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专访 | 名誉理事长汪集暘院士谈如何智慧应用地热能

   2022-04-11 《中国石油石化》1850
核心提示:地热能作为非化石能源,如何在未来的能源体系中发挥更大作用?
 《“十四五”现代能源体系规划》明确提出了“十四五”时期现代能源体系建设的主要目标,其中包括能源低碳转型要取得显著成效——单位 GDP二氧化碳排放五年累计下降18%。到2025 年,非化石能源消费比重提高到20%左右,非化石能源发电量比重达到 39%左右,电气化水平持续提升,电能占终端用能比重达到30%左右。在此目标下,地热能作为非化石能源,如何在未来的能源体系中发挥更大作用?就此,《中国石油石化》记者采访了长期从事地热和水文地质研究的中国科学院院士、中国地热产业工作委名誉理事长汪集暘。

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重视地热+

记者:汪院士,您好!您认为地热能作为非化石能源,如何在未来的能源体系中发挥更大作用?

汪集暘:在非化石能源大家庭里,地热是地球本土能源、清洁能源、可再生能源、非碳基能源,有独特的优势。但从资源总量来看,跟太阳能、风能等相比要小得多,而且分布不均匀。

在未来的能源体系中发挥更大作用,应重视“地热+”的思维及应用。可以将地热这种地球本土的能源和来自太阳系的其他新能源、可再生能源,诸如太阳能、风能、生物质能、海洋能等,结合起来一并加以开发利用,不争老大老二、不分你我,综合利用,真正做到“多能互补、一能多用”,在北方清洁取暖、南方制冷空调等工作中发挥更大的作用,解决实际的民生问题。

为方便叙述,可将“地热+”的内涵概括为“天地合一、动静结合”。“天”指太阳能,“地”即地热能;“动”指风能、海洋能、生物质能,“静”指地热能。实际上,目前建筑行业中大力推广的“近零能耗建筑”和供暖行业中的“区域能源网(站)”等都是“地热+”概念的延伸或应用。

应用的实例也有。比如,意大利国家电力公司ENEL在美国内华达州斯蒂尔沃特(Stillwater)地热电站实施了联合发电。2009年组合了太阳能光伏,2015年又组合了太阳能热发电。目前地热发电33兆瓦,光伏发电26兆瓦,光热17兆瓦,给地热发电因中午环境温度增高而致的效率降低实现了很好的发电增效。

记者:据悉,从“地热+”概念里引申,您提出了“地球充电/热宝”。这具体是一种什么样的概念?

汪集暘:所谓“地球充电/热宝”(earth charger),是指以地球介质为载体的“地热+”多能互补储/供能系统。该系统可将各种形式的能量储存于地下,并按需求取出加以利用,是地热开发利用的一条新途径。

地球是一个庞大的热库,地热能是一种不可多得的绿色本土能源,但它的明显劣势是分布极不均匀,往往在有需求的地方没有足够的资源,在没有需求的地方资源又很丰富,存在供需矛盾的问题,必须加以调节。

另外,在新能源和可再生能源大家庭中,中国西北、东北、华北地区弃风、弃光现象十分严重,有些地区高达50%以上,造成了能源大量浪费。据报道,2017年弃光、弃风的能量约为三峡水库全年的发电量。而且城市中有大量的余热、“废”热没有被有效利用,同样是能源的浪费。如何将这些废弃的能量储存起来并加以充分利用,是摆在地热界乃至整个新能源和可再生能源界的大问题。

目前,国际上已经开始注意这些问题,并提出了“地球电池”(earth battery)的概念。认为将地球上各种多余的能量储存到地下是一种将取能/储能相结合的能源开发利用新途径。但“地球电池”的提法不够准确,因为地球是一个可反复充电、用电的“电池”,就像现在大家广泛使用的手机充电宝。因此,我认为将这种储能技术取名为“地球充电/热宝”更为贴切,也更为通俗易懂。

让地球来储能

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记者:与传统的储能技术相比,“地球充电/热宝”有什么优势?

汪集暘:与传统的储能技术相比,“地球充电/热宝”至少具有以下优点。

第一,规模大。一般水箱储热的容量均小于105立方米,而“地球充电/热宝”利用地下含水层储热的容量可大于106立方米。

第二,应用广。“地球充电/热宝”不仅可以利用风能、太阳能无法消纳而剩余下来的能量,也可将城市中的废热、余热集中起来加以储存和利用,比如发电厂、污水处理厂的余热。

第三,跨季节。风力、光伏的资源总量虽然大得多,但存在时间、空间上供需不匹配的问题。在中国诸如长三角等冬冷夏热的地区,可将夏季酷暑难熬时的多余热量存储于地下含水层中,供冬季严寒时取出来加以利用。

第四,成本低。据初步估算,水箱储热的成本为40~100元/千瓦时。若用“地球充电/热宝”储热,则成本大幅度降低,可降至0.1~20元/千瓦时。

记者:您看好“地球充电/热宝”的应用前景吗?

汪集暘:当然。这种储能技术已有不少成功应用的实例。例如,德国2004年就在Kiel地区建立了基于地下含水层的跨季节储热系统。该项目的冷井工作温度约在10℃左右,利用1000平米的屋顶太阳能集热器作为热源,使热井工作温度达到50℃左右,为108栋公寓共计7000平米的社区进行供暖。

瑞士计划在首都伯尔尼地区将发电站的废热存储在地下砂岩含水层,以实现在冬季为该市旧城区提供供暖。该项目利用发电厂生产过程中废物、木材和天然气等焚烧产生的热量加热地下水并将其泵入地下200~500米深的砂岩层中进行存储,预计可存储热容量为3~12兆瓦的废热。

结合当前中国的实际情况来看,北方地区清洁供暖是摆在全国地热工作者面前的一个大问题。无论是北京城市副中心、雄安新区,还是京津冀地区,地球充电/热宝都大有用武之地。

举例来说,雄安新区自2004年大规模开采深部震旦系雾迷山组大型岩溶热储的地下热水进行全县供暖以来,水位从2004年的地下42米急速下降至2012年的地下81米。8年间下降了39米,平均每年下降近5 米。可以想象,这部分采出的地下热水空间若加以回灌补充,可储存巨大的热水体积,从而增加雄安地区的地热资源潜力。而且回灌后,可补充地热田下降的热储压力,也有助于恢复地下水位。

《“十四五”能源领域科技创新规划》在“地热能开发与利用技术”板块的“应用推广”部分中提出,推广含水层储能、岩土储能等跨季节地下储热技术利用,因地制宜推广集地热能发电、供热(冷)、热泵于一体的地热综合梯级利用技术。在“集中攻关”部分提出,开展高温含水层储能和中深层岩土储能关键技术研究,实现余热废热的地下储能。

这进一步明确了“地球充电/热宝”储能技术在我国的应用。比如,发展含水层储能技术,以地下水为介质,以100%原水同层对井回灌为手段,利用含水层的地质热惯性进行开发。冬冷夏用,夏热冬用,冷热联供,是中央空调系统的最佳冷热源。与燃气供热和电制冷的传统空调系统比较,供暖节能50%、制冷节能80%,同时可解决国内地下水源热泵地下水不能有效回灌的瓶颈,让地下水源热泵起死回生。

做好顶层设计

 
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记者:在现代能源体系建设中促进我国地热产业发展,您有什么建议?

汪集暘:发展地热产业,一定要有顶层设计,要有总的规划。规划怎么做?首先要看资源条件。

我国地热资源比较丰富。《中国可再生能源发展报告(2020)》的数据显示,我国336个主要城市浅层地热能年可开采资源量折合标准煤7亿吨。在回灌情景下,中深层地热能年可开采资源量折合标准煤18.65亿吨。全国埋深3000~10000米的深层地热基础资源量约为2.5×10^35焦耳,折合标准煤856万亿吨。

虽然资源量丰富,但是分布不均匀。浅层地热资源在全国范围内普遍较为丰富,主要分布在北京、天津、河北、山东、江苏、湖南、安徽、上海、陕西等省份。中深层地热资源以中低温为主、高温为辅。中低温型地热资源主要分布在华北、松辽、苏北、江汉、鄂尔多斯、四川等平原和盆地,以及东南沿海、胶东半岛和辽东半岛等山地丘陵地区。而高温型地热资源主要分布在西藏自治区南部、云南省西部、四川省西部和台湾省。我归纳为“东高西低、南高北低”。

其次要看需求。北方有清洁取暖的需求,南方有因冬冷夏热而产生的供暖、制冷需求。基于资源和需求两方面的考虑,我认为我国地热开发应该遵循“深浅兼顾、由浅及深,热电并举、以热为主、西电东热,干湿有度、先湿后干”的总方针。

记者:为什么是“深浅兼顾、由浅及深,热电并举、以热为主、西电东热,干湿有度、先湿后干”?

汪集暘:这主要是从经济性方面考虑。开发地热不能只算政治账,更应该算经济账。

200米以浅的浅层地热开发难度低,用热泵技术就可以实现开发利用,因此利用成本低。而且江河湖海等水体里蕴含的热能都可以开发利用。南京江北新区江水源热泵区域供冷供热项目,根据项目规划可向新区核心区的8.75平方公里近1600万平方米建筑群提供供冷供热服务,每年可为新区节约用电量1.4亿度电,相当于少烧4.69万吨标煤。从资源量上来说,已经可以很大程度上满足清洁取暖、制冷方面的需求。而越往深层,开发难度越大,对设备、技术的要求越高,成本也越高。因此,应该“深浅兼顾、由浅及深”。

至于“热电并举、以热为主、西电东热”是由我国地热资源的分布情况决定的。我国的地热资源以中低温为主,更适合发展供热。比如,东部地区的地热资源用来发电品位不够,而夏热冬冷的气候情况,用地热供暖很适合。截至2020年,我国浅层地热源热泵供暖(制冷)面积已达到约8.58亿平方米,位居世界第一。中国北方地区中深层地热供暖面积累计约1.52亿平方米。其中,河南等地增长较快,形成较大规模的开发利用,在散煤替代和实现区域清洁取暖方面发挥了较大作用。我国150℃以上的高温地热资源集中在西藏、云南腾冲一带的滇藏地热带上,因此我国的地热发电站也较为集中在这一地区。《“十四五”现代能源体系规划》明确指出,“积极推进地热能供热制冷,在具备高温地热资源条件的地区有序开展地热能发电示范”。地热发电装机容量落后于其他国家没有关系,不应以地热发电量论英雄,应以我国的实际需求为导向,以热为主、西电东热。

说到“干湿有度、先湿后干”,我对近年来炒得很热的干热岩并不看好。深层(4000~10000米)干热岩虽然资源量巨大,但开发难度很大,技术、装备水平达不到,因此开发成本高昂。从上世纪70年代末至今,全世界前前后后有64个国家开发过干热岩,但到现在只有位于德国、法国交界处的1个干热岩项目成功了。而该项目前后投资了1亿多欧元,只有2000千瓦的装机容量,投入产出比太低。赔本的买卖不能干,我国发展干热岩应慎之又慎。可以做一些前期研发、跟踪,但大量投入没有必要。说白了,开发干热岩是要人造热储系统,但已经有很好的天然水热系统为什么放着不用,而要花巨资去人造?

总而言之,以这样的顶层设计,政产学研用金服结合起来,特别是决策者要有清醒的认识,共同促进我国地热产业蓬勃发展,为现代能源体系建设做出更大贡献。

原标题:智慧应用地热能——专访中国科学院院士汪集暘

来源:《中国石油石化》,作者:陆晓如  

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