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可再生能源占比最高—冰岛:为中国能源转型示范

   2017-12-07 《地源热泵》杂志10720
核心提示:冰岛是国际能源署所统计的国家中可再生能源占比最高的国家,2015年,冰岛一次能源使用量的85%来自本地可再生能源,其中66% 是地热。冰岛的目标是到2050年完全摆脱对化石能源的依赖。
      冰岛从欧洲最贫穷的国家之一,以依靠煤泥和进口煤炭的能源,转移到生活水平较高的国家,几乎所有的固定能源都来源于可再生资源。冰岛是国际能源署所统计的国家中可再生能源占比最高的国家,2015年,冰岛一次能源使用量的85%来自本地可再生能源,其中66% 是地热。冰岛的目标是到2050年完全摆脱对化石能源的依赖。

      早在1933年冰岛首都雷克雅未克污染很严重,被黑色的烟雾笼罩。冰岛的各种化石能源都是匮乏的,这恰恰使冰岛人民的科技创新愿望得到激发。通过在地热领域持续的科技创新,该国在地热供暖、地热发电、地热井二氧化碳捕集,乃至绿色甲醇领域创造了世界领先的科技水平,并进而创造了能源转型的奇迹。如今不用煤炭,美丽如画的蓝天白云。现在冰岛99%的房屋是用可再生能源加热的,主要是地热。

      冰岛能源转型历程

      冰岛作为一座火山岛,本地没有石油、煤炭和天然气的资源。但该国也经历过以煤炭、石油等化石能源作为主体能源的时代,经过漫长的转型,才形成目前可再生能源占绝对主导的局面。

      19 世纪末,冰岛大量进口煤炭用于供暖。1918 年冬季,冰岛出现极端寒冷的气候条件,煤炭供应不足导致供暖得不到保障,冰岛人民开始探索地热集中供暖,这成为冰岛能源转型的最初尝试。二十世纪二三十年代,地热供暖有了初步的发展。1940 年时,该国的能源结构中煤炭占比达到70% 以上。二战时期进口煤炭的紧张形势再次激发了地热和水电的快速发展,1960 年左右,用煤供暖被淘汰。 

      1973 年的石油危机重创冰岛经济促进能源加速转型,石油消费比重迅速下降,并逐步退出电力和供热领域。20 世纪90 年代,气候变化成为推动冰岛能源转型的另一个重要因素,减少碳排放的追求使得可再生能源对煤炭和石油的替代进一步加速。

      1914 年至2014 年的一百年间,冰岛通过可再生能源替代化石能源实现的二氧化碳减排量总计达到3.5 亿吨。由于冰岛的供热和发电已经几乎完全来自可再生能源,所以,能源转型的任务焦点目前已经转移到交通能源转型,关键是如何用可再生能源替代汽柴油。 

      冰岛的目标是到2050 年完全摆脱对石油能源的依赖。主要的途径有生物燃料、电动汽车、绿色甲醇汽车和氢燃料电池。经过一些年的探索,该国目前最主导的发展方向是电动汽车。在冰岛而言,是减排效益最好的,因为所有的电力都是可再生资源生产的,几乎是二氧化碳零排放的。 

     冰岛能源结构现状

      冰岛位于北大西洋靠近北极圈的海域,是欧洲第二大岛国。全国面积为10.3 万平方公里, 人口约33 万,拥有丰富的水能资源和地热资源。冰岛是一座火山岛,位于美洲板块和亚欧板块的边界地带,两大板块的交界线从西南向东北斜穿全岛。活跃的地壳运动、复杂的地形地貌造就了冰岛丰富的地热资源。

     冰岛首都——雷克雅未克的纬度是64度,中国哈尔滨的纬度才48度。在寒冷的冬季,水电行吗?冬季水电是否会结冰而大幅减少发电量呢?冰岛国家能源局局长约翰内松表示不会,一方面由于北大西洋暖流的影响,冰岛的冬季并不是特别冷,另一方面,很多冰川融水是地热融化的,冬季不会结冰。

足球
冰岛的足球场几乎都是有地热供暖的,四季都可以练球
 
     冰岛的电力系统已经完全是可再生能源发电,主要是水电和地热发电。是世界上人均用电量最高的国家。2015年冰岛的发电数据,地热发电装机量665兆瓦,发电总量50亿度千瓦时,占26.6%,水电装机1986兆瓦,发电总量138亿千瓦时。风电刚刚起步,只占到1%。2015 年,冰岛的水电装机量为199 万千瓦,占总量的73.3%。燃油发电的装机量仅有11.7万千瓦,但极少开机可以忽略不计。
 
     冰岛的供热能源也几乎全部来自可再生能源。全国的终端用热中,地热达到96%。就建筑等空间供热而言,2014 年,地热供热占比达90%,电供热约占9%,主要指热泵和电锅炉用电,石油供暖仅为1%。

      冰岛各领域应用地热能

      在冰岛,地热的应用领域非常广泛。除了供暖和发电,地热能还广泛用于温室种植养殖业、工厂烘干、雪融化、洗浴与旅游服务等诸多产业。2015年,终端用热46.1% 用于居民供暖,40.9% 是商业服务,包括热水游泳池和融雪,此外还有7.1%用于渔业、3.6% 用于工业,温室大棚使用了2.4% 的热。
 
      冰岛的供热价格很低,仅仅2.3 欧分/千瓦时(约合人民币0.18 元/ 千瓦时),远低于丹麦的9.01 欧分/ 千瓦时、德国的7.04欧分/ 千瓦时。 
 
      在冰岛首都雷克雅未克,1930年第一个以地热为基础的社区集中供暖系统建成,共钻探14 眼井, 最大井深246 米, 水温87℃,自流量14 升/ 秒。从地热田至Laugarveitan 集中供暖系统的供热主管道长3 千米,将热水送到两个小学、一个游泳馆、医院主楼、公共建筑以及首都城区60 个家庭的房屋。当时,冰岛全国主要是农场,供暖问题是个大问题。雷克雅未克有了地热供应,吸引全国的人搬到这里。大家支持在其它一些人少一些的地方搞区域供热,于是在全国探寻地热资源。

     冰岛地热还用于发电。冰岛的电力70% 以上是水电,该国的水能资源丰富,但出于对能源安全的考虑,特别是气候变化加剧冰川融化将对水能资源造成较大的影响,冰岛很早就开始着手利用地热进行发电。并在实践中不断克服地热井发电所遇到的高温、酸腐蚀、有毒的硫化氢气体等技术问题,地热发电规模不断扩大。目前全国有7 个地热发电厂,装机容量超过60 万千瓦。
 
     冰岛的水电和地热发电成本都很低,换算成人民币,工业平均电价不到0.2 元/ 千瓦时。便宜的电力生产带动了以铝业为龙头的高耗能产业的发展。目前全国总电力的73% 左右用于工业。该国可用于建设地热发电站的资源还有很多,只是限于本地电力负荷,没有得到充分开发。冰岛还考虑进一步扩大铝业规模,或者建设冰岛至英国的海上特高压输电线路,以进一步拉动岛内地热发电业务。

大棚
冰岛地热大棚
 
 
      冰岛地热用于温室大棚。调查显示,冰岛每年温室种植消耗的总地热能约为940 太焦(约2.6 亿千瓦时,相当于3.6 万吨标煤)。温室加热是冰岛最古老和最主要的地热能应用之一。冰岛气候寒冷,可耕地面积仅占国土总面积的1%,粮食、蔬菜、水果曾严重依赖进口。1924 年起,该国开始尝试建设地热绿色温室,发展生态农副业,获得成功。温室生产的西红柿、黄瓜可满足国内70% 的市场需求。依靠地热温室种植,冰岛已成为欧洲最大的香蕉种植出口国。

     据介绍,从2002年到2011年,黄瓜、西红柿和辣椒的生产率翻了一番。冰岛用地热给大棚供暖,用清洁电力给大棚供电,采用智能系统对热、光、水、营养进行调控,这种现代化的绿色农业模式值得中国借鉴。中国北方地区特别是京津冀地区有大量的农业大棚,部分大棚目前还采用燃煤供暖,成为雾霾的不可忽视的污染源,我国需要尽快着手解决温室大棚的清洁供暖问题。
  
      游泳池池水加热是冰岛重要的地热能利用之一。在该国约有160 个游泳池,其中,130 个游泳池利用地热能加热。冰岛依赖独特的地貌和众多温泉疗养保健区,每年吸引着大量外国游客。蓝湖温泉是著名的旅游胜地,但它并不是天然温泉,而是Svartsengi 地热发电厂的地热尾水形成的天然泻湖。1999 年,发电厂将尾水池正式改造为售票洗浴的蓝湖(Blue Lagoon)。改造后的蓝湖采用自动化设备调配热水与冷泉水比例,温度恒定,并由多个出口排出,保证整个湖的水温均匀。现在Blue Lagoon 是冰岛最有名的旅游区,每年的旅游人数不断增加。

     冰岛西部地区的海藻制造厂直接利用地热资源进行烘干。当地企业通过使用专用的船只,收割西北部河底的海藻,再利用107℃的地热水对海藻进行烘干。该公司于1976 年建成烘干工厂,每年生产约2000 吨至4000 吨的墨角藻和海藻粉。在冰岛,还有企业利用地热能生产鱼干产品,烘干的鳕鱼头年出口量达1.5 万吨。宠物食品烘干是一个新兴起的行业,每年产量约为500 吨。
 
     为了探索深层地热能的开发技术,冰岛还发起了“冰岛深度钻孔计划(IDDP)”。这个项目的核心目的是,计划使钻井深度达到4000 米—5000 米,以了解“超临界含水液体”在400℃—600℃时的性状。
 
      冰岛深度钻孔计划(IDDP)项目启动于2000 年, 由3 家冰岛能源公司和冰岛国家能源局共同发起。2005 年,能源联盟与国际科学基金会和美国国家科学基金会(NSF) 加入IDDP 计划。2007年—2008 年,又有一家国际铝业公司Alcoa Inc 和挪威石油公司加入。
 
      在开发第一个全尺寸的IDDP-1井时,曾计划使钻井深度达到4500 米。然而,由于意外钻至熔岩,钻井作业被迫终止。2010 年,对这口井进行的流量测试显示,它产生了约30 千克/秒的330℃过热蒸汽,压力为165 巴,大约相当于2 万千瓦的发电能力。
 
     第二口深钻井—— 雷克雅日IDDP-2 井的钻井作业于2017 年2 月1 日圆满完成,深度为4659 米,完成了所有初步目标。井底温度为427℃,流体压力为340 巴,达到超临界状态。以此建设地热发电厂,单井的发电规模可达5 万千瓦,是目前普通地热井发电能力的约10 倍。通过IDDP 计划,人类正在掌握更多深地科技,深层地热层的开发利用很有可能引起一场能源变革。

     冰岛交通能源转型的探索

      冰岛的地热还有一个特殊的供热领域——加热路面和融化积雪。这项工作是从20 世纪80 年代开始的。冰岛首都雷克雅未克市中心地区的人行道和街道地下安装了雪融化系统,该系统所消耗的能量主要来自地热供热系统的回流水。雷克雅未克地区雪融化系统的总面积约为55 万平方米,全国雪融化系统的总面积约为74 万平方米。冰岛凯夫拉维克机场的融雪跑道则是世界上利用地热融雪的典范。

融雪
冰岛首都雷克雅未克主干街道的地热融雪施工图

      冰岛曾计划在2050 年之前把整个交通系统改造成依靠氢动力。2008年,该国曾投运氢燃料电池汽车,并投运第一艘氢动力商船。然而,2008年的金融危机对冰岛的氢燃料电池汽车发展造成很大影响。金融危机过后,其将零排放汽车的发展重点放在电动汽车方面。
 
      冰岛具备电动车普及的两大基础条件:75% 的人口居住在离首都雷克雅未克不到37 英里的范围内,其乡村地区由一条长为840 英里的环形公路串接,按电动车单次充电行驶里程数为40 英里计算,约用20 个充电站即可相连;此外,85% 的能源为可再生能源,主要为地热与水力。
 
      2009 年10 月,首都雷克雅未克城市环境和交通委员会成立一个特别小组,负责推广电动汽车在首都地区的使用和充电站的建立。该委员会主席Gísli Marteinn Baldursson 称,基于冰岛的绿色和可持续能源的发展,雷克雅未克有成为世界主要电动车市场的特定条件。特别小组的主要任务是负责制定电动车在该市得以广泛使用的时间表及付诸实施的具体办法。
 
      冰岛政府对燃油征收很高的税收,这使得电动汽车等零排放汽车产生巨大的优势。2016 年,在电动汽车销量(插电式混合动力汽车)占本国汽车销量比重的全球排行榜中,冰岛以6.3% 的比例仅次于挪威,排名世界第二。
 
      用绿色甲醇替代汽、柴油燃料也是冰岛探索交通系统去碳化的尝试方向。地热电厂的热水伴生二氧化碳,形成一定的碳排放,于是冰岛的地热公司努力探索二氧化碳的捕集。创立于2007 年的Carbon RecyclingInternational(碳循环国际)公司将地热发电过程中伴生的二氧化碳进行捕集和再利用,用可再生能源制的氢气或化工行业副产的氢气与二氧化碳进行作用,制成甲醇,替代汽、柴油燃料,实现交通能源的近零碳。2014年,冰岛的甲醇年产能达到4000 吨,碳捕集量约6000 吨。这也为其他国家能源产业转型起到示范作用 。

     学习借鉴冰岛的成功经验

      冰岛在环保意识和零碳理念的推动下持续推进能源转型,向世界展示了100% 可再生能源的可信情景,向世界提供了一个电力系统转型、供热能源转型和交通能源转型协同推进的系统性样本。中国的能源结构目前是以煤炭、石油和天然气等化石能源为主,但有着丰富的可再生能源资源,如风能、太阳能、水能、生物质能,以及海洋能。中国借鉴冰岛的经验,能够更加坚定能源转型的信心,可以考虑勇敢地设定100% 可再生能源的目标,加速能源转型。
  
      2016 年12 月,中央财经领导小组要求推进北方地区冬季清洁取暖。在治理雾霾的共同愿景下,供热能源的去煤炭化正在加速。地热是一种可以快速、大规模替代煤炭的清洁能源。在河北省雄县、陕西省武功县等地区,中深层地热已经取代燃煤成为供热主体能源。雄县地热供暖面积已经达到450 万平方米,覆盖率超过95%。可以预测,在地热资源丰富地区,地热有可能成为供热的主体能源。
 
       今年4 月,中央提出建设雄安新区,已经采用地热供暖的雄县和容城县都在雄安新区内。以地热作为主体能源,实现雄安新区的清洁供热已经成为各方共识。雄县地热田面积300 余平方公里,是中国东部平原中地热水资源埋藏浅、温度高、水质优、资源丰富、开发利用条件好的地热田之一。雄安新区的地热开发将为中国供热能源转型和地热融入城市能源体系树立典范。

       今年6月1日上午,国家能源局副局长李凡荣在北京会见冰岛国家能源局局长约翰内松一行,双方就两国能源发展情况,地热能领域合作现状、合作前景及下一步计划等深入交换了意见。当天下午,冰岛能源局局长约翰内松在清华大学做了题为“地热平台上的可再生能源体系”的主题报告。
 
      对地热技术的再思考

      保护自然与改造自然的平衡。冰岛著名的温泉——蓝湖并不是天然温泉,而是地热发电厂的地热尾水排到火山熔岩形成的天然泻湖,它是一种人类技术改造后的自然,能否将其看作是人与自然关系的一种创新?在地热开发利用的过程中,如何处理保护自然与改造自然的平衡?

温泉
冰岛温泉

      地热资源的可再生性。冰岛全国人口数只有33 万,面积为10 万平方公里。单位面积上的用能负荷很低。但在中国,人口密度大,用能密度高出冰岛许多倍。中国有很多县,人口总量超过百万,但面积却只有1000 多平方公里,相当于冰岛的百分之一,更不要说人口高度密集的北京、天津这样的超大型城市了。在这些城市和乡村,清洁供暖如果采用地热,在地热资源的可持续性方面将面临巨大挑战,需要在地热开发时进行特别谨慎的考虑。

      回灌问题。冰岛最初开发地热时,并不考虑地热水的回灌问题。但在中国,必须考虑回灌,现在冰岛也把回灌列入监管体系。应当说,回灌的技术标准和监管体系还远未完善,这在中国的地热开发中,是必须要着力解决的。

      地热开采诱发地震问题。石油开发的钻井工程会影响地下的地质条件,进而会诱发地震。地热井因钻井深度超过2000 米,也对地层造成明显的扰动,已有的研究表明,地热井会诱发地震。但目前这方面的研究尚不足,也缺乏相应的技术标准。雄安新区的地热开发将需要建设大量的地热井,在规划建设阶段就必须考虑诱发地震因素,提前准备地层变化监测和地震监测体系,以备开展科学研究,制定相应技术标准和管理标准,最大程度减少地热开发诱发地震造成的不良后果。
 
      我国的地域、人口、能源规模都远远大于冰岛,能源转型的复杂程度肯定也远超后者。但制约中国能源转型的并不是资源,而是有效利用可再生能源的科学技术。中国在放眼全球,学习冰岛等国能源转型经验的同时,更要持续开展各领域的科技创新。中国这样的大国,应当为世界承担起能源转型技术研发者和引领者的角色。(文/何继江,整理/朱晓宇)

注:本文根据何继江博士公开发表的文章、演讲报告综合整理而成。何继江简介:男,博士,副研究员,清华大学能源互联网创新研究院政策发展研究室主任。中国能源研究会能源互联网专委会副秘书长、中国电动汽车充电技术与产业联盟副理事长、电能替代产业发展促进联盟专家委员会委员、中国电机工程学会用电与节电专业委员会第五届专业委员会委员。

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