大地“暖流”处处在——国际视野下的地热开发利用

  近年来，全球严峻的能源形势以及使用常规能源带来的环境问题，促使世界各国努力地寻找新的替代能源来构建多元化能源结构，以保证本国能源安全。在2013中国国际矿业大会可持续发展分会场上，来自不同国家的参会代表共同探讨了地热产业发展的话题，地热能以其清洁和储量丰富的特点正吸引着越来越多的国家予以关注，本期将美国、冰岛、日本这3个地热能源开发利用突出国家的经验进行梳理介绍，以飨读者。
 
  目前国际上有100多个国家开发利用地热能，并以每年12％的速度递增，能源专家普遍预计，到2100年地热能利用将在世界能源总值中占30％～80％。地热能是指蕴藏在地球内部距地表5公里以内的能量，是一种由于复杂的地质构造活动而形成的巨大自然能源。据估算，地球蕴藏的地热能约14.5×1025千焦，折合4948万亿吨标准煤，而全球煤的埋藏量仅为1万亿吨。由此可以看出，地热资源的利用前景非常广阔。
 
  地热发电是现代地热的突出利用形式地热能利用包括地热直接利用和地热发电，其中地热直接利用历史悠久，技术较成熟，主要包括地热供暖、地热务农、地热医疗、地热工业利用。
 
  现代地热的突出作用是地热发电。自从1904年意大利在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电试验装置以来，由于受地热勘探条件所限，初期发展较慢，到70年代以后才突飞猛进，美国、日本、意大利、新西兰等国家都把地热发电作为新能源开发的重点，随之而来的是一批发展中国家也奋起猛追，大有后来居上的势头，如菲律宾、墨西哥、印度尼西亚等国家。2005年，根据世界地热大会资料统计，全球有24个国家建有地热电站，地热装机前5位的国家为美国、菲律宾、墨西哥、印度尼西亚和意大利。全球地热发电装机已达到8900兆瓦，年发电量5.68×1011千瓦时。
 
  地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮中转变为机械能，然后带动电机发电。
 
  所不同的是，地热发电不像火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。
 
  地热发电比风电更稳定，地热能比太阳能、风能的能量品位高，而且可长期不间断。据世界能源理事会统计，一年365天，共计8760小时，地热能的利用系数是72%～76%，一些技术先进的国家能达到95%，也就是说一年可运行8322小时，设备维修时间很短。而普通火电厂的利用系数是50%多一些，风力发电是21%，太阳能发电是14%。另外，地热产业所需的单位装机容量占地面积比光电、风电、煤电、核电等至少低1个量级。
 
  地热能开发面临资金和技术两大难题和其他可再生能源起步阶段一样，地热能形成产业的过程中面临的最大问题来自于技术和资金。
 
  地热产业属于资本密集型行业，从投资到收益的过程较为漫长，一般从调查、选址、施工到最终发电需要花10年至15年时间，较难吸引到商业投资。据估算，在日本，1千瓦时(度）电的成本如下：地热16日元、水力13.6日元、燃油火电10.2日元、燃煤火电6.5日元、燃气火电6.4日元、核电5.9日元～14.2日元，比较起来，地热的发电成本最高。但随着技术的进步，地热的发电成本也在逐年降低，如九州电力公司的八丁原发电站，近年来发电成本已降至每千瓦时7日元。
 
  地热能的利用在技术层面上有待发展的地方主要是对于开采点的准确勘测，以及对地热蕴藏量的预测。由于一次钻探的成本较高，找到合适的开采点对于地热项目的投资建设至关重要。现在，地热产业已采取引进石油、天然气等常规能源勘测设备，以便为地热能寻找准确的开采点。
 
  另外，地热用于发电，如果取用的水多于回注的水，最后可能会引起地面沉降。地热井排出的液体中还有二氧化碳、硫化氢、甲烷、氨气、汞、砷等成分，有可能加重温室效应和带来酸雨。但对于这些问题，如果采取各种有效的技术措施，严格监测和防治，是可以解决和控制的。
 
  第一次石油危机后，日本国内曾掀起一股地热发电热。随着原子能发电的普及和煤炭价格的回落，功率远小于火电站的地热电站逐渐受到冷落。2011 年的“3·11”大地震导致福岛核电站发生核泄漏，日本国内弃核、发展地热能的呼声也随之高涨。为实现削减温室气体排放目标，树立环保节能的世界形象，树立“低碳经济”长远竞争力，日本时隔20 年再次启动地热发电站建设工程。
 
  日本被称为火山列岛，拥有火山 119 座，作为日本象征的富士山，就是典型的层状火山。日本地震、火山活动频繁，灾害不断，但是，正因为拥有这些火山，日本的地表下蕴藏着大量熔浆，也带来了丰富的地热资源。据权威统计，日本地热资源的蕴藏量排名仅次于印尼、美国，位于世界第三，换算成发电能力达 2347 万千瓦，相当于 15座原子能发电站。目前日本有 18 处地热发电站，地热发电量约为风力发电的 2 倍，太阳能发电的 3 倍。世界 70% 的地热发电设备由日本的富士电机、东芝、三菱重工公司提供。
 
  为了推动地热发电站的建设，日本政府推出了一系列扶持政策，包括制定地热发电长期规划目标 ：经产省预计，2020 年地热发电装机容量增加到2005 年的 2 倍以上，即 120 万千瓦 ；2030 年增加到 190万千瓦。同时，适当修订有关法律 ：2003 年，日本政府发布了《新能源特别措施法》，要求每家电力公司有义务开发一定量的新能源发电。当前，为了促进地热资源的充分合理运用，日本政府正研究解除上述规定，仅要求电力公司采取特定方法发电即可，不作开发量的约束。此外，还在技术及资金上给予援助。日本经产省牵头成立了由电力公司负责人、相关学者组成的研究会。2009 年 4 月，日本开始对地热电站的前期投资给予资金援助。为普及地热发电，日本经产省加大政策扶持力度，增加开发地下资源建设发电设备的相关补助。目前，政府补助 20% 的开发费用，正研究将补助提高至 33%。 （原载 11 月 9 日《中国国土资源报》）虽然冰岛很早就用地热供暖，而且有得天独厚的自然条件，但实际上冰岛在 20 世纪 70 年代以前却大量使用煤炭和石油，受到 1973年能源危机的冲击，冰岛走上了大规模利用地热的道路。经过 40 年的努力，2010 年冰岛电能的 26% 来自地热发电，73.8% 来自水电，不足1% 来自传统的化石燃料。被视为世界地热开发楷模的冰岛，目前 85% 的住宅都在利用地热供暖。
 
  冰岛地热资源的勘查与开发由国家统一管理，不允许私有公司进行地热的勘查与开发经营活动。冰岛地热管理机构包括 ：国家能源局、国家地质调查局和能源公司。
 
  国家能源局负责地热资源勘探和开发政策的制定，并为社团、公司和个体地热资源的利用提出建议。国家能源局下设 3 个独立的部门 ：能源管理处，主要负责能源统计与分析 ；联合国大学地热培训部，承担对发展和发展中国家地热工程师的培训任务，包括地质勘查、钻孔地质、地球物理勘查、钻孔地球物理、储热层修建、热流体化学、环境研究、地热利用和钻探技术等专业知识的培训 ；水文服务处代表，主要负责为国家和能源机构监测水文地质条件和管理国家水资源，开发和管理自然灾害早期预警系统。
 
  国家地质调查局是为冰岛电力产业、冰岛政府和外国公司有关地热科学和利用领域提供专门服务的研究机构。
 
  地质调查局不能直接从政府获得经费，但能够以项目和合同为基础进行运转。每年地质调查局的经费约为 600 万美元。20％的经费来自政府合同，其他的经费来自于不同能源公司、公用事业机构的合同。
 
  能源公司是负责全国水利和地热资源勘查开发、能源生产与经营的机构。目前，能源公司拥有多个地热电站，以及相应的为居民住宅、工农业生产等进行供热供暖的工程系统。能源公司需要施工的地热钻井则由私人企业承包完成。
 
  程数值模拟技术、水岩反应控制技术、超临界地热流体应用技术。
 
  美国政府在推进地热发展中也扮演着重要角色，出台了一系列的政策扶持地热产业，如：美国联邦政府延长了对地热产业的退税计划；各州制定的鼓励清洁能源使用的政策中都包含了对地热能发电的鼓励；美国能源部还推出了一项“地热技术和发展行动计划”，用于推动地热能的勘探和开发，并以“增强地热系统”作为主要发展目标。
 
  另外，美国十分重视地热资源的基础调查和数据共享。
 
  由美国能源部资助的美国国家地热数据系统，将科学工作者提供的地热数据进行整合后分类，实现数据资源共享，提升了科学数据的经济与社会价值，为政府和企业地热资源开发决策提供技术支撑，提高地热资源勘探效率的同时也有利于地热知识的普及，促进地热技术推广。
 
  美国是世界地热资源大国，但地理分布上极不均衡，8 个州的地热能总量达到 300 万千瓦，其中又有 80% 出现在加州。美国是地热利用的后起之秀，查理·列博在 1930 年发明了第一台地热井下换热器。20 世纪 60 年代，加州盖瑟尔斯的地热电厂开始发电，美国从此一跃成为世界地热发电领域的领头羊。
 
  作为世界地热技术的领跑国，美国开发地热能的技术和经验受到各国重视。其在地热勘探关键技术和开发关键技术领域都有建树，在地热勘探方面形成了 MT 等地球物理探测技术、数据库信息和数值模拟技术、高分辨率遥感技术、综合地质、地球物理和地球化学分析技术、高温高压钻井和井下测试技术，获取关键数据地热开发关键技术。在地热开发方面形成了钻井和成井技术、人工造储技术、热储工程数超临出现在加州。美国是美国政府在推进地热发美国：领跑世界地热关键技术和石油，受到球物修建利用和钻探技术等专业知冰岛：国家统一管理地热能率远小于火电站的地供。