日本地熱發電現狀及技術進展研究

李前喜

（貴州財經大學 工商管理學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

眾所周知,日本處于環太平洋火山帶,是一個地震災害多發的國家,擁有較多的溫泉地熱資源。從表1所示的世界地熱能源分布狀況來看,日本僅次于美國和印度尼西亞居全世界第3位,其地熱發電站主要分布在火山以及地熱儲藏地域,東北與九州等地區集中度較高。國內最大的發電設施是大分縣八丁原發電站,標準發電量為11 MkW,國內最初商用發電的是巖手縣松川地熱發電站,約有50年以上的運營歷史。據2019年9月的數據,日本全國地熱發電站有66座、87個設施,設備容量合計約54 MkW,發電能力約為2 472 GW·h,計劃在2030年發電容量擴大3倍[1]。

表1 世界主要國家地熱資源量與發電設備容量(單位:MkW)

1 日本地熱發電的歷史

日本戰后面臨著恢復經濟以及電力供給不足的巨大課題,政府在推動水力和大型火力發電設施建設的同時,也致力于地熱實用化調查和技術研究開發。1966年日本建設的第一座熱蒸氣型發電站,在巖手縣的松川開始運轉,緊接著第二年大分縣的蒸汽熱水混合型的大岳發電站也開始投入運營。也正是由于這兩座發電站的成功運行,日本地熱開發與利用有了良好的開端。特別是20世紀70年代,在以兩次石油危機為契機的石油替代能源政策的推動下,地熱資源開發也迅速擴大。地熱發電也是國家的支援對象,逐步形成以東北、九州地區為中心,相繼建成了很多地熱發電站,1996年獲得地熱設備認可輸出量就達到了50 MkW。但是,隨著世界石油價格的穩定,從1997年開始能源政策發生變化,對于地熱發電的政府預算也開始減少,導致長時間不能進行開發,地熱發電項目也進入了停滯期。

改變這種狀態的是2011年東日本大地震,福島核電廠爆炸導致全國核電廠關停安檢引發嚴重能源危機,地熱發電也再次受到關注。2012年,各種各樣的可再生能源成為政府固定價格收購對象,地熱發電也納入了收購范圍。通過達到收購制度認可條件后,就可享受政府規定的電力收購價格,這也極大地促進擴大可再生能源產能的機會；同時,政府相關部門為了促進地熱資源開發,放寬了一部分地熱資源開發的限制條件。也正是在這種對地熱發電期待日益高漲的情況下,時隔22年之后于2019年1月,巖手縣八幡平市的地熱發電站開始運行,其標準發電能力為7 499 kW。

2 地熱資源發電及其特點

2.1 地熱發電的種類

地熱發電是指通過地質勘探鉆井,將火山地熱地帶深處1 500～3 000 m存在的高溫150～300 ℃熱水或蒸汽,從地熱存儲層中取出上升到地面,推動蒸汽渦輪發電的方式。實際上由于鉆井深度、地熱流體性質、溫度等因素,需要有不同的發電系統裝置來對應。現在,日本運轉的地熱發電系統中,所使用的主要發電方法有如表2所示的4種類型[2]。其中,干蒸汽發電是單純的氣體發電系統,多見于日本早期的地熱開發。水汽分離法又包括兩種,即一次和二次分離的方式進行發電,現在日本地熱發電站采用最多的是一次分離發電方式,水汽分離法最后把從生產井取出的能源流體,取盡能源之后再將冷卻后的水注入還原井,以促進地下水循環再利用。而低溫雙循環發電是用于溫度低于150 ℃的能源流體,通過熱交換器加熱沸點低的媒介物質,使之沸騰的蒸汽推動汽輪機發電,這種方式也逐步應用于普通溫泉發電方式,既能發電也不影響溫泉旅游的經濟性。所以,雙循環地熱發電是日本政府相關部門認定的新能源。

表2 日本地熱發電方式

2.2 地熱發電的特點

地熱發電作為可再生能源,在其發電站建成之后,可以不分晝夜24小時穩定發電,能有效利用純國產地熱能源,不需要消耗地下的化石燃料,可以認為是半永久性穩定利用的可再生清潔能源[3]。現在,相對于世界各國主要能源的石油和煤炭等化石燃料,地熱、生物質、風力、太陽光、水力等都是可以持續利用的“可再生能源”。雖然這些再生能源在大功率化方面仍存在可研究課題,但發電和熱利用時幾乎不排出導致地球變暖的CO2。由于地熱能源不依賴外國進口,從而也提高了日本國內能源的自給率。

另外,現在推進的可再生能源中,風力發電和太陽光發電等自然能源的發電方式,有效發電的時間段有可能被限制,如因天氣、季節、晝夜等因素而導致發電量大幅度變動。統計資料表明,太陽光設備利用率約為12%,風力也約為20%。與之相比,地熱發電具有每年定量發電的穩定性,設備利用率也高達70%,被日本政府定位為基本電源系列。

3 日本國內地熱開發的困境與對策

3.1 地熱資源開發周期長風險大

有關地熱發電的開發建設,多由石油和礦山等資源開發的企業運作,地熱發電是帶有“地下風險”的投資。也就是說,需要在前期調查的基礎上試探挖掘,正確地把握資源量和地下狀況。總之,地熱發電是技術鏈融合的風險企業,克服挖掘失敗和回收初期投資是根本原則,不習慣這類風險投資的企業是很難涉足地熱發電行業的。另外,地熱發電從地表調查、挖掘調查開始到發電設備設置為止,要進行5個過程的專業評估,一般經歷11～13年的時間。

3.2 日本地熱發電的阻力

世界上屈指可數的“火山國”日本的地熱資源,擁有世界第3位的規模。日本的地熱發電技術也處于世界領先水平,但日本國內利用地熱資源的發電量僅占全部電力0.2%。導致日本地熱發電進展緩慢的主要原因有以下3點。

第一,固定的電力行業體制。日本有十大電力公司,分別調節對應所屬地區的電力需求,也屬于壟斷性質的行業。另外,由于日本電力供應充足,很難從其他領域進入新的電力行業。

第二,國家對地熱開發支援消極。因為日本能源政策要求電力供應穩定,以主力電源混合形式供電,減少能源使用風險。地熱發電與原子能和火力發電相比規模小,國家對地熱發電的開發重視不夠,每年資金預算也較少。

第三,適應地幾乎處在國立或國定公園內。日本很多自然公園是國立或者國定公園,根據自然公園法,要求保護公園自然環境和景觀,所以很難在其中建設地熱發電站。另外,由于擔心地熱開發會對溫泉造成影響,所以新建地熱發電站除需要遵守國家法律外,還要與當地縣市町村行政單位以及溫泉地區協會等進行協商調整。

3.3 地熱開發限制緩和

為了保護公園環境和自然景觀,日本于1957年頒布《自然公園法》[4],其中規定國立公園和國定公園等國家指定的自然公園中不允許建設發電站。由于幾乎所有的火山地區都包含于自然公園內,所以很多適合地熱發電的地方都在自然公園范圍之內,導致日本地熱資源開發受到極大地限制,使擁有地熱資源第三的大國其實際開發量僅位居第8位。

正是基于地熱能源利用的重要性,這種限制漸漸得到一定緩和。環境省于2012年3月發表的新方針是,在國立、國定公園中,除了維持景觀的重要區域,允許建設小型發電設備。此外,還增加了一個重要指導方案,如果采取從公園外面傾斜、挖掘公園內地下的施工方法,就不會對環境保護造成影響,前提是始終不破壞公園的景觀。為此,政府放寬國立、國定公園的規章制度,使地熱發電可利用量擴大3倍以上。另外,還提出將目前需要3～4年的環境影響評價時間縮短一半,并進一步擴大促進地熱發電的政策。有關建設大型地熱發電開發項目,也是將來能源政策中重要的課題,需要國家、自治體、民間企業聯合長期合作對應。

4 日本地熱發電技術推進狀況

4.1 日本國內地熱開發技術措施

為了有效利用地熱資源,新能源產業技術開發機構（NEDO）,作為日本國立研究開發的法人組織,連接政府部門的經濟產業省和國內產學研團體,致力于強化國家產業技術創新。在對應能源與地球環境方面,力主推進環境友好型、高功能地熱發電系統相關設備項目。對于現在的低溫雙循環地熱發電系統,以重視環境保護對策和環境資產管理為基準,通過支持技術開發創新項目等措施,促進擴大地熱發電的能力。低溫雙循環地熱發電與現有發電設備相比,具有小型化、高效率的特點。為了更好地推進更多溫泉地域地熱能源的利用,具體實施措施有以下幾個方面。第一,在保護環境和開發高功能地熱發電系統設備方面,推進有助于實現地熱發電系統小型化的技術。如將冷卻塔高度降低到10 m以下的技術、占地面積降低10%左右的技術、提高熱效率20%以上的技術等。第二,在開發有效利用低溫區域地熱資源方面,注重小型雙循環發電系統。通過使用未被利用的溫泉熱能,展開低溫區域的雙循環發電,將提升熱效率7%作為改善目標。在確立低溫雙循環系統的同時,做好設備耐腐蝕對策、提升二次介質的高性能化技術。第三,在發電站的環境保護對策技術開發方面,建立煤氣泄漏防止技術和擴散模擬技術等。第四,由于日本過去10年間沒有新建地熱發電站,導致地熱發電開發相關的技術人員減少或流向海外,今后要加大力度培養有關地熱發電系統的技術人才。

4.2 地熱設備技術的海外動向

正如前述,日本1966年就建成了國內第一座地熱發電站,地熱發電技術研究與應用也得到進一步推進。但是,由于日本國內多種制度限制,導致地熱發電開發進度緩慢。為此,地熱發電相關企業聯合形成技術產業鏈,把擁有相當成熟的地熱發電技術轉向海外市場。特別是稱之為地熱發電站心臟部的地熱發電渦輪機,如圖1所示,日本企業東芝、富士電機、三菱日立動力系統這3家企業占世界的67%[5]。

圖1 世界地熱發電渦輪機的市場占有率(資料來源:日本地熱協會)

從日本參與海外地熱發電站建設的事例來看,新西蘭早期建設的懷拉基地熱發電站,其渦輪和發電機等是日本制造的。2010年,日本企業住友商事、富士電機和當地企業霍金斯建設公司組成團隊,參與新西蘭的納瓦·普魯瓦地熱發電站建設。在其地熱發電輸出功率方面,使二次分離增加20%、三次分離增加30%的發電量。因此,納瓦·普魯瓦地熱發電站是當時世界上最大的單體發電站,擁有14 MkW的發電能力。由于高效率地推進了項目建設,獲得了當地較高的評價。2018年丸紅商事發表獲得肯尼亞100億日元的地熱發電站訂單[6]。此外,2007年開始到2018年的10年之間,在印度尼西亞3座合計發電能力33 MkW的薩爾拉地熱發電項目中,日本的九州電力、伊藤忠商事、國際石油開發帝石3家公司的出資比例達到68.5%,同時在技術開發方面發揮著重要作用。最近,2021年住友商事、富士電機與新西蘭民間發電企業合作,簽約了陶哈拉地熱發電站152 MkW的項目,預計2023年完成發電廠建設[7]。

總之,以上事例可以說明,日本地熱技術并沒有因為國內進展緩慢而停滯,相反通過積極參與海外地熱發電站的項目建設,推銷地熱發電的成套應用技術,在世界各地建設的地熱發電項目中發揮積極作用。擁有從基礎開發到地表設備,能夠全部提供地熱發電所需的技術。當然,日本企業從中也積累了不少經驗與技術的磨煉。

5 日本地熱發電的未來與前景

巴黎協定之后,主要國家承擔碳減排的重責,設定2050—2060年實現碳中和的目標,日本也正在將重點轉移到可再生能源上,特別是積極推進二氧化碳排放量少、價格便宜且不受天氣影響的地熱發電。政府提出到2030年為止將地熱發電達到約150 MkW的目標[8],也就是說發電能力比現在增加3倍。這個目標值占國家發電量的1%,換算成太陽光發電相當于1 000 MkW,這也是挑戰性的目標,需要強化各種支援政策來進行輔助。鑒于此,日本國內的地熱開發公司、地方自治體在全國各地50多個地方實施了建設地熱發電站的調查。從2014年左右開始,日本各地開始了小規模地熱發電站建設,發電級別在數十至數百千瓦級別的發電站投入運行,并且中規模數千千瓦級地熱發電站也在數個地方開始運行,同時大規模萬千瓦級的地熱發電站也于2019年以后依次開始運行。通過產業、政府、大學及研究機關共同參與,建設地熱發電站完成既定目標。然后,面向2050—2100年長期計劃,屆時地熱能源將達到電力生產10%左右的市場占有率。

對于豐富的地熱資源,不僅僅是用于發電,還需要利用熱水提高農林水產物品的附加價值等。這對幫助地域經濟發展,加深地域的理解,為地域振興做出了貢獻。總之,在創造出新的地熱資源的同時,需要進一步推進高精度的地熱貯留層探索技術,以及可持續的地熱發電技術。同時,有必要引進保護生態景觀等先進環境技術,更好地推進環境適應型發電站的建設。

6 結語

日本蘊藏著較多的地熱資源,也較早地開發了地熱發電,但由于多種原因的限制,地熱資源沒有得到充分利用。隨著全球環境問題日益嚴峻,碳減排計劃形成大國之間的博弈,并紛紛設立碳減排目標計劃。也正是由于這種背景,日本政府開始重視可再生能源的開發,出臺相關支援政策和緩和限制來推動地熱能源的利用。另外,有關地熱發電技術應用方面,日本保有從地質勘探到電站建設的全部技術能力,能夠參與國際市場地熱發電項目的建設。