碳中和目標(biāo)下我國(guó)地?zé)岚l(fā)電的現(xiàn)狀與展望

關(guān)鍵詞： 地?zé)豳Y源 地?zé)岚l(fā)電 限制因素 發(fā)展方向

自人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入電氣時(shí)代以來(lái)，大量的化石燃料被用于火力發(fā)電，以提供經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展所需的電力。然而，大量化石能源的消耗引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，其中以CO2 排放引起的全球變暖問(wèn)題最為明顯。為此，世界各國(guó)已明確將努力實(shí)現(xiàn)碳中和，而構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為碳減排的主要途徑。

地?zé)豳Y源是來(lái)自地球內(nèi)部的天然能源，其儲(chǔ)量巨大、分布廣泛，且用于發(fā)電過(guò)程的碳排放系數(shù)遠(yuǎn)小于燃煤、燃?xì)狻⑷加偷然鹆Πl(fā)電過(guò)程，是理想的可再生清潔能源。然而，盡管我國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，但其發(fā)電利用發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)低于其他地?zé)豳Y源豐富的國(guó)家。如我國(guó)地?zé)豳Y源稟賦與美國(guó)相似，但其發(fā)電裝機(jī)容量不足美國(guó)的1.5%。

為此，文章將回顧我國(guó)地?zé)豳Y源稟賦及其發(fā)電利用現(xiàn)狀，分析限制地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，進(jìn)而討論碳中和目標(biāo)下我國(guó)地?zé)岚l(fā)電的發(fā)展方向，以期為我國(guó)地?zé)岚l(fā)電的快速發(fā)展提供指導(dǎo)，促使其在我國(guó)碳中和進(jìn)程中發(fā)揮應(yīng)有作用。

1 我國(guó)地?zé)豳Y源稟賦及其利用現(xiàn)狀

1.1 地?zé)豳Y源分類(lèi)

地?zé)崮苁莵?lái)自于地球內(nèi)部高溫熔融態(tài)巖漿和放射性物質(zhì)衰變過(guò)程的天然能源[1]，地?zé)豳Y源則是在當(dāng)前的技術(shù)水平和地質(zhì)條件下，可以經(jīng)濟(jì)地從距地表一定深度（lt;10 km）內(nèi)開(kāi)發(fā)出來(lái)的熱水、蒸汽及巖石等攜帶的熱量。如圖1 所示，根據(jù)在地下存儲(chǔ)形式、埋深及溫度范圍不同，可將地?zé)豳Y源分為以下幾個(gè)方面。

（1）淺層地?zé)幔簻囟炔桓哂?5 ℃的淺表層低溫地?zé)幔饕苯佑糜诠┡?制冷等過(guò)程。

（2）水熱型地?zé)幔簻囟仍?5～200 ℃范圍內(nèi)的中高溫?zé)崴偷責(zé)豳Y源，可直接利用，也可用于發(fā)電過(guò)程。

（3）干熱巖型地?zé)幔壕嗟乇磔^深處、內(nèi)部不含或少含流體的高溫巖體中蘊(yùn)藏的熱量，目前較難開(kāi)發(fā)利用。

1.2 我國(guó)地?zé)豳Y源稟賦及其分布

我國(guó)地處亞歐大陸板塊東部、毗鄰印度洋板塊和太平洋板塊，具有豐富的地?zé)豳Y源，約占世界總量的8.0%[2]。據(jù)估計(jì)，僅大陸地區(qū)地表10 km 以?xún)?nèi)的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量即折合標(biāo)準(zhǔn)煤約860 萬(wàn)億t[3]。以當(dāng)前技術(shù)水平的可開(kāi)采量計(jì)算，是我國(guó)2021 年一次能源消費(fèi)總量的3 500 多倍[4]。然而，目前我國(guó)可開(kāi)發(fā)利用的多為淺層地?zé)岷退疅嵝偷責(zé)幔蔁釒r由于開(kāi)發(fā)難度較高而極少利用。

我國(guó)地?zé)豳Y源分布具有明顯的地域性，如西藏、四川、云南等地和福建、廣東沿海地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，且多為高溫地?zé)豳Y源[5]。相比之下，我國(guó)西北部地區(qū)的地?zé)豳Y源較少。此外，陸地內(nèi)部的盆地和平原也存在大量的中低溫地?zé)豳Y源，如華北平原、淮河平原、汾渭盆地等區(qū)域地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用潛力巨大[6]。具體情況見(jiàn)圖2。

1.3 我國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用形式

地?zé)豳Y源用途廣泛，既可以直接用于供熱/制冷、種植/養(yǎng)殖、洗浴/療養(yǎng)等，也可以用于發(fā)電。我國(guó)很早就開(kāi)始了地?zé)豳Y源的直接利用，近年來(lái)隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，大量淺層地?zé)岷退疅嵝偷責(zé)岜挥糜诮ㄖ岷椭评洌責(zé)嶂苯永醚b機(jī)容量已超過(guò)40.6 GW，連續(xù)多年位居世界第一[7]。相比我國(guó)地?zé)岚l(fā)電利用起步較晚，且其發(fā)展較為緩慢。據(jù)估計(jì)，僅我國(guó)西南地區(qū)的高溫地?zé)豳Y源發(fā)電潛力即高達(dá)7 GW[8]，但目前國(guó)內(nèi)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量不足60 MW。與占世界地?zé)豳Y源儲(chǔ)量近8.0% 不相符的是，我國(guó)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量不足世界總量的0.4%[2]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)家。

2 我國(guó)地?zé)豳Y源發(fā)電現(xiàn)狀

2.1 我國(guó)地?zé)豳Y源發(fā)電的發(fā)展歷程

我國(guó)地?zé)豳Y源的發(fā)電利用已有半個(gè)世紀(jì)的歷史。1970 年，廣東豐順湯坑86 kW 地?zé)犭娬镜耐度胧褂檬刮覈?guó)成為世界上第八個(gè)成功利用地?zé)徇M(jìn)行發(fā)電的國(guó)家[9]。隨后，全國(guó)各地陸續(xù)建成多座中低溫小型地?zé)犭娬荆鄶?shù)均因經(jīng)濟(jì)效益差而關(guān)停。1977 年，西藏羊八井地?zé)犭娬? MW 高溫地?zé)岚l(fā)電機(jī)組的建成標(biāo)志著我國(guó)地?zé)岚l(fā)電進(jìn)入短暫的快速發(fā)展期，隨后多年間西藏地區(qū)建成了多座兆瓦級(jí)地?zé)犭娬荆渲袃H羊八井地?zé)犭娬镜难b機(jī)容量就超過(guò)24 MW。

然而，此后我國(guó)地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展陷入停滯，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量長(zhǎng)期徘徊在26 MW 左右。除2019 年西藏羊易地?zé)犭娬就哆\(yùn)一臺(tái)單機(jī)容量16 MW 的高溫地?zé)釞C(jī)組外，幾乎無(wú)其他機(jī)組投運(yùn)并穩(wěn)定運(yùn)行。因此，《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中計(jì)劃新增500 MW地?zé)岚l(fā)電機(jī)組的目標(biāo)遠(yuǎn)未完成。

2.2 限制我國(guó)地?zé)岚l(fā)電快速發(fā)展的問(wèn)題

我國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，且地?zé)岚l(fā)電利用的相關(guān)研究已開(kāi)展半個(gè)世紀(jì)，但地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)仍發(fā)展緩慢。其原因在于我國(guó)地?zé)岚l(fā)電的發(fā)展面臨政策、金融、平臺(tái)、人才、技術(shù)等諸多方面的問(wèn)題有待解決。

2.2.1 缺乏政策及金融支持

與風(fēng)電、光電等其他可再生能源發(fā)電相比，地?zé)岚l(fā)電具有投資高、風(fēng)險(xiǎn)大、回報(bào)周期長(zhǎng)等不利特征。然而，一方面我國(guó)尚未頒布專(zhuān)門(mén)的地?zé)岚l(fā)電相關(guān)的政策法規(guī)，地?zé)岚l(fā)電的重要性未被明確；另一方面，地?zé)岚l(fā)電的并網(wǎng)并未獲得電價(jià)補(bǔ)貼，地?zé)岚l(fā)電經(jīng)濟(jì)性較差。因此，相關(guān)企業(yè)的投資熱情與投資信心不足。

2.2.2 資源勘探工作與平臺(tái)建設(shè)落后

準(zhǔn)確掌握地?zé)豳Y源位置信息與熱儲(chǔ)規(guī)律，是建造地?zé)犭娬镜那疤帷５覈?guó)目前尚未開(kāi)展全國(guó)性的地?zé)豳Y源勘探工作，若這部分勘探工作由地?zé)岚l(fā)電企業(yè)承擔(dān)無(wú)疑將加大其投資成本。此外，我國(guó)尚無(wú)全國(guó)性的地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用綜合平臺(tái)，無(wú)法為地?zé)岚l(fā)電相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)、路線規(guī)劃等提供指導(dǎo)，導(dǎo)致地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。

2.2.3 自主技術(shù)創(chuàng)新能力不足

地?zé)岚l(fā)電是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，其具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的內(nèi)生動(dòng)力源于相關(guān)技術(shù)的自主創(chuàng)新。然而，由于我國(guó)多數(shù)高校尚未設(shè)立專(zhuān)門(mén)的地?zé)釋W(xué)科，地?zé)醿?chǔ)備人才缺乏。同時(shí)，地?zé)峒夹g(shù)研發(fā)需投入大量的人力、物力，但我國(guó)對(duì)地?zé)峒夹g(shù)的持續(xù)投入較弱，不利于技術(shù)的自主創(chuàng)新突破。

2.2.4 管理監(jiān)督機(jī)制不夠健全

地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展需要健全的監(jiān)督管理機(jī)制，以制約粗放、無(wú)序的地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用。然而，我國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中存在無(wú)專(zhuān)門(mén)適用法律、管理權(quán)屬不明、多頭執(zhí)法等問(wèn)題，導(dǎo)致部分地區(qū)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程混亂無(wú)序。地?zé)豳Y源的大規(guī)模無(wú)序開(kāi)發(fā)不僅導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，還將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

3 碳中和目標(biāo)下我國(guó)地?zé)岚l(fā)電的發(fā)展方向

3.1 近期：水熱型地?zé)岣咝Оl(fā)電利用技術(shù)

我國(guó)地?zé)岚l(fā)電的近期發(fā)展目標(biāo)就錨定在中高溫水熱型地?zé)豳Y源的高效發(fā)電利用上。基于我國(guó)已有的地?zé)岚l(fā)電經(jīng)驗(yàn)，水熱型地?zé)豳Y源高效發(fā)電利用可從兩個(gè)方面入手。

一方面，可將地?zé)豳Y源與其他可再生清潔能源耦合利用進(jìn)行發(fā)電。例如：太陽(yáng)能-地?zé)犭娬尽⑸镔|(zhì)能-地?zé)犭娬镜锐詈习l(fā)電系統(tǒng)既可提升地?zé)犭娬镜陌l(fā)電效率及機(jī)組容量，又可多利用其他可再生能源發(fā)電減輕地?zé)岚l(fā)電的負(fù)荷壓力，達(dá)到延長(zhǎng)地?zé)犭娬臼褂脡勖哪康摹Ａ硪环矫妫_(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源發(fā)電后的余能梯級(jí)利用模式。通常，地?zé)崴l(fā)電后的尾水仍具有較高溫度，其直接回灌將造成資源的浪費(fèi)。因而，可將發(fā)電后的高溫尾水用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活過(guò)程，提升地?zé)崮芾眯省?/p>

3.2 中期：低溫地?zé)岚l(fā)電利用技術(shù)

從中期角度而言，我國(guó)地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)放在開(kāi)發(fā)和完善低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)上。我國(guó)中低溫地?zé)豳Y源極其豐富，但目前多用于利用效率較低的溫泉療養(yǎng)、建筑供暖/制冷等過(guò)程，幾乎不用于發(fā)電過(guò)程。1971 年建成的江西宜春50 kW 低溫（67 ℃）地?zé)犭娬倦m已關(guān)停，但其證明了我國(guó)利用低溫地?zé)徇M(jìn)行發(fā)電的可行性。

近年來(lái)，卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展為我國(guó)低溫地?zé)岚l(fā)電提供了新方向。在卡琳娜循環(huán)中，可通過(guò)調(diào)整混合工質(zhì)中氨和水的比例來(lái)改變其沸點(diǎn)，從而更好地適應(yīng)低溫地?zé)崴姆艧崽匦訹10]，可有效提升循環(huán)發(fā)電效率。為此，我國(guó)應(yīng)大力推動(dòng)卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)研發(fā)，以促進(jìn)低溫地?zé)豳Y源的高效發(fā)電應(yīng)用。

3.3 遠(yuǎn)期：干熱巖發(fā)電利用技術(shù)

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，開(kāi)發(fā)和完善干熱巖發(fā)電技術(shù)是我國(guó)地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。我國(guó)干熱巖儲(chǔ)量極其豐富，其發(fā)電潛力遠(yuǎn)超水熱型地?zé)豳Y源，且其發(fā)電效率更高。若干熱巖發(fā)電技術(shù)成熟，按發(fā)電實(shí)際利用率為風(fēng)能的3～4 倍計(jì)算，其發(fā)電的資金成本將接近風(fēng)能，并遠(yuǎn)低于太陽(yáng)能。

然而，我國(guó)干熱巖發(fā)電目前尚處于探索階段，僅少數(shù)試驗(yàn)性機(jī)組運(yùn)行，尚未有大容量干熱巖發(fā)電機(jī)組運(yùn)行及并網(wǎng)。國(guó)外雖然對(duì)干熱巖發(fā)電利用進(jìn)行了長(zhǎng)期探索，但目前進(jìn)展仍不太理想。鑒于此，我國(guó)巨大的干熱巖發(fā)電潛力，應(yīng)加快對(duì)布局，重點(diǎn)突破干熱巖電站勘探選址、高溫鉆井、裂縫激發(fā)、儲(chǔ)層建造、微震監(jiān)測(cè)、高效換熱等技術(shù)。同時(shí)，著力解決干熱巖發(fā)電項(xiàng)目投資高、風(fēng)險(xiǎn)大、回報(bào)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富、發(fā)電利用潛力大，在未來(lái)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，地?zé)岚l(fā)電理應(yīng)發(fā)揮重要作用。然而，我國(guó)地?zé)岚l(fā)電實(shí)際裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他國(guó)家。為促進(jìn)我國(guó)地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，政府、高校/科研院所、企業(yè)用戶(hù)等需協(xié)同發(fā)力，共同促進(jìn)資源、技術(shù)和市場(chǎng)的完美結(jié)合。隨著水熱型地?zé)岣咝Оl(fā)電技術(shù)、低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)和干熱巖發(fā)電技術(shù)的完善，地?zé)岚l(fā)電一定會(huì)在我國(guó)雙碳進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。