加快培育新業態、新場景、新模式

    我國積極開發利用地熱能,助力能源體系轉型和“雙碳”目標實現。近年來,多項政策出臺推動地熱能規模化開發。當前地熱產業市場需求旺盛,但面臨技術、成本等挑戰。專家建議,應加大技術創新和智能化應用力度,加快培育地熱產業新業態、新場景、新模式。

    地熱能是一種儲量豐富、分布較廣、穩定可靠的可再生清潔能源。我國大力開發利用地熱能, 對構建清潔低碳、安全高效的能源體系,助力實現碳達峰碳中和目標具有重要意義。

    2 0 2 1年,國家能源局等八部門聯合發布《關于促進地熱能開發利用的若干意見》,指出要深化地熱資源勘查工作、積極推進淺層地熱能利用、穩妥推進中深層地熱能供暖,鼓勵地方建設地熱能高質量發展示范區,穩妥推進地熱能發電示范項目建設等重點工作。

    2 0 2 2年國家發展改革委發布《“十四五”可再生能源發展規劃》,指出積極推進地熱能規模化開發,全面推進淺層地熱能開發,積極推進中深層地熱能供暖制冷。

    2 0 2 4年7月3 1日,中共中央、國務院發布《關于加快經濟社會發展全面綠色轉型的意見》, 明確指出大力發展非化石能源,因地制宜開發生物質能、地熱能、海洋能等新能源。11月8日, 我國通過《能源法》,提出推進風能、太陽能開發利用,因地制宜發展地熱能等。

    當前,我國地熱產業市場需求旺盛,技術研發不斷進步,政策支持不斷強化,產業鏈逐步健全,地熱產業體系初步形成。生態環境部對外合作與交流中心政策研究部研究員張劍智認為,盡管我國清潔能源技術在電力、工業、建筑、交通、鋼鐵、農業等行業得到大力發展,但是清潔能源技術開發成本高,數字化水平、智能化水平、儲能技術、調峰技術還需要進一步提高。由于美歐在氣候與清潔能源政策上具有不確定性和搖擺性,我國清潔能源企業和產品走出去面臨越來越大的挑戰。他建議完善綠色稅收、綠色信貸等激勵措施,加大清潔能源領域的資金投入力度,推進綠色低碳清潔能源發電、儲能等關鍵核心技術研發,推進產學研用深度融合,進一步鞏固太陽能、風能、氫能、核能、地熱能等清潔能源技術在國際上的領先優勢。

    我國地熱產業發展條件十分有利。與會專家表示,在政策支持下,地熱產業發展將迎來更大市場空間,要加大技術創新力度,拓展應用場景,推動智能化與數字化等先進信息技術與地熱產業深度耦合,提升地熱能的利用效率和服務水平,加快培育地熱產業新業態、新場景、新模式。

    發展地下儲熱正當時

    我國風力、光伏發電快速發展,但面臨“棄風棄光”挑戰。跨季節儲能技術,尤其是地熱儲能成為解決方案,具有儲熱溫度高、能量密度大等優勢。為提升地熱儲能系統性能,需關注地熱儲能關鍵技術,如地熱儲能式供暖系統、熱儲強化調控及電熱耦合技術。

    太陽能和風能具有間歇性、不穩定、不可控等特點,以致我國風光資源豐富的地區多受“棄風棄光”困擾。尤其是“三北”地區,風力發電發展迅速,帶來了非常富裕的非連續電力資源,但“棄風棄光”時有發生。全國新能源消納監測預警中心數據顯示,2023年,我國新能源棄風率達2.7%,棄風率超過5%的地區有4個。2024年,棄風、棄光率持續上升,1~6月,我國新能源棄風率增至3.9%,其中棄風率超過5%的地區增至8個。

    大比例可再生能源利用離不開跨季節儲能(夏季儲熱、冬季取熱),采儲結合的熱儲工程技術是經濟性開采地熱能的工程技術,可以將間歇性、不穩定的風能轉為穩定的地熱能進行儲存, 儲層深度一般在500~2000米、儲熱溫度在70~1 50攝氏度。

    深部地熱儲能的技術優勢主要表現為儲熱溫度高、能量密度大,儲熱效率更高、能力更強、 運行成本更低,對淺部地下水不會造成污染。中國科學院地質與地球物理研究所研究員龐忠和指出,未來以可再生能源為主體的能源結構離不開長時間大容量儲能技術。地熱儲能條件好、潛力大、基礎好,雄安新區的初步試驗表明,中深層碳酸鹽巖地熱儲能技術可行、回收率高,綠色能源消納和經濟效益均好,系統運行穩定,可擴大中深層地熱儲能技術的應用規模。

    什么是影響地熱儲能系統性能的關鍵因素?如何提升和優化地熱儲能系統的回收率?如何建立地熱儲能系統的綜合評價體系?龐忠和認為這是要重點關注的地熱儲能關鍵技術問題。地熱儲能式供暖系統技術,創新點在于以地熱能為基礎負荷,將過剩的風電資源就地消納,在電、熱、 儲三個環節進行有效配置與調控,實現供暖系統的穩定運行;熱儲強化調控技術,創新點在于利用水力壓裂或酸化壓裂等技術,實現熱儲層的增強或改造,綜合利用地球物理、水文地質和數學模型等手段,提高熱儲層儲熱效率,保障多能融合地熱儲能式供暖系統全生命周期穩定運行;電熱耦合技術,創新點在于基于“源網荷儲”協同優化模型,探索風電反調峰特性與冬季供暖需求的聯動機制,研發高效電熱轉換設備,實現風電與熱力多維度耦合。

    油田地熱開發優勢明顯

    地熱能作為一種穩定可靠的可再生能源,與油氣行業關聯緊密。四川盆地地熱資源豐富,開發潛力巨大,同時,廢棄油井與地熱資源分布高度重疊。專家建議,利用優質廢棄油氣井開發地熱,并攻克相關技術難題,以優化地熱儲能系統,提升能源利用效率。

    地熱能不受天氣等自然條件的影響,平均能源利用率高于太陽能和風能,可用于供暖、發電等多個領域。在諸多可再生能源中,地熱能的勘探開發與油氣行業關聯度最大。

    地熱資源作為與石油共生于沉積盆地的資源,油田企業開發優勢明顯:油田地熱儲量豐富, 且投資回收期短(3~5年);基礎設施極大降低了地熱開發成本,勘探、鉆井成本降幅在50%~65%, 鉆井成功率高;高產水井和廢棄油井是開發地熱的最佳候選井;擁有豐富的地質、鉆井、測井、 地震、重磁等基礎資料,為地熱勘探、評價、開發和利用提供了巨大便利。

    四川盆地地熱資源量達到42.6萬億吉焦,折合標準煤14504億噸,資源豐度達到1.85億吉焦/平方公里,地熱資源位居中國沉積盆地之首,開發潛力巨大。

    在四川盆地油氣勘探開發過程中產生了大量廢棄油井,其分布與地熱資源分布高度重疊,可極大降低地熱開發鉆井成本;存在完備的地質生產資料,可極大降低開發風險;廢棄油井后期處置和維護要耗費大量人力、物力,改造后,開采地熱可有效延長廢棄油井的生命周期,實現“變廢為寶”,因此利用廢棄油井開發中低溫地熱能具備先天優勢。

    基于長期的地熱資源勘探及開發經驗,成都理工大學地熱研究中心研究員姜光政建議,選擇具有優質儲層的廢棄油氣井,建立廢棄油氣井數據庫;橫向對比單井特征參數,挑出條件較優的廢棄油氣井;根據四川盆地及礦權范圍地熱資源分布特征,優選出最優分級帶上的廢棄油氣井進入數據庫。他認為,地熱開發亟待攻克的技術主要包括油田水化學特征及結垢機理、油田地區地溫特征及聚熱機制、地熱儲層地質建模及可視化、高礦化度地熱水高效換熱預處理及開發工藝、 碳酸鹽巖孔隙表征及滲流機理、油田結垢物微觀特征及除垢工藝、廢棄油氣井儲層改造關鍵技術及工藝等。

    創新引領淺層地熱能學科發展

    淺層地熱能在我國建筑供暖制冷及熱水供應中具有顯著優勢。華北平原等地自然條件優越,淺層地熱能開發潛力巨大。雄安新區作為地熱優勢城市,積極探索地熱多元化開發和梯級利用方式,建設地熱供暖區域并實現“地熱+”清潔供熱系統運營。未來,應持續探索淺層地熱能地質學理論及方法,開展高效轉化及應用研究,并深化地質環境影響研究,助力“雙碳”目標實現。在可再生能源中,地熱能在我國建筑物供暖制冷及生活熱水提供方面具有得天獨厚的優勢, 特別是淺層地熱能,分布面積廣、開采難度小、熱泵技術成熟,可以有效降低我國建筑能耗與碳排放。

    我國農村地區供熱約占全國供熱面積的1/3,是推廣清潔供熱的薄弱環節,農村燃煤替代刻不容緩,淺層地熱能高效利用發展空間巨大。淺層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度(一般小于200米)范圍內巖土體、地下水和地表水中,在當前技術經濟條件下,具有開發利用價值的熱能,溫度一般低于25攝氏度。

    華北平原屬暖溫帶大陸季風氣候,夏季需要制冷、冬季需要供暖,同時又具有良好的地熱地質和水文地質條件,淺層地熱能開發利用具有得天獨厚的自然條件。同時,河北省平原地區能源匱乏,為了加速經濟發展,開發利用淺層地熱能勢在必行。

    河北省淺層地熱能開發始于2001年,淺層咸水式地源熱泵技術利用工程主要集中在農村, 分散式夏季制冷,開發利用方式為“水空調”和“水簾”兩種方式。地埋管式地源熱泵工程大部分位于城市和縣城城區,主要用于機關、學校、商場、酒店、住宅、醫院等公共建筑。

    2 0 2 2年2月,河北省印發《關于促進全省地熱能開發利用的實施意見》,提出積極推進淺層地熱能利用結合供暖(制冷)需求,因地制宜推進淺層地熱能利用,建設淺層地熱能集群化利用示范區。

    結合河北淺層地熱能開發的實際,河北省地熱資源開發研究所研究員趙紅亞認為,應加強淺層地熱能區域地質勘查工作,提高勘查精度;對現有的淺層地熱能利用工程進行長期監測,研究其運行效果、能效比及運行過程中對地質環境的影響,優化工程設計參數;建立示范工程,調動建設單位開發利用淺層地熱能的積極性,積極建設并申報可再生能源示范工程。

    雄安是世界上少有的地熱優勢城市,埋藏淺、溫度高、水質好、易回灌,地熱田總面積1256 平方公里,總儲存量377億立方米,可開采量4億立方米。《河北雄安新區總體規劃(201 8~2035 年)》提出“推進本地可再生能源利用”,要求科學合理利用地熱能,探索建立地熱供暖、制冷等多元化開發和梯級利用方式。7年多來,雄安新區建設完成中深層、淺層地熱和地下水自動化動態監測系統,開展了17個地塊、總面積440平方公里的地熱勘查,擁有了13個地熱采礦權,中試基地3萬平方米利用淺層地熱能的廠房投入使用,新建片區800萬平方米的地熱供暖區域實現 “地熱+”清潔供熱系統運營。同時,雄安新區不斷探索“油退熱進”工業化地熱開采模式,積極申報國家地熱高質量發展示范區,為未來之城建設持續賦能。

    自然資源部淺層地熱能重點實驗室科技辦負責人李翔說,面向國家新能源與可再生能源發展、科技發展的戰略目標和重大需求,凸顯綠色發展理念,開展戰略性、前沿性的淺層地熱能應用基礎研究和淺層地熱能利用關鍵環節技術攻關,以創新為引領,推動淺層地熱能學科發展和技術進步,建設高水平科技人才高地,助力自然資源管理和“雙碳”目標實現。

    李翔建議持續探索淺層地熱能地質學理論及方法。從地埋管換熱特性、土壤儲能熱濕遷移規律、地下水循環及中深部構造等對淺層地溫場影響等方面研究淺層地熱能成因機理,開展淺層地熱能勘探評價方法體系研究;多維度開展淺層地熱能高效轉化及應用研究,開展不同巖層的儲熱性能及巖土體換熱試驗,提升寒區淺層和中深層換熱系統換熱能力,明確地下水滲流對溫度場分布、地埋管換熱特性的影響,推進地埋管換熱系統研究及測評方法研究,開展淺層地熱能利用系統仿真和優化設計等;繼續深化淺層地熱能利用地質環境影響研究,應用光纖測溫技術,開展物聯網監測預警,減少井群復雜熱交互作用影響,核算全流程碳排放等。