价格昂贵的石油和柴油产品。东非大裂谷拥有极为丰富的地热资源，应着眼于此解决当地的电力供应问题。

 

  尽管潜力巨大，地热能发展仍然面临着一些障碍，包括钻井的成功率、地热技术尚不够完善以及项目启动成本高等。今后的工作目标应该是尽量消除这些障碍，并随着技术的进一步发展，勘探更多的地热资源，包括那些以前认为不适合开发的地热资源。

 

  总之， 地热能开发使各发展中国家经济受益。

 

  目前气候变化问题越来越引起重视，同时化石能源的稀缺性和价格波动，又给未来常规发电的成本走向带来了不确定性，从而使地热发电的优势日益显现[7]。这其中包括：运行成本低，在生命周期内地热发电厂的平均成本大大低于传统燃料发电厂；有利于稳定电价以及物价；环保效应显著；可降低石油对外依存度；可以得到国家和地方政府的补助及激励政策支持； 有利于促进农村和偏远地区经济发展，增加税收；可以提供数以千计的就业机会；有利于能源供应多元化。

 

  5 结语

 

  地热发电不仅符合环境保护的大趋势，而且随着勘探和利用技术的提高， 已具备市场竞争力，展现出广阔的开发利用前景，经济上不可行的观点已成为历史。为了充分利用和保护这一宝贵的可再生清洁能源，在地热开发与管理中应根据整个地区的经济发展进行规划和布局，遵循“统一规划、统一管理、合理布局、综合利用、以热养热”的理念。在统一标准的指导下，推动地热开发的商业化、规模化，开拓地热利用新领域。加强地热资源开发的科学监督，加大科研力度，提高地热发电的效率及综合利用水平。国家政策应该指导地热资源的利用及开发，并鼓励探索研究更多可开发的地热资源，包括以前被认为不适合进行开发利用的地热源。建议今后地热资源的利用不再仅局限于极少数高温地热项目中，而是尽可能发掘地热资源的所有潜力。