国内外地热开发利用现状浅析

摘要:本文分析了世界地热资源储藏和开发利用的现状,并以冰岛、美国、日本以及中国的地热开发利用状况为分析的重点,基于此发现地热开发利用中存在开发不当容易造成破坏和污染环境;地热资源开发利用水平低;对常规能源和经济形势等因素十分敏感等方面的问题,最后指出地热开发利用将以循环经济可持续发展为指导,实施梯级利用,扩大在建筑、旅游、农副产品等方面发展的趋势。

关键词:地热; 世界; 中国; 开发利用

中图分类号:F407.2

一、 地热的开发利用现状

、随着传统的能源对环境的影响越来越大,可再生能源的出现为缓和和解决国际范围内的能源危机指明了方向。地热能源作为一种可再生能源为世界经济的发展带来了巨大的效益。具有很多有益的开发特性,地热属于综合性清洁矿产资源,功能多,用途广,可供发电、采暖等利用,还是一种可供提取溴、碘、硼砂、钾盐、铵盐等工业原料的热卤水资源和天然肥水资源,还是医疗热矿水和饮用矿泉水资源以及生活供水的水源。国内外的开发利用实践表明,其社会、经济和环境效益均很显著,在经济发展中起着越来越重要的作用。

(一)地热开发的主要领域

地热能的开发利用包括发电和非发电利用两个方面。世界各国利用地热能的经验表明:高温地热资源(150℃以上)主要用于发电,发电后排出的热水可进行逐级多用途利用:中温(150℃以下90℃以上)和低温(90℃以下)的地热资源则以直接利用为主,多用于采暖、干燥、工业、农林牧副渔业、医疗、旅游及人民的日常生活等方面。

1. 地热直接利用

目前,世界上已有70多个国家对地热水直接利用,年利用总量达72622GW,年增长率为12.9%,表1中列举了世界地热资源直接利用前10名国家。我国目前地热直接利用能量居世界首位,年利用达12604.6MW,对中低温地热直接利用的开发量达到3056GW,其设备容量达到107.79GW,随着我国社会经济的增长,对地热资源的开发仍将以10%—12%的速度增长。到2005年,全世界已有24个国家利用地热发电,地热发电总装机容量8900MW,所生产的电力达56800GWh。有72个国家直接利用地热,设备容量27828MW。如冰岛全国87%供暖全部靠地热,每年可节约资金113亿美元。世界地热直接利用的结构具体见图1。

数据来源:2005年土耳其世界地热大会统计。

2. 地热发电

截至2005年,世界上已有24个国家建立了地热电站,总装机容量8900MW,目前的运行容量为8000MW。据2005年世界地热大会对各国地热发电总量的统计:美国2544MW,居世界首位,菲律宾1931MW居世界第2位,其次是墨西哥、印度尼西亚、意大利、日本、新西兰,我国排名第15位。世界主要国家地热发电装机容量如下表2。

数据来源:Gerald , W. Hutter. 1995—2000年世界地热能应用情况。

从表2可以看出,1995—2000年期间,世界地热资源取得了长足的发展,装机容量从6833MW发展到7974MW ,但发展速度从1980～1990年间的22.5%/(年)降到了1995—2000年间的16.7%/(5年)(见图2)。菲律宾通过建设682MW地热能成为世界地热发展最快的国家。意大利、新西兰和爱尔兰的地热能发展规模大约在153、151、120MW。随着哥斯达黎加建设87.5MW、萨尔瓦多建设56MW、危地马拉建设33MW地热发电站,中美洲地区呈现出一派发展地热资源欣欣向荣的景象。在最近5年,埃塞俄比亚第一次建设了8.52MW地热电站,俄罗斯通过在远东地区修建一座12MW地热电站而掀起了地热建设的高潮。

(二)世界主要国家地热资源利用情况

1. 冰岛

冰岛是目前地热开发利用程度最高、经验最丰富的国家。全国分布有高温蒸汽田26个,低温地热田约250个,天然温泉800余处。冰岛地壳厚度0—10km范围内的地热资源总量为3亿TWh(1TWh相当于1亿度电);地壳厚度0—3km范围内的总量为3000万TWh;技术上可利用的为100万TWh。若将全部地热能用来发电,每年可发电800多亿度。冰岛地热资源的勘查与开发由国家统一管理,不允许私有公司参予其中。冰岛87%的家庭使用地热取暖全国每年由此节约燃料开支上亿美元。

地热发电占国家总发电量的19%以上。地热发电站装机容量总计200MWe,排名世界第八位。2005年地热发电总量是1658GWh,占国家总发电量的19.1%。全冰岛约有160个游泳池,其中有130个利用地热能加热。大多数是全年开放的露天游泳池,主要用于娱乐和游泳训练,依赖独特的地貌和众多温泉疗养区,每年吸引着逾百万外国游客。冰岛直接利用地热资源进行生产海藻、烘干鱼产品、宠物食品的烘干等行业。另外全国融雪系统的总面积约为74万m² ,首都的约为55万m²。

数据来源:Ingvar B.Fridleifsson,Geothermal Development In Iceland And China。

2. 美国

美国是世界地热发电装机容量最大的国家,同时也是利用热泵技术供暖和制冷最好的国家。美国一直积极应用地热发电,地热装机容量从1990年的2774MW、1995年的2816MW,降到2000年的2228MW。2000年地热装机容量占全国总装机容量的0.25%,地热发电量大约占全国能源供应量的0.4%。在加利福尼亚,1994年以来就没有修建地热发电站的计划,到2002年计划增加98MW地热发电站。美国地热直接利用领域主要集中在水产品养殖、洗浴和游泳、供暖和温室。由于热泵技术的成熟,使得热泵在全国得到推广。现在从普通房屋和公寓至居住面积为278平方米的住房,每月支付供暖和制冷费15—40美元,这是一般家庭都能付得起的。

数据来源:John W. Lund,Direct-use of geothermal energy in the USA,Applied Energy。

3. 日本

日本地热资源丰富,因处于太平洋火山带,拥有火山245处,活火山65处,温泉2200处,热水井22000处。日本十分重视地热资源开发,广泛用于农业栽培、农产品加工、动物饲养、农业灌溉等。日本国家对一些地区投资进行勘探,以减少地热开发的风险。1995年在11个地热田中安装了总容量为312. 3MW的12个发电机组,该装机容量相当于1999年全国总装机容量的0.23%,发电量的0.36%。政府1995—1999年投资4.671亿美元,比1990—1994年的6. 32亿美元和1985—1990年的7.273亿美元有所减少。日本位于环太平洋火山活动带上,有着丰富的地热资源,他们依据这些优势建起温泉保健所700多家, 温泉旅馆一万多个, 并利用地热显示和火山地貌等独特景观开展旅游。日本十分重视地热资源开发,广泛用于农业栽培、农产品加工、动物饲养、农业灌溉等。

4. 墨西哥

墨西哥目前是全世界第三大地热发电的国家,仅次于美国和菲律宾。在3个地热田安装了755MW的装机容量,占全国总装机容量的2.11%,总发电量的3.16%。普列托峰(Cerro Prteto)是世界第二大热气田,2003年装机容量达720MW,有9个发电机组,平均工作效率为92.4%,计划在2000年增加第4个20MW机组。Los Azufres地区的装机容量达93MW,有8个5MW发电机组,一个50MW发电机组,地热温度265—360℃,井深835—2095m。Los Humeros的装机容量达42MW,1990和1993年投产了7个5MW发电机组,计划2002年增加50MW装机容量。到2005年增加325MW地热发电装机容量,提高地热发电在全国的比例,最大约为4%。

(三)中国地热的开发利用概况

我国是一个地热资源较丰富的国家,特别是中低温地热资源(热储温度(25—150℃)几乎遍及全国。全球地热能“资源基数”为140×106EJPa,我国为11×106EJPa,占全球7.9%。近年来地热直接利用均以每年速率增长,目前以直接利用设备装机容量的产量居世界之首。但地热发电几年来增容较少。

我国地热资源主要分布于构造活动带和大型沉积盆地中,主要类型为沉积盆地型和隆起山地型。沉积盆地传导型中低温地热资源,主要分布于华北平原、汾渭盆地、松辽平原、淮河盆地、苏北盆地、江汉盆地、四川盆地、银川平原、河套平原、准噶尔盆地等地区,以及分布于东南沿海地区和胶东、辽东半岛的中低温地热资源。据初步估算,全国仅2000m以浅的主要沉积盆地储存的地热能量就达73161×1020J,相当标准煤2500亿t,地热水可开采资源量为每年68亿,所含热能量为963×1015J,折合每年3284万t标准煤的发热量。

中国已发现地热异常3200处,已打地热井2000多眼,评价的地热田有50多处。中国的地热主要应用于取暖(面积近800万m²)、水产养殖(面积近300万m²)、浴疗(1600多处)、农业和医药等。据有关部门统计,近年我国年开采地热水量超过3.45×,年利用总热量1776.31MW,折合191.2万t标准煤燃烧的热量。由于受地热资源分布和开发利用条件的限制,我国地热发电在世界22个地热发电国家中排列第14位,地热装机总量为32.08MW,其中88%集中在西藏,拉萨电网中地热发电占60%。20世纪70年代主要利用中低温地热资源,先后在广东邓屋、湖南灰汤、江西宜春、广西象州、山东招远、辽宁熊岳、河北怀来等地建地热发电试验电站。由于温度偏低多数已停用。

此外,我国地热资源分布与经济区和城市规划区相匹配。以环渤海经济区为例,该区的北京、天津、河北和山东等省市地热储层多、储量大、分布广,是我国最大的地热资源开发区。同时地热综合利用价值高。我国地热资源以水热型为主,可直接进行开发利用,适合于发电、供热、供热水、洗浴、医疗、温室、干燥、养殖等。我国中低温地热资源应用广泛,主要是取暖、洗浴疗养、种养殖及烘干等直接利用地热资源。具体开发结构如下图:

中国温泉资源十分丰富,且类型齐全,分布广泛,作为旅游景区的开发前景可观。云南省计有温泉931处,居全国首位,其次为西藏自治区306处,四川省305处,广东省282处,福建省172处,湖南省130处,台湾省105处。我国有温泉疗养院上千家,华北有著名的北京昌平小汤山、太行山城南庄、阜平热泉、燕山马兰峪等。近年来地热浴疗发展很快,仅河北平山温塘一地就建有温塘地热浴疗场所近40家。广东省恩平市,自从开发三处温泉点的温泉乐园和度假村等旅游项目后,有力地促进了地方经济发展,仅2002年就接待中外游客133万人次,全年收入4.8亿元,上交税金620多万元。

数据来源:根据中国新能源与可再生能源网提供数据整理。

利用地热水采暖相比燃煤来说,无污染,可昼夜供热水,可保持室温恒定舒适。地热采暖在我国北方城镇拥有广阔的发展空间。北京、天津、河北、陕西等省市的采暖面积逐年增多,已具一定规模。2005年底天津市地热采暖面积1000万m²,如以1平方米供暖消耗煤35kg计,则可节省350万t标准煤。地热建筑房地产产业逐步发展,截止2008年上半年,河北省浅层地能应用建筑面积640万m²。

二、 地热资源开发利用中存在的问题

(一)世界地热开发利用进程存在的普遍问题

1. 开发不当容易造成破坏和污染环境

地热虽然属于较清洁的可再生能源,但是地热水具有较强的不可再生性,如果开发不合理将过渡消耗地热资源,同时也可能导致破坏和污染环境。

(1)地面沉降。随着近年地热资源的开采量逐渐增加,抽取地下热水引起水位下降,导致地层进一步的压密,加剧了地面沉降的发生。根据天津市对市区的沉降测量表明,开采300m深度以下地下水,对地面沉降影响约占总沉降量的35%—50%。在人口居住区会造成住宅楼和其他建筑物基础的坍塌,而在非人口居住区会对地表水径流系统造成负面影响。

(2)热污染。所谓热污染是指温度较高的地热尾水在排放过程中,会向周围环境释放一定的热量,使周围的空气或水体的温度升高,改善生态环境,从而影响环境和生物生长。目前在缺乏梯级利用的情况下,尾水的温度较高,如果没有采取地热回灌或是相应的处理措施,会促使局部空气和水体的温度升高,改变生态平衡,影响附近生物的生长,使水中缺氧,影响水生生物的正常生活、发育、繁殖等,加快水汽循环,不利于缺水地区。

(3)大气污染。在抽取地下热水的过程中,随着接近地表时压力的降低,热水中含有的一些气体和悬浮物就会排放到大气中,从而影响周围的环境。化学污染主要包括盐类污染和有害元素的污染。

(4)诱发地震。地热异常区多处于现代火山、近代岩浆活动地区或近代地壳构造运动活跃地区。这意味着地热资源开发一般发生在自然断裂通道和活断层上,即地热资源开发大部分在区域地震活动性强的地区内进行。

(5)地温变化。地温随深度的增加会逐渐升高,但在浅层地表范围内,地下水对地温起着控制作用,尤其在近地表土壤层内更是如此。过度开采使低温升高,破坏土壤生态平衡。

2. 地热资源开发利用水平低,存在浪费资源等问题

地热资源开发利用规模化、产业化水平不高,企业生产布局、产品结构和利用方式不合理,重开发轻管理现象普遍存在,影响了地热开发整体经济效益的提高。部分地热企业生产工艺流程落后,技术力量薄弱,经营粗放,竞争无序,盲目追求高额利润,不按规定开采地热资源,不采取综合利用措施,资源利用率低,浪费了有限的资源,如采取直供、直排供暖方式的地热井,其热能利用率仅为20 %—30 %,严重浪费了地热资源。

3. 地热开发利用对常规能源和经济形势等因素十分敏感

作为新型能源的一种,地热的开发利用容易受到来自常规能源、世界经济形势、国家能源战略的影响。常规能源犹如石油价格的波动限制了包括地热资源在内的其他能源的开发利用进展;波动的世界经济周期增加了地热发展的不稳定的外部环境;同时受可预测地热资源量不确定性的影响,许多国家地热发展的方向摇摆不定。

4. 地热开发利用急需国家推动和国际合作

地热的开发利用对于技术和装备要求是较高的,尤其在地热发电方面更是如此。投资大、周期长、风险高意味着国家必须通过国家规划、技术引进、项目示范、政策优惠等方式推动地热资源的开发利用。同时许多发展中国家拥有丰富的地热资源却由于缺乏先进的技术和管理经验低水平利用和浪费,必须加强技术、资金和资源的交流合作。

(二)中国地热资源开发中存在的主要问题

世界地热开发的普遍问题在我国同样也普遍存在。部分地区盲目的开发利用已经造成一定的环境破坏和资源浪费问题。同时,作为一个地热资源相对丰富的发展中国家,我国的地热开发利用还有一些特有的问题。

1. 地热资源勘察开发缺乏统一规划

我国对地热资源开发还没有形成统一、系统的规划,致使一些地区对地热资源开发利用缺少一个合理的、系统的规划,部分已有规划的最终也未能落实,造成了勘察无序和开发利用盲目于滞后,地热资源综合利用程度和综合经济效益低下。全国地热资源勘察评价程度低。目前,全国大部分地区尚未开展大比例尺的地热资源勘察,特别是我国西部地区的中低温地热资源,基本未开展正规的地热勘探。影响到地热资源勘察开发规划的制定、资源的利用以及地热产业的发展。另外,缺乏统一的勘察评价体系。我国目前对地热资源的开发仅限于对已发现资源的开发, 没有形成系统的勘察评价机构,致使地热资源开发利用社会、经济效益达不到预期的目的。

2. 对地热产业和地热资源缺乏科学的认识

一些地热资源丰富的地区难以把地热资源优势与经济发展、生态环境和社会进步相结合,建立有自己特色的地热产业。有的对地热资源的综合利用价值和产业化开发利用的意义认识不足,将地热混同于一般的矿产资源或水资源。另一方面,一些开发商对地热资源的特点认识不清,造成地热资源得不到合理开发和有效保护。地热资源是在特定的地质、构造、水文地质条件和水文地球化学环境条件下形成的。由于埋藏深,补给途径远,再生能力弱,其资源量是有限的,并非取之不竭。要保持其资源的长期连续稳定开采,做到有计划合理开发利用,防止盲目无序随意开采造成资源浪费和环境地质问题的发生。

3. 地热资源管理缺位, 监督管理力度不够

由于我国地热大规模开发起步较晚,没有建立起完善的法律体系,行政部门职能交叉重复,造成政出多门。虽然《可再生能源法》中涉及相关地热开发,但是篇幅很少,概括简略;此外,地热虽属矿产资源,但其开发利用却要受到不同的行政部门的重复管理,严重影响了地热资源勘察与开发利用的正常发展。

4. 综合开发利用效益低

由于相关公益性勘察和政策法律体系的缺位,梯级利用没有广泛应用,目前我国对地热资源的开发利用和管理尚处于自发分散的粗放阶段,资源浪费现象极其严重。除少数城市外,我国的地热开发仅停留在洗浴、游泳、养殖等少数项目上,处在自发、分散和粗放的利用阶段,地热企业经营粗放,地热资源利用率低,综合效益不够显著,浪费资源的现象比较严重。

三、 地热开发利用的前景

(一)发展地热资源循环经济,实现地热资源可持续发展

所谓循环经济,本质上是一种生态经济,它倡导在物质不断循环利用的基础上发展经济。自从提出可持续发展战略以来,发达国家把发展循环经济、建立循环型社会,看作实施可持续发展战略的重要途径和实现方式。可持续发展已经是当今世界发展的趋向,地热资源可持续发展意义在于,地热资源持续发展是保证当前及未来经济建设与社会发展的需要;同时,地热的开发要尽量控制,减少甚至不破坏自然环境。必须以循环经济理论为指导,采取有效的管理体制、先进的技术和完善的制度、法规来实现可持续发展。所以,地热资源应当朝着吸收世界其他国家的先进经验,加快推广清洁生产技术,用清洁生产的基本形式实现循环经济的方向发展。

(二)地热的直接利用和梯级利用成为主要发展趋势

与地热发电相比,直接利用地热具有高达50%—70%的利用效率,而地热发电为5%—20%。中国中低温地热资源丰富,中西部的大部分地区地热资源丰富,类型齐全,分布广泛,且多为中低温;高温地热资源仅分布在藏南、滇西和川西地区。因地制宜,物尽其用的原则,发挥资源优势,减少浪费,提高地热利用率。因此,积极对地热资源进行直接利用比较适合中国的国情。

所谓梯级利用就是按照用户终端需要的供热水温,从高到低排序;高能高用,温度适用,分配得当,各得其所,通过梯级利用,可有效提高地热资源利用率。不论是哪种温度的地热水,梯级利用都是一个最佳的利用方案。北京工业大学地热供暖示范项目的测试和阶段总结与常规集中供热区域锅炉房的价格基本相当,而运行费用总效率在5.79—6.54之间,费用低于天然气。因此,地热的梯级利用拥有广阔的发展前景。此外为了使地热可持续开采,可以采用如法国的回灌法,冰岛的季节性关闭热水井,延长水井寿命,实现可持续发展。

(三)地热水在农、林、牧、副、渔业方面有更广泛的利用

在农业上主要用于地热温室、培育良种、种植蔬菜、花卉、鱼苗越冬、孵化等方面。匈牙利地热直接利用装置的热功率达638MW,园艺和温室暖气系统80%依靠地热水供暖,每个温室都采用电子计算机控制和机械化作业。温室内种植的蔬菜和名贵花卉除内销外还大量出口,每亩温室的年利润约合人民币4万元左右,效益十分可观。我国的地热温室也很普遍,总面积为2865公顷。如北京的小汤山地热联营开发公司用地热温室种植优特种蔬菜年获利润几十万元。湖北省英山地热开发公司用地热养殖水产每亩平均收入万元。由此可见地热温室有着显著的经济效益。

(四)地热在旅游业和房地产业的开发利用

扩大地热需求市场和发展空间,开发温泉住宅区、温泉度假村、温泉康乐中心等,使地热房地产业和地热旅游业得到合理的开发利用。

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责任编辑李萍

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