地热能作为五大非碳基能源之一,是国家碳中和路线图的重要构成。21年4月,国家能源局发布《关于促进地热能开发利用的若干意见》提出:到25年,各地基本建立起完善规范的地热能开发利用管理流程,地热能供暖(制冷)面积比年增加50%,在资源条件好的地区建设一批地热能发电示范项目。

1、从全球看地热能利用

1、地热能分类

地热能即地球内部隐藏的能量,是驱动地球内部一切热过程的动力源,其热能以传导形式向外输送。地热能是来自地球深处的可再生性热能,它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。

按储存形式,地热能可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。按温度的高低,地热能可分为高温型和中低温型两类,其中高温型一般温度高于150摄氏度,中低温型一般低于150摄氏度。

地热能利用主要分为直接利用和地热发电两大类。地热能直接利用已广泛地应用于工业加工、民用采暖和空调、洗浴、医疗、农业温室、农田灌溉、土壤加温、水产养殖、畜禽饲养等各个方面。地热发电是把地下的热能转变为机械能再转变为电能的能量转变过程,在全球多个国家已有应用。

2、全球地热能利用

全球地热能储量极其丰富,地球的体积为10832亿km3,其中温度超过1000℃的部分占地球体积的99%,低于100℃的部分只占地球体积的01%。离地球表面5000米深,15℃以上的岩石和液体的总含热量,约为145×1025焦耳(J),约相当于4948万亿吨(t)标准煤的热量。

根据年世界地热大会的统计,年直接利用地热能的国家/地区有88个,全球地热直接利用折合装机容量为108亿千瓦。10年以来,全球地热发电累计装机容量逐年增长趋势,年全球地热发电装机容量16GW,美国、印度尼西亚、菲律宾、土耳其、新西兰位列全球地热发电累计装机容量前五名。

3、地热能利用发展趋势

地热能作为新能源中的优势能源之一,已进入经济发展的主流趋势,而其利用模式,也由市场经济初期的地热温泉利用,逐步向能源为主的利用模式转型,使地热资源得到充分、高效的利用。

(1)地热直接利用,主推集中供暖+冷热站

进行大型集中供暖是地热能供暖发展的必然趋势,同时也是清洁环保、替代碳能源的市场需求的体现。地热能集中供暖,能够提升对能源本身的高效利用,降低小片区应用造成的能源损耗。冷热站将深层的地热井供暖与浅层地源热泵制冷结合起来,不仅可以集中供暖,也可以集中制冷,不仅提高了生活的舒适度,也极大地提高了能效。

(2)地热发电技术,探索深层地热能利用

地热发电是地热能最高的利用形式,是一种新能源整体实力的体现。但目前的地热发电,依旧受资源条件和开发水平的限制,尤其是中国,能够进行高温地热发电的浅层区域并不多,这需要极佳的地热资源品位,而更多的地热能蕴藏在几千米深处的干热岩中,深层的干热岩储量很大,但开采成本相对较高。

(3)地热梯级利用,实现多功能综合规划

地热能与太阳能、风能利用的最大区别在于,可以根据不同温度层次,进行分层的梯级利用。高温进行地热发电后,带有中温的余水还可进行地热供暖,而供暖后的余水,经过处理后输入其他管道进行梯级利用,使每个阶段的温度得到充分利用,既节约了资源,又提高了效率,同时也有利于多角度收益,是全面提升地热能竞争力的一个有效手段。

2、中国地热能利用现状和趋势

1、地热能资源潜力

中国地热资源丰富,已发现地热区30多处,已完成地热田勘查50多处,主要分布在京、津、冀、东南沿海、内陆盆地和藏滇地区。其中大于150℃的高温地热系统,即直接可以用于发电的有255处,总发电潜力5800MW(30年);中低温地热系统可用于非电直接利用的2900多处,开发潜力在00亿t标准煤当量以上。

从自然资源部中国地质调查局15年调查评价结果来看,全国336个地级以上城市浅层地热能年可开采资源量折合7亿吨标准煤;全国水热型地热资源量年可开采资源量折合19亿吨标准煤;埋深在3000米至1万米的干热岩资源量折合856万亿吨标准煤。

目前,适合发电的高温地热田主要分布在青藏高原,西藏高温地热资源占全国高温地热总量的80%。中低温发电的技术成本比较高,基本处于停滞状态;干热岩发电尚属空白,干热岩型地热能资源勘查开发开始起步。浅层地热能利用快速发展,水热型地热能利用持续增长。在沿黄、沿江地区乡村建设中,开展城镇地区地热供暖、地热养殖等开发利用,将为乡村振兴注入新的活力,提供新的产业增长点。

2、地热能利用现状

在地热直接利用方面,到年我国浅层地热能利用将达5000MWh,地热(温泉)直接利用4000MWh;预计到50年我国浅层地热能利用将达25000MWh,地热(温泉)直接利用10000MWh。

中国适于发电的高温地热资源主要分布在西藏、云南和台湾等地区,19年我国地热能发电装机容量约为26MW,规划到年我国干热岩地热发电装机容量将达25MWe,30年达到100MWe。

建筑能耗在我国能源消耗总量中所占比例已达40%。地热能技术在解决建筑供暖制冷,改善能源结构等方面发挥了积极作用。建筑供暖制冷等中低温领域是我国地热能利用的主要场景。面向我国建筑供热和新型绿色建筑发展,推动城市建筑规模化地热能供暖制冷项目开发;加强种植养殖、康养旅游等领域的地热应用,助推乡村振兴和农业农村现代化建设。

根据19年中国地热能利用数据分析,19年地热供暖利用占比327%;地热温泉洗浴利用占323%;地热农业领域利用占179%;地热养殖业领域利用占269%;地热发电领域占比05%;工业利用领域占比04%。19年,我国浅层地热能建筑供暖(制冷)建筑面积达841亿平方米,水热型地热能供暖建筑面积超过165亿平方米。

3、地热能+应用趋势

未来发展重点在于浅层地热供暖(供冷)的分布式大型化发展以及“地热能+”的广泛应用等。下面主要介绍一下地热能+太阳能、地热能+油井利用的模式。

(1)地热能+太阳能

“地热能+太阳能”互补系统采用智慧能源运行模式。在采暖季,太阳能集热系统将热能与地热井热能并行输送至用户侧直接使用;在春、夏、秋非采暖季,太阳能集热系统将热能输送至地热井中蓄存,用于增加地热井热能,解决了太阳能能流密度低、季节性不平衡、难以跨季储存等问题。

(2)地热能+油井利用

大型石油公司是地热行业重要的合作伙伴,地热项目为油气公司提供绿色转型机遇。其中一个主要机遇就在于废弃或无效的采油和采气井,可以通过可行的方法改造这些井,用于地热能源发电,为化石燃料生产商提供一个进入可再生能源领域的明确的切入点,同时解决如何让这些已耗竭资产安全退出的问题。

目前,东部地区多个油田已实施油田地热利用项目,包括原油管道加热、油管清洗、油水分离、房屋采暖、温室大棚以及中、低温地热发电等。这些项目集中在渤海湾盆地的华北油田、胜利油田、中原油田、辽河油田、冀东油田以及松辽盆地的大庆油田。

3、地热能技术和设备发展态势

地热能利用技术和设备,主要包括地热发电机组及技术与设备、中深层地热能供暖技术与设备、中低温发电技术、地源热泵技术与设备、水源热泵技术与设备、余热利用技术与装备、干热岩发电技术与设备、地热钻井设备、地热+多能互补清洁能源站技术与设备、地热能发电机供暖配套产品、地源热泵配套产品等。下面重点介绍一下地源热泵和地热发电技术。

1、地源热泵技术

地源热泵产业链主要沿着地热开发及应用展开,主要涉及地热应用技术开发、地热设备制造、地热污染与环境管理等产业内容,其中最主要的产业环节为地缘热泵设备制造。

从类型上看,地源热泵主要分为水平式、垂直式、地表水式、地下水式四种。

四种地源热泵技术

地源热泵主要用于浅层地热能开发,建筑供暖(制冷)应用规模不断扩大。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵的供热系数一般可达34,比燃煤锅炉节能%50%,供冷比冷水机组节能10%%。随着技术水平的提高,地源热泵作为一种兼具环保、节能与经济性的技术逐渐推广应用。19年,我国浅层地热能建筑供暖(制冷)建筑面积达841亿平方米,水热型地热能供暖建筑面积超过165亿平方米。

年中国地源热泵装机容量约2645万兆瓦,15年复合增长率为17%;国内地源热泵装机容量占全球的比重上升到3411%,且增长速度持续加快。

目前全球地源热泵技术已经比较成熟,在我国地热能直接利用市场就活跃着数十家地源热泵企业,包括克莱门特、美意集团、贝莱特、麦克维尔、顿汉布什、枫叶能源、特灵空调、富尔达、同方人环、约克空调、欧科空调、天加环境等,其中的国外品牌占据着高端市场。

2、地热发电技术

地热发电包括蒸汽法和双循环发电系统及全流发电系统,以及干热岩发电系统。目前全球地热电站主要采用的是地热蒸汽发电系统。干热岩发电成本远低于风力发电、太阳能发电等新能源发电方式。

浅层地热资源发电技术。西藏羊八井地热电站拉开了中国利用浅层地热资源发电的序幕,装机容量2518兆瓦,采取地热蒸汽发电系统,动力机使用汽轮机叶片。截至年5月,羊八井地热电站累计发电量达3425亿千瓦时,同时利用发电尾水为羊八井镇扶贫搬迁安置点、温泉度假村提供热水。

分布式地热发电技术。云南瑞丽市地美特10兆瓦地热发电站采取分布式集装箱地热发电模式,发电系统、遥控系统、控制系统、变速系统等功能都压缩到了集装箱里,使用的动力机是螺杆机。目前净发电量已达到12兆瓦,该电站仍在扩建之中。

干热岩发电技术。干热岩发电涉及干热岩勘查选址、高效钻完井工艺、储层改造、高效发电等技术。目前已有少数国家建有试验性干热岩发电厂。河北省煤田地质局在唐山市马头营凸起区3965米深度钻获了京津冀地区埋藏最浅的干热岩,实现了干热岩试验性发电。

目前世界上的地热发电设备生产厂家较为集中,日本三菱、东芝、富士的产品占世界的2/3,排名前6家厂商占据全球95%以上市场份额。中国企业正在加速进入地热发电领域,包括浙江开山压缩机、青岛捷能汽轮机、哈尔滨汽轮机、江西华电电力、常州联优机械等。