日本从技术创新和绿色共享两个方面推进地热发电

平博·PINNACLE中国热能：为缓解能源进口依赖、推进碳中和目标，日本正从技术创新和绿色共享两个方面发力地热发电。

自2011年3月福岛第一核电站辐射泄漏事故发生以来，日本核电发电量大幅减少，对天然气等化石燃料依赖增强。今年，西方国家对俄罗斯制裁措施引发能源市场震荡，日本用作火力发电厂燃料的进口液化天然气供应受到影响。
 

为找寻安全有效的绿色能源解决方案，日本将目光瞄向了地热能。

已开发上百年

地热资源发电几乎不排放二氧化碳，且不受天气、昼夜、季节变化限制，能源利用系数高，设备使用寿命长，是发电量较为稳定的绿色可再生能源。日本地处环太平洋火山带，地热资源丰富，据推测发电潜能达2300万千瓦，居世界第三位。
 

日本的地热资源开发始于100年前。1919年，日本地热发电先驱山内万寿提出“石油、煤炭终将枯竭”的观点，探寻地热作为替代能源，并在大分县别府市挖掘出喷气孔。1925年，日本在该喷气孔首次实现地热发电，当时装机规模仅1.12千瓦，持续了18个月。
 

由于二战结束后电力供给不足，日本在大力建设水力和火力发电工程之外，还展开了地热发电相关的调查研究。1966年10月，日本第一家蒸汽式地热发电厂——松山地热发电厂投产，装机规模9500千瓦；1967年8月，采用汽水分离方式发电的大岳发电厂也开始运转。

受20世纪70年代石油危机影响，通商产业省启动了“阳光计划”，日本国内地热开发日渐兴盛。至1996年，日本地热发电设备的装机总容量达50万千瓦，数十家发电厂规模超1万千瓦，达到世界顶尖水平。
 

随着石油价格趋于稳定，日本1997年发布的《新能源法》将地热剔出新能源目录，相关预算也大幅减少，日本地热开发进入停滞期。2006年，日本资源能源厅重新将地热资源归入新能源与可再生资源概念。同年，日本首个二进制式地热发电厂——八丁原地热发电厂运行，发电装机规模2000千瓦。
 

2011年福岛核事故后，日本加速可再生能源开发，政府开始加大对地热发电的扶持，措施包括放宽国立公园地热开放限制、引入固定价格收购制度、提供资金援助等。2014年，聚集于九州地区的小规模地热发电厂相继投产运行，发电装机规模达数十至数百千瓦。2019年1月，松尾八幡平发电厂启动运转，发电装机规模7500千瓦；同年5月，时隔23年新建的大型地热发电厂——山葵泽发电厂投产，发电装机规模达4.6万千瓦。

2021年4月，日本环境省发布“地热开发加速计划”，计划2030年实现地热发电设施数量倍增，并缩短地热开发准备时间——由10年以上缩短至最低8年。同年6月，内阁决定实施“规制改革实施计划”，包含推进与地热开发相关的《自然公园法》《温泉法》《森林法》的“规制缓和”。

日本81.9%的地热资源集中于国立公园等区域内，在这些区域建立地热发电设施与《自然公园法》冲突。
 

日本的国立公园被分为“特别保护地区”以及第一类、第二类、第三类特别地区、普通地区。2012年环境省提出，原则上不允许在第二类、第三类特别地区设置地热发电厂，经单独审查的优秀项目可获许可；允许在不破坏地表自然景观的情况下，从区域外倾斜式开发第二类、第三类特别地区地热资源。2015年，环境省将倾斜式开发范围扩大至第一类特别地区。2021年9月，环境省进一步放松限制，与地区环境和谐共生的优秀发电项目，经单独审查可予以批准。

开发面临的困境
 

日本“第六次能源基本计划”提出，2030年实现地热发电能力增加2.7倍、发电规模160万千瓦。但当前，日本发展地热发电依旧面临各方面掣肘。日本地热资源利用率仅为2.6%，发电设备容量排在地热资源量前十位国家的末位，2011年以来地热发电总量不增反减，发电规模超1万千瓦的仅有山葵泽发电厂一座。业内人士表示：“以当前进度看，2030年目标几乎不可能达成。”
 

一是开发周期长。地热发电厂投产前，需经历初期调查（约5年）、挖掘勘探与喷气试验（约2年）、环境评估（约3年）、发电厂建设（约3年）四个阶段，开发周期长达10年以上。
 

二是开发成本高。日本地热资源大多位于地形陡峭的火山地带，大型器械使用受限，建设钻井基地、发电厂的成本高于海外。每钻一口井需花费3亿～5亿日元（1日元约合0.05元人民币）。西日本技术开发公司前社长金子正彦推算，日本地热发电厂建成到投产的成本达10～18日元/千瓦，而美国为5～9日元/千瓦、新西兰为3～5日元/千瓦。
 

三是开发风险大。钻井成功率低，经常会出现钻探多口地热井却未获得足够地热流体（热水、蒸汽或其他载热气体）的情况。

例如，富山县立山火山口内的地热发电计划始于2015年，已投入13亿日元，2017年完成的初期调查结果显示“有建立大规模发电厂可能”，但2021年挖掘勘探结果显示“发电规模仅3600千瓦”，不足“7600千瓦”可实现盈利规模的一半。相关负责人表示，该地区地热资源很难实现商业化。

四是存在一定技术难点。日本的地热发电机器技术已十分成熟，东芝、富士电机、三菱动力生产的地热发电涡轮机占世界67%的份额。但地热贮留层的探查、开发、管理技术仍是难题。

20世纪对地热资源量的预测过高，同时并未预见普遍出现的蒸汽量减少的情况。若贮留层压力不足，不得不挖掘补充井，或降低发电设备容量。例如，2017年柳津西山发电厂的设备容量由650千瓦降至300千瓦。

五是遭遇多个社会群体反对。一方面，众多自然保护团体担忧地热资源开发会破坏环境，回灌水处置不当会威胁动植物生存、污染地下水，因此不断提出反对意见。
 

另一方面，地热资源丰富的地区往往是温泉业集中的地区，各地温泉协会、旅馆经营者担心地热开发导致温泉枯竭，对温泉邻近地区的地热开发表示反对。

例如，日本电源开发公司曾计划在熊本县小国町开发大规模地热发电厂，因遭当地居民反对于2002年撤资。日本石油天然气金属矿产资源机构（JOGMEC）地热调查显示：同一地区开发很难保证未来不产生影响，要获得地方温泉从业者理解不是一朝一夕的事情。

未来动向

为缓解能源进口依赖、推进碳中和目标，日本正从技术创新和绿色共享两个方面发力地热发电。

一是超临界地热资源的开发。“超临界水”存在于火山地带深处的岩浆附近，位于地下3000～5000米处，较一般地热资源深1000～3000米，其高温高压特性能增加单位发电量。

2015年，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）启动了超临界地热资源研究项目；2017年，联合东北大学、东京大学、九州大学、京都大学等15家机构，共同调查超临界地热发电可行性；2018年，联合评估了超临界地热资源量，探讨了挖掘勘探的可行性与必要性；2020年，针对北海道后志、岩手县仙岩与八幡平、大分县肥田、秋田县汤泽市南部地区，制订了详细挖掘勘探计划；2022年3月，东京工业大学研究团队利用电磁波探测法，已成功确定秋田县汤泽市南部地区“超临界水”分布情况；2022年10月，日本大同特殊钢公司着手研发用于超临界地热资源开发的热稳定和耐腐蚀合金，以及相应的密闭技术。
 

二是地热勘探和开发技术的研发。JOGMEC与NEDO一直在推动地热勘探和开发技术研发，包括：提供空中物理探查、地热孔调查帮助，缩短初期调查时间；提高地下结构探测精密度，开发地下断层三次元可视化技术；利用地面高压注水维持投产后蒸汽量；提高地热发电利用率等。截至2021年8月，JOGMEC与NEDO已为90个地热开发项目提供了援助。
 

同时，民间企业也在进行技术研发。三菱综合材料公司等共同研发了带有增强刀片的钻头，可减少10%的钻井时间与成本。
 

2021年8月，地热技术开发公司与大成建设公司共同研发出“碳循环二氧化碳地热发电”技术。该技术是对增强性地热系统（EGS）技术的升级，用高温二氧化碳代替热水驱动涡轮发电，最后将降温后的二氧化碳注入地下循环。计划最早于2026年现场试验，2036年实现实际应用。

2022年6月，东京电力可再生能源部门与三井石油开发公司声称，已掌握将开发周期缩短至5年的地热开发技术，计划2028年在关东地区实现商业化。
 

三是打造地域循环共生圈。结合区域内“六次产业创造”，促进居民接受地热开发，实现地产地消和二次利用，建设环境友好的地域循环共生圈。
 

例如，汤泽市定期举办“地热资源活用协议会”，构建了开发人员与当地居民之间的对话平台；八丁原发电厂将发电后的剩余蒸汽无偿提供给周边居民，用于供暖和洗浴；宫城县大崎市菅原旅馆利用鸣子温泉实现了65千瓦小规模发电，供旅馆运营之外每月还可获得100万日元售电收益；菅原二进制式地热发电厂向当地支付蒸汽使用费；岩手县八幡平市的高桥一行成立了地热染色研究所，利用地热蒸汽硫化物染色，成为吸引游客振兴地域经济的手段；松山发电厂利用地热建立蓝莓温室等。

四是积极参与海外地热发电项目。例如，2022年，住友商事公司与国际石油开发帝石控股公司追加了针对印度尼西亚的地热开发投资，计划2025年建成发电装机2.2万千瓦、世界最大规模的地热发电厂；同年8月，东芝能源公司与肯尼亚电力公社签订备忘录，将合作运营东非地区的地热发电厂；10月，日本中部电力公司宣布向加拿大初创公司“曾经技术（EVER TECHNOLOGIES）”投资数十亿日元，希望活用该公司“利用热水将低沸点物质汽化”技术，在缺乏足够水分和蒸汽的地域开发地热发电。

（刘云系中国现代国际关系研究院副研究员、时事出版社副社长；徐玥供职于南开大学日本研究院）

来源：2022年12月28日出版的《环球》杂志 第26期