全球地?zé)岚l(fā)電現(xiàn)狀及展望

中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 ■ 陳從磊 徐孝軒

0 引言

地?zé)豳Y源是指能被經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)利用的地球內(nèi)部的地?zé)崮堋⒌責(zé)崃黧w及其有用組分，是一種可再生的清潔能源。地?zé)豳Y源因儲(chǔ)量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定性好、利用系數(shù)高等特點(diǎn)，成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的新能源。

隨著國(guó)家電氣自動(dòng)化程度提高，電力需求日益增加，而絕大部分電力主要通過(guò)煤炭和天然氣等常規(guī)化石能源獲得，經(jīng)濟(jì)發(fā)展易受化石燃料價(jià)格波動(dòng)的影響。以美國(guó)為例，2012年煤炭和天然氣的發(fā)電量占總發(fā)電量的26%和31%，地?zé)帷⑻?yáng)能、風(fēng)能等可再生能源占2.5%[1]。此外，隨著新興市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電力需求將逐步增加，供需矛盾逐年突出。因此，為充分保障能源安全，滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求和減少化石燃料的使用，各國(guó)正積極采取措施，增加包括地?zé)嵩趦?nèi)的可再生能源在能源供給中的比重，構(gòu)建多元化能源結(jié)構(gòu)，以保證本國(guó)能源安全。地?zé)豳Y源以其穩(wěn)定可靠、成本低廉、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐漸被各國(guó)所認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)熱度逐年增加。

1 地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量逐年增加

據(jù)2010年世界地?zé)岽髸?huì)公布，世界上已有78個(gè)國(guó)家對(duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行了開(kāi)發(fā)利用(包括發(fā)電和直接利用)。2000年、2005年和2010年地?zé)豳Y源綜合利用分別為1022億kWh、1316億kWh和1889億kWh，前5年和后5年的年均增長(zhǎng)率分別為5.2%和7.5%。其中地?zé)嶂苯永梅謩e為528億kWh、759億kWh和1217億kWh，前5年和后5年的年均增長(zhǎng)率分別為7.5%和9.9%。

熱發(fā)電最早起源于1904年意大利西北部Larderello火山區(qū)建立的一個(gè)10 kW的實(shí)驗(yàn)性電站。隨后于1913年建成第一臺(tái)250 kW地?zé)岚l(fā)電機(jī)組，成為地?zé)岚l(fā)電商業(yè)化的開(kāi)端。從1958年起，美國(guó)、墨西哥、前蘇聯(lián)、日本、菲律賓、薩爾瓦多、冰島和中國(guó)先后開(kāi)始進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電研究試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)建設(shè)。自此，地?zé)岚l(fā)電業(yè)務(wù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，裝機(jī)容量逐年增加，1960年僅為386 MW，到1975年突破1000 MW，達(dá)到1180 MW。截止到2013年底，全球24個(gè)國(guó)家和地區(qū)地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量約12000 MW[2]；其中，發(fā)電能力位于前3位的國(guó)家和地區(qū)分別為美國(guó)、菲律賓、印度尼西亞。

按區(qū)域劃分，美洲地區(qū)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量最大，約為4565 MW，占總裝機(jī)容量的41.9%；其次為亞太地區(qū)的3717 MW，占34.1%；歐洲地區(qū)以1643 MW位居第3，約占15.1%；隨后是大洋洲地區(qū)的763 MW(約占7%)和非洲地區(qū)的209 MW(約占 1.9%)。

圖1 1950～2013年全球地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量

隨著地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)熱度逐年增加，預(yù)計(jì)到2015年全球擁有地?zé)岚l(fā)電的國(guó)家和地區(qū)將由目前24個(gè)增至46個(gè)，總裝機(jī)容量將達(dá)到19.804 GW。其中，歐洲地區(qū)將由目前1.6 GW增至2.8 GW；亞太地區(qū)由3.7 GW增至6.8 GW；美洲地區(qū)由4.6 GW增至8.3 GW；非洲地區(qū)由0.2 GW增至0.6 GW；大洋洲地區(qū)由0.8 GW增至1.3 GW，見(jiàn)圖2、3。

圖2 2010年和2015年(預(yù)計(jì))不同地區(qū)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量

圖3 2010年和2015年(預(yù)計(jì))不同地區(qū)地?zé)岚l(fā)電國(guó)家數(shù)目

作為全球地?zé)岚l(fā)電第一大國(guó)的美國(guó)，地?zé)岚l(fā)電業(yè)務(wù)的開(kāi)展最早開(kāi)始于1960年，隨后進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。自2008年以來(lái)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)2.3%，截至2013年，美國(guó)地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量為3442 MW，居世界第一(見(jiàn)圖4)。地?zé)犭姀S主要分布在阿拉斯加、加利福尼亞、佛羅里達(dá)、夏威夷、愛(ài)達(dá)荷、內(nèi)華達(dá)州等地。目前，美國(guó)仍有分布在15個(gè)州的147座地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)中，總發(fā)電潛力超過(guò)5000 MW[3]。預(yù)計(jì)到2015年，美國(guó)地?zé)岚l(fā)展總裝機(jī)容量將達(dá)到5380 MW。

圖4 2008～2015年美國(guó)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量

菲律賓擁有豐富的地?zé)豳Y源，1977年7月，國(guó)內(nèi)第一座小型地?zé)岚l(fā)電試驗(yàn)電廠的正式運(yùn)營(yíng)拉開(kāi)了地?zé)岚l(fā)電的序幕。經(jīng)過(guò)最初幾十年的快速發(fā)展，2000年以來(lái)菲律賓地?zé)岚l(fā)電業(yè)務(wù)的發(fā)展趨于平緩，地?zé)犭娬局饕植荚贚eyte、Bac-Man、Mindanao、Northern Negros、South Negros和Tiwi等。截至2013年，菲律賓總裝機(jī)容量達(dá)到1884 MW[4]，成為僅次于美國(guó)的世界第二大地?zé)岚l(fā)電生產(chǎn)商。菲律賓政府出臺(tái)大量?jī)?yōu)惠政策和措施，鼓勵(lì)和推動(dòng)地?zé)岚l(fā)電等新能源業(yè)務(wù)的發(fā)展。預(yù)計(jì)到2015年，其地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到2519 MW。

圖5 菲律賓歷年地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量

印尼擁有豐富的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量，地?zé)豳Y源利用也僅次于美國(guó)和菲律賓，居世界第3位。截止到2013年底，印尼已建成地?zé)岚l(fā)電站總裝機(jī)容量達(dá)到1333 MW，此外還有眾多項(xiàng)目正在建設(shè)或規(guī)劃中，預(yù)計(jì)到2015年，地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)3451 MW，成為僅次于美國(guó)的世界第2大地?zé)嵘a(chǎn)商。印尼政府實(shí)施了一系列法律法規(guī)，如精簡(jiǎn)監(jiān)管過(guò)程，在競(jìng)標(biāo)過(guò)程中直接將地?zé)峥碧皆S可證授予開(kāi)發(fā)商；減免地?zé)衢_(kāi)發(fā)設(shè)備進(jìn)口相關(guān)關(guān)稅等，促進(jìn)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)，并規(guī)劃到2025年建成9000 MW的地?zé)岚l(fā)電能力，成為全球最大地?zé)嵘a(chǎn)商[5]。

圖6 印尼歷年地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量

2 地?zé)岚l(fā)電技術(shù)日新月異

地?zé)岚l(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動(dòng)力源的一種新型發(fā)電技術(shù)。地?zé)岚l(fā)電的過(guò)程是把地下熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程，按照載熱體類(lèi)型、溫度、壓力和其他特性的不同，可將地?zé)岚l(fā)電技術(shù)分為干蒸汽發(fā)電技術(shù)、擴(kuò)容蒸汽發(fā)電技術(shù)、雙循環(huán)(雙工質(zhì))發(fā)電技術(shù)和雙循環(huán)井下?lián)Q熱發(fā)電技術(shù)。近年來(lái)，干熱巖發(fā)電技術(shù)也有一定突破。

相對(duì)常規(guī)的利用干蒸汽發(fā)電和地?zé)崴l(fā)電，干熱巖發(fā)電(EGS)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：干熱巖資源量巨大、分布廣泛；無(wú)廢氣和其他流體或固體廢棄物，幾乎零排放；開(kāi)發(fā)系統(tǒng)安全；熱能連續(xù)性好；經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等。該技術(shù)自1993年在美國(guó)通過(guò)可行性論證后，近些年取得了一定突破，干熱巖發(fā)電已從早期試驗(yàn)性階段進(jìn)入小規(guī)模的商業(yè)開(kāi)發(fā)階段。

當(dāng)前，利用干熱巖發(fā)電的國(guó)家主要有法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、美國(guó)、日本。其中，世界上最大EGS項(xiàng)目位于當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)的澳大利亞Cooper盆地，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，Cooper盆地?fù)碛?000～10000 MW的發(fā)電潛力[6]。

3 中國(guó)地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展

我國(guó)地?zé)豳Y源分布廣、類(lèi)型多、資源豐富，具備大發(fā)展的資源條件。初步估算，全國(guó)287個(gè)地級(jí)以上城市淺層地?zé)崮苜Y源量每年相當(dāng)于94.86億 t標(biāo)準(zhǔn)煤，每年可利用量相當(dāng)于3.56億 t標(biāo)準(zhǔn)煤；12個(gè)主要沉積盆地地?zé)豳Y源儲(chǔ)量折合標(biāo)準(zhǔn)煤8530億 t；每年可利用量相當(dāng)于6.4億 t標(biāo)準(zhǔn)煤。而當(dāng)前正處于研發(fā)階段的干熱巖資源量相當(dāng)于860萬(wàn)億 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

3.1 中國(guó)地?zé)嶂苯永镁邮澜缡孜唬責(zé)岚l(fā)電發(fā)展相對(duì)滯后

我國(guó)地?zé)崂檬加谏鲜兰o(jì)70年代。地?zé)嶂苯永昧孔?995年以來(lái)連續(xù)多年處于世界首位(見(jiàn)圖7)，主要用于地?zé)峁┡椭评洌責(zé)岚l(fā)電發(fā)展相對(duì)滯后。截至2013年，常規(guī)地?zé)崮芄崦娣e約為7680萬(wàn) m2[7]。地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量約為24 MW，年發(fā)電能力約為150 GWh[8]，僅排在世界第18位。

1970年，中國(guó)科學(xué)院在廣東省豐順縣鄧屋建立了我國(guó)第1座地?zé)岚l(fā)電站。地?zé)崴疁囟?2 ℃，采用閃蒸發(fā)電技術(shù)，裝機(jī)容量為300 kW，年運(yùn)行時(shí)間為8000 h，年發(fā)電量為160 萬(wàn)kWh。隨后又在河北懷來(lái)、江西宜春、湖南灰湯、遼寧熊岳、廣西象州和山東招遠(yuǎn)6個(gè)地區(qū)，建設(shè)了中低溫地?zé)岚l(fā)電站。由于經(jīng)濟(jì)效益差，目前除了廣東豐順外，其余均已停用。

表1 常規(guī)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)對(duì)比表[9]

表2 世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家EGS/HDR項(xiàng)目一覽表

圖7 全球主要國(guó)家地?zé)嶂苯永昧?/p>

1977年我國(guó)第一臺(tái)1 MW高溫地?zé)岚l(fā)電試驗(yàn)機(jī)組在西藏羊八井建成發(fā)電，此后一直到1991年間又陸續(xù)建成了8組3 MW發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)到24 MW(1 MW試驗(yàn)機(jī)組退役)[10]。2009～2010年，羊八井地?zé)犭娬居中略雎輻U膨脹動(dòng)力機(jī)2臺(tái)，新增裝機(jī)容量2 MW。截至2013年，羊八井電站每年約發(fā)電1.4億kWh。

由于我國(guó)地?zé)豳Y源以中低溫為主，地?zé)岚l(fā)電主要采用擴(kuò)容閃蒸蒸汽發(fā)電技術(shù)(廣東豐順地?zé)犭娬尽⑽鞑匮虬司責(zé)犭娬揪捎迷摷夹g(shù))。該技術(shù)設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，也是全球地?zé)岚l(fā)電應(yīng)用最多的發(fā)電技術(shù)，發(fā)電量占地?zé)峥偘l(fā)電量的60%。但是，機(jī)組整體熱效率和經(jīng)濟(jì)效益不高。

3.2 初步形成了地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)

經(jīng)過(guò)近40多年不斷實(shí)踐，我國(guó)已初步建立了一套與中國(guó)地?zé)豳Y源特點(diǎn)相適應(yīng)的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。2012年，國(guó)家地?zé)崮茉撮_(kāi)發(fā)利用研究及應(yīng)用技術(shù)推廣中心正式成立，依托這一平臺(tái)逐步開(kāi)展地?zé)崮茉窗l(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃、政策及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)研究、地?zé)崮茉撮_(kāi)發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用[11]，將極大推動(dòng)我國(guó)自熱資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的進(jìn)步和水平的不斷提高。

3.3 國(guó)家宏觀政策的積極引導(dǎo)

為促進(jìn)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家到地方相繼制定了一系列相關(guān)政策、法規(guī)，以促進(jìn)地?zé)岚l(fā)電業(yè)務(wù)的發(fā)展。如國(guó)家能源局、財(cái)務(wù)部、國(guó)土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出：到2015年，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到10萬(wàn)kW，地?zé)崮苣昀昧窟_(dá)到2000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；到2020年，地?zé)崮苣觊_(kāi)發(fā)利用量達(dá)到5000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，形成完善的地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系[12]。

當(dāng)前，我國(guó)地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用，尤其是地?zé)岚l(fā)電方面還存在一些問(wèn)題尚待解決，如缺乏統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃、資源開(kāi)發(fā)利用管理不規(guī)范、開(kāi)發(fā)利用程度偏低、地?zé)岚l(fā)電技術(shù)特別是增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電技術(shù)等與國(guó)際差距較大。

在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化、治理大氣污染日益緊迫的形勢(shì)下，地?zé)豳Y源以其“減排效益顯著、可持續(xù)利用”的優(yōu)勢(shì)，在生態(tài)文明建設(shè)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。可預(yù)見(jiàn)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用將會(huì)像太陽(yáng)能、風(fēng)能等資源的開(kāi)發(fā)利用一樣，飛速發(fā)展。

[1] US Energy Information Administration. U.S. primary energy production by major source, 2012[EB/OL]. http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=electricity_in_the_united_states.2013-02-07.

[2] Ruggero Bertani. Geothermal power generation in the world 2005-2010 update report[J]. Geothermics，2012，(41): 1 － 29.

[3] US Energy Information Admission. Annual Energy Outlook 2014 [EB/OL]. http://www.eia.gov/forecasts/aeo/electricity_generation.cfm. 2014-05-07.

[4] Benjanmin Matek.2013 Geothermal power:international market overview[R].Washington:Geothermal Energy Association.2013-09.

[5] United Press International. Indonesia: $5 billion in geothermal deals[EB/OL]. http://www.upi.com/Science_News/Resource-Wars/2010/04/28/Indonesia-5-billion-in-geothermal-deals/UPI-75251272464182/. 2010-04-28.

[6] Graeme Beardsmore. The Burgeoning Australian Geothermal Energy Industry[R]. Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin，2007，28. (3): 20－26.

[7]中國(guó)石化新星石油有限公司.地?zé)衢_(kāi)發(fā)[EB/OL]. http://cnspc.sinopec.com/cnspc/domain/geo_develop.

[8] Zheng K, Han Z, Zhang Z. Steady industrialized development of geothermal energy in China，country update report 2005-2009[A]. Proceedings of the 2010 World Geothermal Congress[C]， Bali，Indonesia，2010.

[9]彭第，孫友宏, 潘殿琦, 等. 地?zé)岚l(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用前景[J].可再生能源, 2008, 26(6): 106－110.

[10]李志茂, 朱彤.世界地?zé)岚l(fā)電現(xiàn)狀[J]. 太陽(yáng)能, 2007, (8): 10－14.

[11] 楊程博.中國(guó)石化地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)引領(lǐng)中國(guó)[J].中國(guó)石化，2012，(12): 32－35.

[12] 國(guó)家能源局、財(cái)政部、國(guó)土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用[N].中國(guó)石化報(bào)，2013-02-28 (1).