中国地热资源分布与开发利用前景

2018/7/19 0 2258

引言
地热资源作为一种极具竞争力的清洁和可再生能源,可替代化石燃料,用于室内供暖与发电等,促进区域经济发展。规模开发利用是应对全球气候变化和节能减排的需求,且其巨大的资源储量决定了地热能必然成为人类未来的重要替代新能源之一。地热资源按深度划分可分为浅层,中深层和超深层地热资源。浅层地热能通过钻孔热交换器及热泵得以开发利用,其深度范围一般为200米以浅,包括土壤层及浅层含水层。中深层地热资源一般介于200米至3000米之间,按照开采系统还可细分为水热系统中的对流换热系统(在含水层中布置开采井和回灌井)和传导换热系统(深井换热系统)。超深层地热资源埋深通常超过3000米,可为干热岩或水热系统。

在我国,地热资源的开发始于上世纪70年代,尤以水热型开采为主,用于供暖和洗浴。受石油危机驱动,大量的地热田得以开发,并由此而带来了全国地热资源的评价。通过几十年的工作,我国大陆的热背景及地热资源分布逐渐明朗。

伴随着我国地热资源的大规模开发,地热学包括地热资源的理论与应用研究均在我国取得了巨大的进步,如地球动力学研究的地热学证据、大型岩溶热储成因与评价研究、热储工程中的采灌井距经济性评价与深井换热效率评估等。庞忠和等总结了近些年来的地热学的理论进展,指出过去20年来,我国地热研究经历了由浅入深、从今到古的发展历程,为国家能源与安全建设作出了巨大贡献。汪集暘等出版了《地热学及其应用》一书,全面总结了近些年来地热学的理论与应用工作。

近年来,国家颁布多项政策支持地热发展。如2013年1月10日颁布国能新能[2013]48号文《国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部关于促进地热能开发利用的指导意见》;2014年6月25日颁布能综新能[2014]497号《国家新能源综合司,国土资源部办公厅关于组织编制地热能开发利用规划的通知》;2017年1月23日印发了《地热能开发利用“十三五”规划》,规划指出,在“十三五”时期,新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米,其中:新增浅层地热能供暖(制冷)面积7亿平方米;新增水热型地热供暖面积4亿平方米。新增地热发电装机容量500MW。到2020年,地热供暖(制冷)面积累计达到16亿平方米,地热发电装机容量约530MW。2020年地热能年利用量7000万吨标准煤,地热能供暖年利用量4000万吨标准煤。京津冀地区地热能年利用量达到约2000万吨标准煤。

然而,随着国内地热能开发热潮的高涨,一系列的问题随之出现,尤其是开发思路不清,譬如应当注重地热供暖还是地热发电?应当是开发水热系统还是开发干热岩?本文将在评述中国地热资源分布特征的基础之上,重点讨论中国地热资源的开发思路,供管理部门与地热产业界等参考。

地热能的优势

地热能优势显著(表1),主要有:

1
资源量巨大。据国土资源部的评价结果,水热型地热资源每年可开采量折合标准煤18.65亿吨,相当于我国2015年煤炭消耗的50%;336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨,相当于我国2015年煤炭消耗的19%。汪集暘等对我国大陆干热岩计算的结果显示资源总量为2.09×1025J,折合标煤7.15×106亿吨。若按2%的可开采资源量计算,相当于中国2010年能源消耗总量的4400倍。
2
能源利用效率高。在新能源和可再生能源大家族中,地热能发电的能源利用效率最高(平均73%),在一些国家或地区可达90%以上,地热发电平均利用效率达73%,为太阳光伏发电的5.2倍,风力发电的3.5倍且可靠性强,既可作为基本载荷,亦可作为调峰载荷。
3
成本具有竞争性。与太阳能、风能与生物质能等其他可再生能源相比,地热发电成本较低。
4
CO2减排优势明显。与传统的锅炉供暖相比,利用热泵供暖其CO2排量至少可减少50%;若热泵所需电力来自可再生能源(如水力发电或其它),则CO2减排量可达100%。

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我国地热资源分布特征

我国处于两个全球性地热带上,西南地区的喜马拉雅地热带是地中海-喜马拉雅地热带的一段,而东部的台湾地热带则属于环太平洋地热带的一部分。在这样的大地构造背景和区域地热背景下,西南形成了喜马拉雅地热带上的高温对流型地热系统,东部形成了台湾高温地热带上高温对流型地热系统。这两个地热带属于板块边缘地热带。除此之外,全国其它地区,形成了大量的广泛分布的中低温地热系统,其中包括:大型沉积盆地中的中低温传导型地热系统,隆起山区的中低温对流型地热系统。这些属于板块内部地热带(图1)。

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我国大型沉积盆地中蕴含丰富的中低温地热资源。从成因类型上看,它们以中低温传导型地热系统为主,在局部地带,由于受到断裂活动的影响,形成传导-对流的亚类。我国主要沉积盆地的地热状态由东至西,依次为热盆、温盆和冷盆分布。东部的松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地等属于热盆,地热资源丰富。

在沉积盆地地热系统中,主要热储类型有砂岩孔隙型热储和基岩裂隙-岩溶型热储。其中,裂隙-岩溶型地热储的开发利用条件更加优越。图2将我国的碳酸盐岩分布叠加在大地热流图(用以反映热背景)上,表明,我国碳酸盐岩的分布总面积占陆地面积的三分之一,裸露面积约为90万平方公里,隐伏面积达250万平方公里以上。基于岩溶发育程度的差异,我们采用类比法,以雄县地热系统和苏北地热系统为参照,估算了全国岩溶热储地热资源潜力,结果为5000亿吨左右标准煤。可见潜力巨大。

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从图2中可以看出,雄安新区和北京市均在岩溶型热储覆盖的渤海湾盆地内。图2中的热流背景也显示出了雄安新区较好的热背景。未来,在雄安新区和北京市副中心,地热能均将大有作为。

开发利用思路

针对我国地热资源分布特征,立足于国家需求,我们提出以下地热资源开发思路:

1
“热”、“电”并举,以“热”为主。即基于我国地热资源分布特征以及我国用热需求,地热供暖(及其他用热形式)与地热发电要同时开展,但应以供热为主。
2
“深”、“浅”结合,由“浅”及“深”。即中深层地热能与浅层地热能互相结合,因地制宜,充分利用地热资源。利用中深层地热能的优势是占地面积小,但其缺点是资源分布不均;而浅层地热能的优势是受地域限制小,但占地面积大,且有可能产生冷/热堆积等问题。将二者有机集合,有利于充分利用地热资源。
3
“东”、“西”兼顾,“西”电“东”热。即我国东部、西部均可利用地热能,西部,尤其是西藏地区要将地热发电放在首位,而东部地区则侧重于热的利用。如前所述,我们国家大陆西部高温地热丰富,地热发电成本较之东部地区更为合适,且能够为地方用电需求做出重大贡献;而东部地区,从我国北方一直到南岭以南都有清洁供暖需求,该区域中低温地热资源丰富,恰可用于供暖。
4
“干”、“湿”有度,先“湿”后“干”。即干热岩和水热型地热资源应有所侧重,要先尽量利用水热型地热资源,而后再进行干热岩的开发。一方面,我国水热型地热资源丰富,开发利用程度不高,仍有大幅利用空间;另一方面,干热岩开发成本较高,现阶段进行商业化开发还不现实,应首先进行科学研究,在技术具备后,再进行商业化开发。
5
“天”、“地”合一,“动”、“静”结合。即地热与其他可再生能源互补综合利用,实现较高的能源使用效率,称为地热“+”。“天”(太阳能)“地”(地热能)合一,“动”(风能)“静”(地热能)结合,加速我国新能源和可再生能源发展。

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