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地热可否带来能源的春天

来源:2013年12月13日05:59 来源:科学时报 作者:赵广立 时间:2013-12-26 点击:1196

一位耄耋老人站在海河岸边,久久凝视着军粮城发电厂烟囱的滚滚浓烟,惋惜地说:“如果把地热用到这里来,不仅能节约宝贵的煤,还能减少多少城市的污染啊!”这位老人就是地质学家、新中国地质工作的开拓者和领导者李四光。
直至1971年4月,这位地质学家的伟大一生画上句号,李四光一直关注着中国地热事业。人们后来在他的衣服口袋里发现了几张小纸条,上面仍记录着一些待办的事项,其中一条就是有关天津地热工作的指示。
“大力发展中国地热事业,是李四光先生未了的遗愿。”中国地球物理学会地热专业委员会主任、中科院地质与地球物理研究所研究员庞忠和在接受《中国科学报》记者采访时表示,“上世纪70年代,我们要发展地热什么都没有,如今我们什么条件都有,是时候放开手脚,开展新时代的地热事业了。”
进入12月以来,我国多地遭遇严重雾霾天气,104座城市同时陷入空气重污染。治理雾霾,已成为中国头等大事。
根据气候变化专门委员会(IPCC)的分析报告,就技术开采潜力而言,地热能是仅次于太阳能的第二大清洁能源。在节能减排呼声日益高涨的今天,它的开发利用被认为是人类实现可持续发展的一个重要途径,正在世界范围内迎来发展的战略机遇期。
开发,从重点向全面
陕西省临潼县南门外,汩汩流淌着享誉古今的华清池温泉。然而,由于过量开采,该区域地下水位逐年下降,华清池如今也将面临枯竭之虞。
无独有偶,开发地热温泉较早的天津、北京等地,也相继出现了地热资源减少的情况。中国地质大学水资源与环境学院教授周训指出,近年来,由于周边温泉度假村的过度开发,加之区域性降雨量的减少,北京地热集中开采区地下水位正在以每年约2米的速度下降,小汤山等地的地下热水水位更是已下降了数十米。
在考察河北地热开发利用情况回京的路上,庞忠和接起了《中国科学报》记者的电话。谈及部分地区地热温泉枯竭的问题时,他认为要辩证地看待这个问题。
“我国开发地热资源程度比较高的华北地区,特别是京津这些具有三四十年开发历史的地方,确实有水位下降过快、逐步枯竭的趋势,这是客观存在的。但是在更多的地方,有很丰富的地热资源还没有被利用。”庞忠和说,“我们作过一个估算,实际上我国可开采的地热资源,现在才只开采了万分之几。”
不仅如此,庞忠和告诉记者,近两年地热勘探又有新的发现。“在我国西部,之前认为没有高温地热的地方,打出了高温地热井。比如新疆西部,发现了160℃高温地热;四川西部,打到了208℃的高温地热井。”
“如果兼顾这两个因素—已知地热资源的未充分开发,加上新发现的地热资源,我们完全可以乐观一点,我国地热资源的潜力是巨大的,根本没有达到枯竭这个水平。”庞忠和指出,我国地热发展亟待打开“从重点到全面开发”的局面。
“地球内部温度高达4500℃,蕴藏着巨大的天然热能,好比一个核裂变的"原子弹",无时无刻不在产生大量的热,不利用就是浪费。”北京地热研究院院长邹登亮告诉《中国科学报》记者,目前北京市已探明地热田10个,总资源储量179.73亿m3热流体,折合标煤约2.14亿吨。
回灌,从成本到技术
资源枯竭的始作俑者往往是过度开发,而地热作为具有可再生能力的资源,“回灌”则有望使枯竭的地热起死回生。
“回灌做到位的话,地热实际上是可以再生的。”庞忠和举例说,天津就是一个典型的案例,“这些年,天津的回灌始终没有做起来。从地热行业来讲,这其实是我们工作的重点。”
邹登亮也指出,天津地热供暖已经实现产业化,“但回灌没有产业化”。
是因为回灌成本太高吗?庞忠和给记者的答案是否定的。
“回灌成本因地而异。”他告诉记者,他们刚刚考察了河北雄县的地热利用情况,那里几乎达到了100%回灌,而且成本很低,不需要耗费任何电力。
周训指出,一般认为,温泉和地下热水的水源主要来自大气降水,大气降水在地形较高的补给区渗入到地下成为地下水,地下水沿着渗透性较好的断层破碎带或含水层进行深循环。不过,对于较深地层而言,这个过程可能需要成百上千年。
并且,周训认为,山地和平原地热无论从开发利用,还是在回灌方面,也全然是不同的概念,应区别对待。
邹登亮则认为,回灌技术的研究还有待进一步深入。“到底多少回灌量合适?不能说某个点回灌多少合适,应该以整个区域作为回灌对象。”
“现在大规模的回灌,还没作深入的研究。特别是细颗粒的地层,第三系和第四系,回灌很困难。”邹登亮有长期的地热工程经验,他认为天津回灌的难点就在于,开采点位于第三系地层。“北京回灌能超过70%,而天津陕西加起来不到30%。”
另外,回灌作为地热资源“取热补冷”的能源化利用的最后环节,具体会对地层产生什么后果,也需要进一步深入研究。
利用,从泡温泉到发电
据了解,地热资源从浅到深,都有不同程度的利用,几乎没有浪费。
“200米以内的浅层地热的利用,在过去20年中可谓突飞猛进,每年的增长大概在20%左右,几乎占到我国地热直接利用的半壁江山。”庞忠和介绍说,可以预期,在我国地热发展路线图中,直至2035~2050年,浅层地热的开发利用将会持续增长。
周训告诉《中国科学报》记者,自然出露的天然温泉除了开发以洗浴、疗养为主题的温泉旅游业之外,还可以用以温室种植和养殖、烘干等,温度较高的热水可用来局部供暖,极少数地点的高温热水可用来发电。
而借助热泵技术,蕴藏在地表下200m浅岩土体中的地热,冬季可以把土壤中的热量“取”出,提高温度后供给室内采暖;在夏季则可把室内的热量“取”出来释放到土壤中去,降低室温。邹登亮介绍说,由于地源热泵技术成熟,节能、减排的优势已被广泛认知和普及,在北美、欧洲、中国等地已经得到广泛应用。
庞忠和进一步指出,200m~3km的水热型地热能,属于常规开采资源,多用于直接给房屋供暖,由于地热热源稳定,地热可满足我国北方持续4个月的房屋供暖。除此之外,水热型地热资源也常用于农业和旅游业开发,当前多数温泉洗浴疗养都来自于地下上千米深的“人工温泉”。
发电是地热资源利用另外一个重要的应用方面。庞忠和向《中国科学报》记者介绍说,我国在利用中低温和高温地热发电方面都曾经作过很多探索和尝试。遗憾的是,限于成本和技术上的问题,中低温地热发电的转换效率和经济效益并不理想,先后7个地热电厂纷纷“下马”,只剩“独苗”西藏羊八井高温电站。
“羊八井的装机容量为25000千瓦,持续运行了30多年,每年提供的电量相当于整个拉萨用电量的50%以上。”庞忠和认为高温地热发电前景值得关注。
地层更深处,是3km~10km的干热岩。庞忠和告诉记者,我国在干热岩的利用方面还没有开始,目前还停留在技术研究和储备上,还没有进入开发利用的阶段。
“美国在干热岩发电方面已经有40年的探索,欧洲有30年,可以说干热岩到了商业化运作的时代。但是人们对干热岩的利用规模仍然非常小,保守估计全世界干热岩发电的装机容量不超过100兆瓦。”庞忠和指出,随着干热岩发电技术的逐渐成熟,将成为地热发电的又一增长极,“我们现在迫切需要迎头赶上”。
从经济效益到生态效益
地热能的潜力巨大,其经济效益也非常可观。为此,邹登亮给记者算了一笔账。
“今年欧洲经济不景气,二氧化碳碳汇交易市场上价格是25元/吨。使用地热能供暖,每100万平方米每年节约的二氧化碳接近10万吨,这样就是250万元,这相当于每平方米供暖通过节约碳汇获益2.5元。北京每平方米供暖费是30元,2.5元就是8%,这已经很可观了。”
邹登亮进一步指出,碳汇单价峰值是13欧元/吨,按这个价格算,能补足供暖一半的价格。
“作为发展中国家,目前中国还没有减排责任。以后肯定是要有的。”邹登亮指出,这样一来,国内就有碳汇压力了,“我个人认为,5年以内碳汇价格将会上涨。”
除此之外,地热能作为可再生清洁能源,相对太阳能、风能有着不可比拟的优势。
“地热能一旦开发成功,它是稳定的,可以一年365天、每天24小时"连轴转",风能太阳能都不可能实现。”庞忠和说,“所以,地热能可以作为基础负荷来对待。”
环境和能源两大问题,是悬在中国发展道路上的达摩克利斯之剑。可以说,尽快促进清洁能源的开发和利用,是我国经济转型的热切需要。
“我国能源其实不匮乏,但清洁能源非常匮乏,尤其是北京市,北京市能源输入是95%。”邹登亮说,消不散的雾霾已经敲响了警钟。
冰岛首都雷克雅未克是目前世界上最清洁的首都之一。然而,人们或许难以想象,就在上世纪90年代,雷克雅未克的上空也被雾霾所笼罩。1970年,雷克雅未克实现99.8%的住宅采用地热系统供暖,全市区90%的能源来自地热。2008年,雷克雅未克成为环境友好型城市的标杆。

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