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李克文:将热伏技术推向规模发电

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  来源:中国科学报    作者:沈春蕾   发布日期:2019-09-16
核心提示:在大量成功的室内实验的基础上,李克文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。“9月初的现场试验很成功。”
 “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)教授李克文向《中国科学报》介绍了其团队在地热发电领域取得的技术突破。热能直接发电被称之为热伏发电,李克文主要从事热伏发电,特别是油田中低温伴生地热开发与利用领域的研究。

      在大量成功的室内实验的基础上,李克文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。“9月初的现场试验很成功。”他告诉记者,目前我们已经实现连续发电,发电功率在该领域达到国际领先水平,近期将实现一定规模发电。

      地热资源开发需要多方支持

      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”。

      我国高温地热的典型可利用区域位于西藏自治区,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%。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。

      中国工程院院士多吉在羊八井工作长达30多年,他曾表示,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,这在国际上都是处于先进水平的。

      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停止了相关的地热资源勘查与评价工作,导致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。

      “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,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。

      同时,李克文也提醒道:“尽管当前地热能开发利用正处于‘天时地利人和’的绝佳时期,但发展不可能一蹴而就,还需要政府的主导、资金的投入、技术的支撑以及监管体系的完善等多方面支持。”

      中低温地热发电是个突破口

      当前,我国在高温地热前期勘探、钻井方面存在较多技术瓶颈,比如勘探方面面临如何确定地热靶区的问题。李克文表示,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,但也有不少理论和技术方面的差别。

      他指出:“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,李克文团队在长年的实地研究中发现,其实不一定非要在高温领域“死磕”,可以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,先对这部分资源进行开发利用。

      他介绍道:“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突破口,这是因为地热发电所需要的主要基础设施,比如井、公路、输电线路等,废弃井或者废弃油田都已经具备,这就可以大幅度降低油田区地热发电的成本。

      综合近年来的探索,李克文团队还发现,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丰富,仅我国某中小型油田可供发电的中低温(90~150℃)地热资源就拥有2000兆瓦以上规模的发电能力。“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。”

      为了推进热伏发电在中低温地热能领域的应用,李克文团队的思路是先地上、后地下,先余热、后地热,也就是说先在地面利用工业余热来验证热伏发电的可行性,然后,再将其应用到中低温地热发电领域。

      如今,李克文团队已经掌握了多项热伏发电的核心技术,“至少在热伏发电领域,我们不会被国外技术卡脖子”。

      出谋划策助力“零碳中国”

      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“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。

      “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。”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、山西等地。

      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,具有较好的推广应用前景。

      在最近举办的地源热泵高层论坛年会上,李克文作了题为《地热能与太阳能的深度互补》的报告。他认为,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。

      李克文建议组织创建一个“零碳中国”计划,为此他率先进行了一些初步的研究。与此同时,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。

      近几年来,为了解决雾霾等环境问题,我国先后尝试了煤改电、煤改气(天然气),但是,现在看来这些办法都没有达到理想预期。此前,包括李克文在内的不少地热专家建议煤改地热,并指出这是完全可能实现的。

      “利用地热能不仅可以供暖,而且还可以制冷。”李克文表示,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。

      对于“零碳中国”的实现,李克文充满信心并透露其将在2020年世界地热大会上宣读的论文的部分结论:“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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