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热伏发电助力实现“零碳中国”
——专访中国地质大学(北京)教授李克文
作者:申思 发表时间:2019年10月28日

 

 

  “传统地热能发电通常是将热能转化为机械能,再转化为电能,而热能直接发电技术可将热能直接转换为电能,不仅适合于广泛的温度范围,温度可低至70℃,而且还具有不需要涡轮机等优点。”近日,中国地质大学(北京)教授李克文在接受记者专访时介绍了其团队在地热发电领域取得的技术突破。

  “热能直接发电”在学术上也称之为“半导体温差发电”,通俗地讲可以称之为“热伏发电”。李克文是国际上从事热伏发电——特别是油田中低温伴生地热开发与利用领域的知名专家。目前中低温地热发电遇到了不少技术瓶颈,他指出,未来热伏发电技术将在中低温地热资源和余热利用方面发挥重要作用,现有的研究成果显示,其市场前景可能要好于太阳能光伏发电。

  地热资源开发需要政策支持

  地热能是一种具有清洁、零碳排放属性的资源,在国际上被公认为具有“可持续发展”意义的能源资源。

  来自中国地质调查局的调查数据显示,我国是地热资源相对丰富的国家,地热资源总量约占全球的7.9%,可采储量相当于4626.5亿吨标准煤,主要以中低温地热资源为主。其中,高温地热资源(热储温度≥150℃)主要分布在藏南、滇西、川西以及台湾;中低温地热资源几乎遍布全国各地。

  高温地热的典型可利用区域位于西藏自治区。西藏处于全球地热富集区,地热资源丰富且品质较好,有各类地热显示区(点)600余处,高温地热资源占全国地热总量的80%。而羊八井地热田位于西藏当雄县羊八井镇,海拔比较高,是世界著名的大型地热田之一,面积达14.62平方千米。早在1977年,我国大陆第一台兆瓦级地热发电机组便在羊八井成功发电。

  中国工程院院士、在羊八井工作长达30多年的多吉曾对外表示,20世纪70~80年代,我国地热利用跟国际水平是同步的,技术上不分上下,发电装机容量世界排名第8位,即使是在海拔4000多米的情况下都能发电,在国际上也处于先进水平。

  然而,从20世纪80年代后期开始,我国在地热开发利用上基本不再投入,并在相当长的一段时期内减少了相关的地热资源勘查与评价工作,导致对现有地热资源量不是十分清楚,并且没有得到科学的规划与利用。

  在推进地热能开发利用的实践中,国家的引导不可或缺,缺乏这一推手自然难以获得突破。幸好随着我国对非化石能源的日益重视,以及降低煤在一次能源消费中所占比例的迫切性,地热能开发利用的僵持局面渐渐出现松动。

  “十二五”期间,中国地质调查局曾对全国地热资源量进行初步评价,其结果显示:我国地热资源年可开采量折合标准煤约26亿吨,年开采量仅相当于2100万吨标准煤。

  沉寂多年的地热能开发利用终于迎来了春天。2017年初,由国家发改委、国土资源部及国家能源局共同编制的《地热能开发利用“十三五”规划》(以下简称《规划》)发布,这是我国首次发布地热能相关的全国规划。

  《规划》提出,“十三五”时期,要新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米、新增地热发电装机容量500兆瓦;到2020年,地热供暖(制冷)面积累计要达到16亿平方米,地热发电装机容量约530兆瓦。《规划》还明确指出,“十三五”期间需重点推进水热型地热供暖、推广浅层地热能利用以及地热发电工程。

  《规划》中的投资规模初步估算显示,“十三五”期间,浅层地热能供暖(制冷)可拉动投资约1400亿元,水热型地热能供暖可拉动投资约800亿元,地热发电可拉动投资约400亿元,合计约为2600亿元。

  到2020年,我国地热能年利用总量相当于替代化石能源7000万吨标准煤,相应减排二氧化碳1.7亿吨,节能减排效果显著,同时地热能开发利用可为经济转型和新型城镇化建设增加新的有生力量。

  但是,作为多年来在国内外一直从事地热能开发利用的资深业内专家,李克文提醒道:“尽管当前地热能的开发利用正处于‘天时地利人和’的快速发展时期,但任何事情的发展不可能一帆风顺,还需要政府的主导、资金的投入、技术的支撑、全社会的支持以及监管体系的完善等多方面支持”。

  他强调:“近年来,我国地热供暖增长的速度在世界上是最快的国家之一,如果管理控制不当,将对已开发地区的资源可再生和环境造成不可持续、将来难以恢复的恶果。”

  中低温地热发电技术亟待突破

  近年来,国际上地热能的应用和发电技术发展非常迅速,全世界已安装的常规地热发电装机容量目前已达1.3万兆瓦以上,而我国只有30兆瓦左右,并且将近40年徘徊不前,在全世界利用地热发电的24个国家中排名第18位,与发达国家相比差距很大。

  在所有的地热资源当中,最具潜力的当数干热岩地热。来自中国地质调查局的数据显示,我国地壳3~10千米深处陆域干热岩资源量为856万亿吨标准煤。根据“国际标准”,以干热岩资源的2%作为可采资源,全国陆域干热岩可采资源量高达17万亿吨标准煤,与美国的资源量约为同一数量级。

  不过,李克文指出,目前有关报道中所说的2%“国际标准”,并不是真正意义上的国际标准,而是国际上该领域的专家在无法确定干热岩地质资源量有多少比例能够开采利用的情况下,假定的一个可采系数下限,上限则假定为40%。

  “如果按照可采上限40%来计算,那么干热岩的可采资源量可供我国使用几万年。”法国的Soultz发电站是国际上著名的干热岩发电站,已经连续运行多年,但我国至今还没有建成运行的干热岩发电站。

  李克文介绍,地热能开发应该遵循“以灌定采”的原则,“严格来说,回灌(如砂岩回灌)从技术的角度看仍存在一定的瓶颈。当然,如果像油田注水开发那样进行加压回灌,完全是可以的,但成本太高。目前相当一部分热储不加压回灌(自然回灌)还存在比较大的问题。取热不取水对于保护热储当然是很好,不过,取热速度比较小,受到的限制比较多”。

  他告诉记者,超高温地热井的发电功率一般是常规地热井的5~10倍。目前,国际上(以冰岛和美国为代表)已经实际钻遇了超高温热储,冰岛深部钻探项目(IDDP)的IDDP-1井的温度超过了900℃,但我国暂时还没有进行这方面的钻探。

  目前我国在高温地热前期勘探、钻井也存在较多技术瓶颈,比如勘探方面主要是如何确定地热靶区的问题。

  李克文表示,目前常用的地热勘探技术有相当一部分来自油气勘探领域,值得注意的是,地热勘探与油气勘探尽管有不少相同之处,但是,也有不少理论和技术方面的差别。“高温钻井技术近几年来有比较大的进展,但是高成本仍然是一个主要问题,钻井成本约占地热开发成本的60%以上。”

  针对目前我国已经探明的高温地热资源比较少的现状,李克文在常年的实际研究中发现,其实不一定非要在高温领域一直“死磕”,而是将重点转移至中低温地热的开发与利用,尤其是中低温发电领域,先对这部分资源进行开发利用。

  李克文指出:“利用油田伴生中低温地热发电,是地热能资源开发利用一个极好的突破口,这是因为地热发电所需要的主要基础设施,如井、公路、输电线路等,废弃井或者废弃油田都已经具备,这样,就可以大幅度降低油田区地热发电的成本。另外,根据近几年来的初步研究,仅我国某中小型油田可供发电的中低温(90~150℃)地热资源就可建成2000MW以上规模的发电能力。我国可供发电的地热资源,尤其是油田伴生中低温地热发电资源非常巨大。”

  同时他强调,我国已有的废弃石油井可能接近或者超过10万口,只需对其中的部分井加以改造,即可用于地热能的开发利用,甚至实现“油热电联产”,让废弃井起死回生。

  对于如何推进热伏发电在中低温地热能领域的应用,李克文的思路是“先地上、后地下,先余热、后地热”。即先在地面利用工业余热来验证热伏发电的可行性,然后再将其运用至中低温地热发电领域。

  经过多年的研发,李克文的团队掌握了多项热伏发电的核心技术。他指出,“至少在热伏发电领域,我们不会被卡脖子”。在大量成功的室内实验的基础上,他带领团队在山西省等地联合当地企业开展了热伏发电技术的现场示范工程建设。2019年9月初最新的现场试验很成功,目前已经实现连续发电,发电功率在该领域已经达到国际领先水平,近期将实现一定的规模发电。

  热伏发电这一技术与太阳能等可再生能源发电相比,具有占地小、能量密度高、利用效率高(可同时发电和供暖)等优点。具体而言,太阳能光伏板只能进行平面安装,装机1兆瓦大约需要30~40亩的土地。如果考虑到载荷系数(按照20%计算),采用太阳能光伏发电实现1兆瓦大约需要150~200亩的土地。热伏发电可以三维叠加安装,因此,所需面积或者空间比较小,装机1兆瓦大约需要50立方米的空间。另外,热伏发电可以实现24小时持续发电,而不是像太阳能和风能发电那样受气候的影响。

  “与传统地热发电技术相比,热伏发电技术具有噪音低、模块化能力强、安装快、维护成本低、适用性高等优势,可实现中低温地热发电的技术突破。”李克文说。

  出谋划策助力“零碳中国”

  中国国家能源局的有关数据显示,2018年中国清洁能源(包括非化石能源和天然气)占一次能源消费总量比重合计约22.2%,较2012年提高了7.7个百分点,但距离2020年和2030年分别达25%和35%左右的目标还有一定差距。

  众所周知,地热资源属于绿色可再生能源,是化石能源较为理想的替代能源。在推动我国清洁能源发展战略中,应当对地热资源给予积极的重视。

  为了推动我国地热能的高效开发与利用,李克文早在2010年就发起并组织在中国地质大学(北京)主办“中深层地热资源高效开发与利用国际会议”,希望就地热资源的高效开发利用方法以及国内外地热勘探开发新技术进行研讨,为共同推动我国地热资源走向规模化开发与利用出谋划策。目前已经连续举办了八届,也成为我国地热领域一个重要的学术会议,在国内外均有较大影响。

  热伏发电采用的是余热或者地热能,发电后的流体仍然具有一定的温度(50摄氏度左右),也就是说还有相当一部分热能,这部分热能可以用来供暖。从这个角度看,热伏发电技术可以同时实现发电和供暖,甚至制冷。

  李克文透露,团队目前已经签订多份热伏发电技术的合同,分别来自河南省、山西省等地。8月16日,北京市地勘院、地热院等单位前往中国地质大学(北京),调研李克文团队研发的中低温热伏发电技术,一致认为该技术对于具有丰富中低温地热资源的京津冀地区乃至全国,具有较高的推广应用前景。

  李克文指出,地热能开发利用技术产业化应用最大的问题是前期的高成本和不可预见性,因为现场条件和实验室条件不一样,实验室里的新技术在没有形成规模化产业前,成本肯定居高不下。但是,规模化以后成本将大幅度下降,这就需要国家、政府、企业等各方面的大力支持。”

  “如果国家也能给予热伏发电类似于光伏发电的补贴等优惠政策,现有的技术可以得到大规模的推广应用,届时我国将有可能实现从高碳到低碳再到零碳的清洁发展目标。”

  在最近举办的地源热泵高层论坛年会上,李克文作为特邀嘉宾所做题为“地热能与太阳能的深度互补”的报告指出,通过地热能与太阳能的深度互补,可以实现建筑物的零碳化,助力“零碳中国”的实现。

  “零碳中国”的具体含义是全国所有的能源消耗都来自清洁、零碳能源,如地热能、太阳能和风能。“零碳中国”可以分两步实现,第一步是所谓的“近零碳中国”,即全国的供暖、制冷都采用清洁、零碳能源;第二步是真正的“零碳中国”,即全国所有的能源消耗都来自清洁、零碳能源。

  有鉴于此,李克文积极倡导组织创建一个“零碳中国计划”,为此,他率先进行了一些初步的研究,有关论文已经发表或者被录用,其中一篇将在2020年冰岛举行的世界地热大会上做公开报告。此外,他还带领团队在热伏发电等技术的基础上开始了零碳别墅的现场试验。

  此外,近年来,为解决雾霾等大气污染问题,我国先后尝试了煤改电、煤改气(天然气),但目前这些方法都没有达到预期目的,甚至可以说是失败的。

  因此,包括李克文在内已经有不少地热专家建议煤改地热。对此,李克文解释到,在政府和各方面的大力支持下,煤改地热完全是可以实现的。而且,利用地热能不仅可以供暖,而且还可以制冷。如果全国的供暖制冷都采用地热能,那么就实现了“近零碳中国”的目标。

  不过也有观点担心,煤炭被替代了后,作为煤炭大国的中国该怎么办?李克文对此有自己的看法:“煤炭作为燃料烧掉了十分可惜,煤炭是现在、也是将来重要的化工原材料。而且应该留点煤炭给子孙后代,说不定将来还会发现煤炭其它奇妙的用途。”

  对于“零碳中国”的实现,李克文充满信心并透露了将在明年世界地热大会上宣读论文的部分结论:“到2050年左右,我国用清洁能源替代全部能源需求、实现‘零碳中国’或者‘近零碳中国’是有可能的。当然,这需要国家和各级政府在政策等方面的大力支持。”

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