“双碳”目标征程上 地热产业不断迎来新机遇

地大热能：地热能按照赋存状态可分为水热型、干热岩型等;按照埋深可分为浅层地热资源、中深层地热资源等;按照井口温度分级可分为高温地热能、中温地热能和低温地热能。

地热能一般按照温度由高到低进行梯级利用。水温大于90℃的热水用于烘干、发电、采暖;利用后水温降低到90℃-40℃之间,可用于采暖、理疗、洗浴、温室;再次利用后,水温降低到40℃～25℃之间,用于水产养殖、农业灌溉等。水温低于25℃的,既可以运用热泵技术进行利用(例如浅层地热能),也可以处理达标后,按技术规范同层等量回灌。

我国地热资源量约占全球的1/6。2021年(冰岛)第六届世界地热大会统计显示,在清洁供暖需求带动下,中国地热能直接利用(非电利用)呈加速发展趋势,装机容量为40.6吉瓦,占全球的38%,位居世界第一,是排名第二美国的两倍。

尽管如此,利用效能高的地热发电,在我国由于资源分布、技术经济等原因规模较小、进展缓慢。20世纪70年代起,我国在西藏地区探索高温地热发电,建设了羊八井、羊易、朗久、那曲等地热电站。目前,部分地热电站由于技术和经济原因关停,仅羊八井、羊易部分机组仍在运行。

“十三五”以来,聚焦北方地区清洁供暖,助推国家“蓝天保卫战”战略实施,国家发布了《地热能开发利用“十三五”规划》。在“双碳”目标引领下,地热产业高质量快速发展。

中国工程院院士、国家地热中心技术委员会主任郭旭升介绍,当前全国地热能调查精度持续提高,地热家底逐渐明晰。160万平方千米国土达到1:25万精度,2万平方千米达到1:5万精度。近5年新增大地热流数据在前40年总量基础上增长了21%,基本覆盖陆域全部一、二级构造单元。

浅层地热能方面,我国完成336个地级以上城市浅层地热资源调查。据评估,可开采资源量折合7亿吨标准煤。据统计,“十三五”期间,我国浅层地热能利用年增长率为10%,到2020年底,浅层地热能供暖/制冷面积为8.1亿平方米。“目前,我国浅层地热能供暖(制冷)面积已位居世界第一。京津冀开发利用规模最大,其他主要分布在辽宁、山东、湖北、江苏、上海等省(市)城区。”中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心主任李宁波介绍。

中深层水热型地热能方面,华北地区地热能调查全面推进,雄安新区首次完成全区整装勘查。我国4000米以浅的中深层地热资源量折合标煤12500亿吨,年可开采资源量折合标煤18.7亿吨。到2020年底,我国水热型地热供暖面积累计约5.82亿平方米,超额完成“十三五”规划目标。

在干热岩勘探与开发领域,数十年来一直是发达国家领跑。我国干热岩资源勘探开发现处于探索阶段,在青海省共和盆地,初步形成了干热岩高温测井、耐高温钻完井、高温花岗岩热储缝网压裂与裂缝监测等关键技术,为后续利用积累了宝贵经验。

能源革命取得突破

山西省作为我国第一个能源革命综合改革试点区,近年来成果突出,位于大同市的阳高—天镇一带干热岩地热资源勘查开发取得的重大突破备受关注。

喷薄而出的地热流体,也冲破了传统理论的藩篱。此前认为,大于150℃的高温地热资源带主要出现在地壳各大板块的边缘,热储多为花岗岩,在我国主要分布于西藏南部、云南西部、四川西部和台湾等地。而山西阳高—天镇一带不具备上述地质条件。

近年来,业内专家根据创新理论,预测了大同、忻州等地存在干热岩和高温地热资源。2016年起,山西省地质勘查局在中国科学院院士朱日祥、王焰新等专家的指导下,与中国地质大学(武汉)合作开展了全省干热岩地热资源勘查选区调查研究项目,圈定了天镇县马圈庠、阳高县弧山庙等干热岩勘查选区。

山西省自然资源厅于2017年批准立项阳高—天镇一带干热岩地热资源预可行性勘查项目,2019年8月项目正式开钻,至2020年3月取得突破性成果。

专家论证认为,该成果对山西能源革命乃至全国可再生清洁能源勘探开发具有重大意义。“山西这次地热井发现,是地热界的一个新的里程碑,在此类区域发现这么好的地热资源,在全国是第一份。”中国能源研究会地热专业委员会主任田廷山说。

山西省在这一成果的基础上,部署了大同盆地重点地区深部高温地热资源详查专项、共建地热资源勘查及开发利用重点实验室、建设山西高温地热能科研示范试验电站3项重点工作,以尽快探明高温地热资源赋存情况,探索高温地热发电和梯级开发利用,为产业化布局提供支撑。

今年8月,山西省自然资源厅发布了《关于做好自然资源工作促进地热能产业高质量发展的通知》,要求统筹做好资源评价、规划管控、要素保障、集约利用、联合监管等各项工作,促进地热能产业高质量发展。中国石化新星公司、山西地质集团、山西双良集团等企业代表表示,要在政府的指导下,探索有利于地热能开发利用的新型管理技术和市场运营模式。

在今年9月的“绿色未来——2022地热能产业发展论坛”期间,与会专家、业界代表来到天镇县山西高温地热资源开发利用科研示范基地考察。这里正按照“小功率、多机组”思路,探索高温地热水质与发电工艺适应性,为大规模工业化生产做好前期试验研究。

“我们力争到‘十四五’末建成地热发电装机2万千瓦。”基地相关负责人介绍说,深部高温地热资源勘查完成后,这里正逐步推进地热能发电、供暖、种植、养殖、康养梯级开发利用示范建设,为能源产业高质量发展再添新动能。

地热资源科学探寻

山西大同取得突破性成果后,地热界探讨的问题是,干热岩和高温地热资源形成机制究竟是怎样的?类似阳高—天镇一带的高温地热资源,接下来在何处寻找?

据介绍,地热资源分布受地质构造控制,传统理论认为,深部热源主要由岩浆提供。例如,冰岛等利用地热能最好的国家,其地热电站都建在年轻火山的分布区。

“但中国的岩浆热源型高温水热资源的分布和晚新生代火山的分布并没有一致性。”王焰新指出,五大连池和长白山等板内火山虽然年轻,附近却不存在岩浆热源型高温水热资源的分布。西藏南部存在板缘岩浆热源型高温水热资源分布,却没有任何晚新生代火山。可见,地表年轻火山未必是地下存在岩浆热源型水热资源的必要条件。

不依据火山,如何找高温地热?

王焰新院士团队通过基础性研究指出,地球深部存在以剪切作用为主的软流层,其上部的地壳脆性—韧性转化带,是干热岩的热源,一般深度在10千米～15千米,如果在一个区域6千米～10千米深度能找到脆性—韧性转化带,就能找到干热岩。

地壳韧性形变与热隆升—伸展构造有关,热隆升—伸展构造形成地堑或裂谷。因此,优质的高温地热资源一般分布在比较强烈的新生代盆山体系。山西省六大盆地中的5个盆地,包括大同盆地,都是裂谷系地堑构造,因而具有发现高温地热的天然禀赋。

在大同盆地阳高—天镇凹陷区域,地球物理重、磁、震等探测手段全部应用后,发现地下存在一个巨大的蘑菇状、上面有“枝杈”的高导低阻体形态。“这可能就是深部热储,地壳脆性—韧性转换带上的热源,这么浅的深度不可能是岩浆,具体是什么还需要进一步做工作。”王焰新指出,“枝杈”是顺着浅部断裂发育的不均匀导热通道,说明天镇高温地热的热源不在其正下方,为下一步勘探工作提供了空间方向。

王焰新表示,探索深部地热除了有能源资源意义之外,还具有重大的科学价值。深部高温地热资源是地球动力学尤其是深部地质过程研究的重要载体。此外,在以岩浆为热源的高温水热系统中,混有一定比例深源岩浆水的可能性非常大,而可能存在的来自幔源的初生水对于地球物质循环研究具有重要意义,是水科学及相关学科最具挑战性的研究领域之一。

“当前,我国超过150度的深部高温地热资源开发利用研究还面临着艰巨的挑战。基本的科学理论体系还没有建立,勘查开发技术、评价方法体系、热能发电技术还很不成熟。”王焰新说,我们要有志气、骨气、底气,创立提出自己的深部高温地热的新理论体系,同时在勘探、开发利用领域,敢于变革性地推出一些技术方法。

当前,各地积极构建清洁低碳、安全高效的能源体系,纷纷出台了政策保障措施。今年10月,《北京市碳达峰实施方案》提出深度推进供热系统重构,禁止新建和扩建燃气独立供暖系统,有序开展地热及再生水源热泵替代燃气供暖行动,全面布局新能源和可再生能源供热。业内指出,这意味着北京市燃气锅炉已经率先“达峰”,将逐步缩减规模和被替代,地热等可再生能源供热将担纲大任。

“双碳”目标征程上,地热产业不断迎来新机遇。有专家建议,各级政府、企业要加大地热能技术研发投入,实现关键核心技术自主可控,延长地热产业链。此外,地热领域必须深化政产学研用融合,才能取得重大突破,单打独斗是走不通的。据介绍,我国已成功申办2023年第七届世界地热大会,地热产业将在开放创新中,迎来更为广阔的发展前景。