地热能如何改变美国的能源结构

  假设我们能够把埋藏在美国地下3000多米深的地热资源充分利用起来，依照现今的使用数据来看，足够满足美国未来30000年的能源需求。但是，把能源完全利用起来的可能性几乎为零，这既是一个技术问题，也是一个经济问题。然而仅仅从这部分能量中拿出5%，也足以制造出供应全美2. 6亿人口的用电需求量。对于这个5%的目标，美国国家能源部可再生能源实验室宣布到2050年就可以实现，届时，通过地热资源能发电2600亿瓦，对煤炭资源的依赖会减少1/30开发地热资源要面对严峻的地热学问题。一般来说，地热发电是将地下的热水或热气用管道输送到地表，然后利用其驱动涡轮机来带动发电机产生电能。地下热水的温度决定了涡轮机的工作效率:水温越高，工作效率越高;同时，地热水最低温度也需要达到93. 3 ℃。然而，地下只有有限的热点有水存在并且能加以利用。

 

  美国的一个最好的例子是吉赛斯热点。它位于圣弗朗西斯科以北72英里处的峡谷中，热气不断地从地下翻滚到地表，排列整齐的金属管将热气运送上来驱动涡轮机，其发电量可达8. 5亿瓦。

 

  盖依塞斯高温地热田是世界最大的地热发电厂所在。在14200英亩地热区内钻了38朋良地热井，现有260眼生产井，共20个发电厂，装机总容量2000兆瓦，生产电力3. 56亿度。

 

  黄石国家公园是世界上第一个国家公园自然保护区，也是世界上最大的水热对流系统的地表显示区，有10000多处独立的间歇喷泉、热泉、喷汽孔、泥火山、沸泥池等景观。美国法律规定其只作为自然景观发展旅游而不得作为地热资源开发利用，近30年来，这里每年接待游客均在200万人上下。

 

  美国的中低温地热资源相对于上述高温地热田的世界知名度来说，过去鲜为人知，在美国的地热开发史上也未予足够重视，但近些年来从充分利用能源的角度考虑，均有一定的发展。

 

  如博依西市和圣贝纳迪诺市地热供热系统都是1983年才开始建设的，虽然规模还不大，但因地热供暖的成本不足原汽油锅炉供暖成本的一半，其新的供暖工程均在发展之中。

 

  克拉玛斯福尔斯市有500多眼地热井，热储为第四系玄武岩，裂隙强渗透性受盆地边缘北西向断裂带控制。

 

  热水井深40 ^- 600米，热水温度49 }-1100C，单井出水量每小时可达164立方米，主要用于家庭、楼房、教堂、学校等地热供暖，地方法律规定利用地热必须回灌。俄勒冈理工学院有3眼生产井，2眼回灌井，利用89℃地热水，供校园11栋楼供暖，也可用于制冷。医院的供热和制冷系统己有一眼生产井，正拟自建回灌井，其余大部分是居民楼分散的井下热交换器地热供暖，有的也包括制冷，均不直接抽取地热流体。

 

  博依西市低温地热田位于市东北近郊山前，热储是第四系玄武岩裂隙高渗透性含水层，埋藏百余米至千余米深，受东北一西南向断裂带控制，地热水温度770C，单井出水量每小时191立方米左右，虽然美国最早的地热技术发展国家。

 

  供暖始于本市(1894年)，但发展不快。博依西市现建有市政、州议会、联邦和温泉村4个区域供暖系统，但使用温泉村地热供暖的住户不足1%，其余3个系统均为办公楼供暖，地热回水部分回灌地下。

 

  圣贝纳迪诺低温地热田位于市中心，热储层是夹在粘土层间的第四系冲积砂层，估计厚400米左右，己钻10眼井，大部分是勘探井，仅2眼生产井，井深均300米，水温在井底71℃，在井口600C，单井自流量每小时273立方米。为适应扩大地热供暖系统，现第二生产井正改建，拟安装抽量每小时1091立方米的大泵，现地热管网展布于3平方英里的地域内，为市政厅、政府机关、血库和旅馆等供暖，供暖成本是原燃油锅炉的一半。开采地热近10年来，圣贝纳迪诺夏季枯水期水位降至6米，但冬季丰水期水位仍能自流，水质满足饮用水标准。

 

  加里佛尼亚、内华达、爱达荷、俄勒冈等州也有高温热点，其潜在的发电量可达用电需求量的很大的比例(如内华达的地热发电可满足60%的用电量)，但是这些州的地热温度很少能达到吉赛斯的热度(可达204℃或更热)。同时，大部分时间开发者要在地下10千米处才能探寻到流动的热流体，因此找到合适的钻探场所也是一个很大的难题。美国爱达荷州地热公司在该州南部地区刚刚建成了一个1300万瓦的地热发电厂，公司总经理道·格拉斯比说他希望具有X射线透视能力，“这样，我就能发现地热储层的位置。这个工作最大的风险就是寻找储层。打一眼井花费200 }- 300万美元。如果打的是一眼废井，你将一无所有。”此外，如果遇了一个好的热点，公司就要建一个发电厂或加热系统，这将需要很大的先期投入以及多眼钻井。格拉斯比估计建立一个地热发电站，“每兆瓦电要花费350 ^-400万美元。”

 

  地热发电厂目前只有8%-V 15%的能效，还不到煤发电厂的一半。较高的先期投入加上较低的能效使得地热发电的成本大约两倍于煤发电的成本(煤电的销售价格约为每千瓦时5美分)。然而，美国国家能源部可再生能源实验室地热技术经理吉拉德.尼克斯却认为勘探和钻探技术的改进能够使地热发电比煤发电便宜。当前，工程地热体系(EGS)负责提高和改进这些技术，该体系能够从渗透性差、不利于水体循环或开始时没有充足水量的岩石热点中将热量挤压出来。根据2006年题为“地热能量的未来”的国家报告，截止到2050年，工程地热体系向美国地热发电量预案要贡献至少1000亿瓦的电量，可占美国总电力的10%0地热能量并不仅仅局限于用来发电:如果地热资源的温度没有高到有效发电的程度可以通过管内的水体循环为楼房供暖。美国有许多这种较低温度的热点。从北达科他州划一条线到得克萨斯，该线以西的各州几乎都有温度至少达到93. 3℃的地热源。

 

  即使没有随处可见的热点，也可在地表钻洞取热以减轻对化石燃料的需求，美国所有的土地都适合进行地热热泵技术的研究，即冬季将热能从地下输送进家中制暖，而夏季进行反方向的制冷操作。热泵技术有能力为几乎所有的美国家庭提供热能和热水。事实上，从地下获得的用于制热的热能能量(超过10000亿瓦)超过了用于发电的数量。然而，根据美国国家能源部可再生能源实验室的数据，目前使用的地热能量还不足可用数量的1%，其原因是缺乏研究投入。

 

  现在，美国的潮流似乎正在转向朝着有利于地热能量开发的方向发展。

 

  加利福尼亚州是美国最早开发地热能的州之一。随着经济的快速发展，西部的一些州也在积极开发地热资源，如内华达州、犹他州、爱德华州和俄勒冈州等。内华达州更是被称为“地热的沙特阿拉伯”。

 

  据马萨诸塞州技术研究院最近的研究发现，从深层钻探可望回收的地热能几乎是美国目前消费能量的近3000倍。

 

  美国能源部也对地热资源的巨大潜力做出肯定。目前，俄勒冈州的一家公司正在计划开发100兆瓦地热发电装置，可为10万人提供足够的电力。

 

  从华盛顿州的圣海伦山和亚当山到俄勒冈州波特兰东部的胡德山，地热潜力足够开发1000兆瓦的电力，相当于3}-4座燃气电站或一座大型核电站的产电量。

 

  从事可再生能源开发的尤尔干电力公司于2008年2月中旬制定出G3电力计划，计划将利用位于内华达州西北部的天然蒸汽在加利福尼亚州的洛杉矶和拉斯维加斯建设1000兆瓦的清洁地热电站。

 

  据专家估算，内华达州北部拥有地热天然蒸汽量约2500兆瓦。己建有的24。兆瓦的地热电站运行己达15年之久，所生产的电力由内华达州和加利福尼亚州公用设施希尔拉太平洋资源公司和南加州爱迪生公司分别购买。

 

  尤尔干电力公司认为，如果通过新的2077J绿色电网改造将使内华达州的蒸汽产量提高很多。

 

  多年来，美国的地热能量研究一直处于资金匾乏的状态。大部分地热开发技术始于上世纪70年代的石油危机。美国地质调查局当时投入了大量的研究来确定地热资源的范围，一些大的石油和电力公司投资兴建地热发电厂(例如吉赛斯发电厂)。20世纪90年代石油价格下降时，人们对各种再生能源的研究降温，美国能源部对地热科研的资金投入从上个世纪80年代的1亿美元锐减到最近几年的稍微超过2000万美元。美国地热项目与石油、天然气勘探项目相比很少得到政府的财政支持，因而其地热发展相对比较缓慢。

 

  世界上的其他国家，富有进取心的公共政策使得地热开发大获成功。

 

  例如，冰岛是利用地热发电较早的国家之一。自20世纪70年代以来，冰岛的能源政策就一直强调地热利用。近年来，由于高耗能产业的迅速发展，对电的需求不断增加，促使其地热发电有了很大进展。2005年冰岛地热发电总量占国家电网的19. 1%，加上水力发电，冰岛可再生能源发电占总发电量的71%，居世界第一。如今，85%的冰岛房舍用地热取暖，5个地热发电厂提供该国1/4的用电量，全国每年可因此节约燃料开支上亿美元。

 

  欧洲联合“地中海气候”地源热泵供暖和制冷项目，也将在地中海沿岸国家和罗马尼亚设立8个示范点，开展地源热泵技术更深入的研究。

 

  日本的地热资源储量位列世界第三，相当于15- 20个大型核电站的发电量。在能源紧缺和环境保护的双重压力下，日本经产省开始审视地热这一宝贵资源，。日本政府制定了发展可再生能源的新目标，同时出台新的相关补贴措施。新目标规定，到2020年，全国发电能力要提高1倍，在新增加的发电量中，大部分将来自生物质发电、小水电和地热发电。其中，太阳能发电量达到2005年的20倍。到2030年，全国发电能力将提高至少3倍，而地热发电量届时要增加3倍。2010年初，日本政府公布了“新能源利用特别措施法(RPS)”，并敦促各电力公司购买“地热发电”的电量，使之义务化、商业化。日前，日本政府为加快地热发电站建设的速度。将新建地热发电站的政府财政补贴率由20%提高到30%。

 

  印尼地处环太平洋地热(地震、火山)带，是世界上地热资源最丰富的国家，拥有世界40%的地热资源。目前，印尼地热发电装机容量虽然己达1197兆瓦，但只利用了其资源的4. 2%。近5年来，印尼新增地热发电装机容量400兆瓦，年增长率在5%左右。

 

  据估计，至2025年，印尼将新建2885兆瓦装机容量，使总装机容量达到4000兆瓦，超过目前装机容量3093兆瓦的美国。印尼首都雅加达以南古诺沙拉克地热田的地热电厂，其100平方公里的工作区位于海拔1000^-1500米的森林山区。该地热田由总部在美国加州的雪佛龙公司开发，分供气厂和发电厂两部分，现有地热井82眼，其中生产井51眼，热水回灌井13眼，冷凝水回灌井2眼，监测井2眼。该厂是印尼最大的一座地热电厂，全厂6套机组的总装机容量为37兆瓦，自动化控制程度非常高，只需几名操作人员，生产的电力被源源不断地输送给爪哇一巴厘电网。印尼巴厘岛的巴度谷地热田己钻3眼地热勘探井，井深2400米，最高温度3250C，投资方准备依此建设一座装机容量为175兆瓦的地热电厂。由此可见，印尼的地热开发和利用正在迅猛发展。

 

  目前，每个人的心目中都对气候因素、油价及能源安全充满了忧虑。

 

  2007年的美国能源条例授权能源部花费9500万美元进行地热研究，但遗憾的是，条例没有列出对再生能源生产方的税贷问题，由于寻找地热资源和建厂的初期投入很高，税贷是巫待解决的问题。

 

  现在美国的私人企业也开始致力于地热能量的开发。去年美国西北部的再生能源开发商花费数百万美元租地用于地热开发。美国巨大的未开发地热潜在资源也引起了国际的广泛关注。 2007年9月北欧财团格里特尔声称计划在未来5年对美国地热市场投资10亿美元，就连大的石油公司也开始对美国地热资源虎视耽耽。据说埃克森美孚、壳牌、雪佛龙等石油公司的代表出席了最近的工程地热体系工作会议。

 

  此外，建筑公司注意到热泵技术使他们有钱可赚。虽然安装一个热泵的启动资金比安装一个天然气炉要高，但是热泵在10年内就会收回成本。加里佛尼亚能源委员会估计一个平均规模的家庭所需热泵的成本约为7500美元。目前美国已安装了约100万个热泵，并还在以每年5万一6万的数量递加。

 

  总之，根据美国地热能源协会的数据，现有超过34亿瓦的地热电量正处于开发状态。在政府强有力的支持下，我们脚下的热能将会源源不断地为人类服务。