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中国地热产业发展空间分析

2021-05-17 08:27:56 国际石油经济   作者: 罗佐县 刘芮等  

“十三五”期间,中国地热产业的能源贡献接近规划目标,但发展不平衡。水热型地热供暖面积增长较快,浅层利用则不及预期;发电指标完成情况受资源地域分布特点与地区电力供应充足影响,与规划目标差距最大。碳排放达峰和碳中和目标形势下的可再生能源大发展时代来临,地热将在供热、发电领域有更多的发展机会,但需要克服政策从严与技术瓶颈双重因素制约。发展地热产业,近中期须遵循热电并举,先热后电,综合利用,效率为先的总体发展思路,因地制宜推进水热型、浅层地热供暖制冷在全国范围的应用,有序推进滇藏地热带发展地热发电;中长期重点发展中低温地热和干热岩发电;常态化地做好“温泉+”模式地热梯级利用。重视攻关核心关键技术,推广地热开发利用标准,加大地热勘查评价力度,争取必要的政策支持,这些是地热产业发展的重要保障。

中国是地热利用大国,直接利用规模长期位居世界第一,但地热发电产业相对滞后,地热产业整体发展水平还有待进一步提升。随着可再生能源发展提速,谋划地热产业的新发展显得非常紧迫和必要。2020年是《地热能开发利用“十三五”规划》(以下简称《规划》)收官之年,分析《规划》的执行情况及成败得失,对今后地热产业改进发展模式、设计发展道路以及提升发展质量具有重要现实意义。

1 《规划》目标及完成情况

1.1 《规划》提出的主要发展目标

作为地热发展的首部系统性政策指导文件,《规划》全面梳理了中国地热产业的资源基础,提出了发展目标、重点工程和实施路径。按照《规划》目标,到2020年,中国地热能消费规模折合7000万吨标煤;新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米,其中浅层地热能供暖(制冷)面积新增7亿平方米,水热型地热供暖面积新增4亿平方米,地热供暖(制冷)面积累计达到16亿平方米;新增地热发电装机容量500兆瓦,2020年总规模达530兆瓦。

1.2 指标整体完成存在差距,但凸显地热发展潜力

1.2.1 能源供应贡献接近规划目标

综合供暖、发电、温泉、养殖以及农业等领域地热装机容量以及供暖制冷面积等数据测算,到2020年,中国地热实际利用量折合4800万吨标煤,完成规划目标的近70%。现有地热能利用结构中,浅层地热利用位居首位,占比52%;其次是水热型地热供暖,占比27%,继续保持增长;再次是温泉利用,占比18%,其余利用方式占比3%(见图1)。

1.2.2 各领域利用目标实现情况参差不齐

1)水热型地热供暖目标完成情况超出预期,浅层供暖制冷实施不及预期。供暖(制冷)方面,估计2020年全国可实现新增地热能供暖(制冷)面积8.98亿平方米,其中水热型地热供暖新增面积4.8亿平方米,浅层地热能供暖(制冷)新增面积4.18亿平方米,分别完成规划目标的120%和60%。地热供暖(制冷)面积累计达到13.92亿平方米,完成总体规划目标的87%。

水热型地热供暖项目大发展,主要受益于2014年国家能源局在河北雄县召开的全国地热能开发利用现场会,以及《地热能开发利用“十三五”规划》《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等文件及系列配套政策。治理大气污染、淘汰燃煤供暖锅炉等举措,极大推动了中国北方地区水热型地热供暖面积的快速增长,使得规划目标提前超额完成。

浅层供暖制冷实施情况不及预期,主要原因是该领域前期发展较快,行业门槛低,资质不佳企业进入,导致部分工程质量问题突出。不规范的浅层地热开发利用浪费了资源,导致社会各界对地热能开发利用产生误解,一些地方政府限制浅层地热能项目的开发利用,很大程度上影响了《规划》目标的如期完成。

2)地热发电距规划目标差距较大。估计到2020年底,地热发电装机容量累计约为49兆瓦,仅为《规划》目标的9.2%。发电装机容量大幅落后于目标,主要有两方面的原因。

一是低温地热发电技术瓶颈及高温资源的集中分布,限制了地热发电的地理空间拓展。上世纪七八十年代,中国曾在中低温地热发电方面取得重要进展,70℃的热水即可用来发电。但由于当时思想不够重视,资金投入不足,人才队伍未能建立起来,中低温地热发电技术出现停滞。按照目前技术水平,地热发电需要150℃以上的高温水热资源,此类资源主要集中在滇藏地区,其他地区的地热分布多以中低温为主。目前,全国地热发电运行项目仅有西藏羊八井和羊易项目。

二是滇藏地区电力供应相对充足,地方投资地热发电的积极性不高。西藏是当前全国最适合发展地热发电的地区,高温资源主要集中在这里,但西藏在“十三五”期间地热电力装机仅增加22兆瓦。由于该地区水力、太阳能等稳居电力供应主力地位,一定程度上压缩了地热发电需求(见图2)。云南的情况与西藏类似,根据云南省电力发展相关规划,该地区2020年发电装机容量达1亿千瓦,2025年达1.1亿千瓦,以水电为主的清洁能源装机占比超过80%。由于电力供应充分,地方政府对地热发电缺乏积极性。

2 新形势下地热产业的发展机遇和挑战

2.1 地热产业发展机遇

2.1.1 宏观层面,碳排放达峰和碳中和目标驱动,地热发展通道被拓宽

中国《能源生产与消费革命战略(2016-2030)》提出,到2030年,中国非化石能源占一次能源消费比例达20%,2020年这一比例已经达到15.8%。由于可再生能源发展超出预期,国家调整了以可再生能源为主体的非化石能源发展目标,提出2030年非化石能源占一次能源比例达到25%,较之前提高了5个百分点。非化石能源的应用以热和电为主,地热开发利用的产品就是热和电。因此,在新的碳排放达峰以及碳中和目标驱动下,可再生能源发展潜力将被进一步发掘。地热资源丰富,理论上可在热和电供应领域大显身手。

2.1.2 行业层面,“地热+”模式有助于可再生能源供应体系稳定

据原国土资源部中国地质调查局2015年调查评价结果,全国水热型地热资源量折合1.25万亿吨标准煤,年可开采资源量折合19亿吨标准煤;埋深在3000~10000米的干热岩资源量折合856万亿吨标准煤;全国336个地级以上城市的浅层地热能,年可开采资源量折合7亿吨标准煤。目前,地热在一次能源消费中占比较低,但资源量丝毫不逊色风电和太阳能,可以发挥后发优势,以较高的加速度扩大发展规模。

地热资源利用的最大优势是稳定性,不受季节变化和天气影响。在风力资源、太阳能资源、地热资源同时具备的地方,通过发展“地热+”模式的可再生能源协调应用系统,可以弥补风力发电、太阳能发电、水力发电供应间歇性的不足。

近10年,中国风电、太阳能发电装机保持快速增长态势。2019年,非化石能源发电装机占总装机容量的41%,风电和太阳能发电装机容量之和达40万兆瓦以上,地热仅49兆瓦(见图3)。在太阳能、风电等已获先发优势的条件下,发挥地热发电的后发优势,是增强风电、太阳能发电供应稳定性的有利选择。

2.2 发展地热产业面临的挑战

2.2.1 系列关键技术有待进一步突破

中国地热利用方式之所以长期粗放,与缺乏高水平地热利用技术高度相关。中国直接利用的水热型地热回灌率较低,一个主要原因是不掌握砂岩回灌核心技术,造成环境污染及其他衍生问题;浅层地热利用过程中的热平衡问题同样突出,主要在于地源热泵系统优化运行技术实用程度及便捷化程度不高,影响其大面积推广。总体看来,无论是上游的地热勘探开发还是终端利用,整个地热产业链的核心技术均不同程度地存在“短板”,制约了地热产业开发步伐。

2.2.2 针对地热开发的政策与税收有从严倾向

由于可替代能源多元化发展的格局已经形成,各地能源供应相对充分,地方政府对地热开发利用需求不强烈,缺少通过减税降费扶持地热产业的愿望。不仅如此,面对地热发展中出现的问题,地方政府倾向于采取更加严苛的管理。2020年,河北、山东等地政府关停部分地热井,主要替代方案是“煤改气”,当时,国内市场对冬季供暖期的气价普遍持低位运行判断。此外,2020年9月1日新版资源税实施,对地热企业经营测算发现,即便按1元/立方米标准征收资源税,多数地热开发利用企业也难以负担。

3 未来地热产业高质量发展总体思路与路径

3.1 地热产业总体规划发展思路

发展地热产业的方向须肯定,总体开发利用思路应是热电并举,先热后电,综合利用,效率为先。从资源利用的次序看,近中期优先发展供热,用于住宅供暖、温泉旅游、养殖、工业领域;中长期随着地热发电技术的成熟,可适时发展地热发电产业。资源利用方式追求高效,在热电利用基础上,努力形成“地热+”多种新能源协同发展模式;以地热资源梯级利用为导向,通过工艺改造和创新,改变地热发电、地热供暖的传统设计方法,实现高低温逐级利用,最大限度地提高地热资源开发利用的经济价值。

3.2 地热产业高质量发展实施路径

3.2.1 系统推进全国地热供热制冷应用

1)水热型地热供热遵循资源导向、因地制宜稳步推进全国范围供暖及资源梯级综合利用。中国水热型地热资源主要分布在松辽盆地、渤海湾盆地、河淮盆地、江汉盆地、汾-渭河盆地、环鄂尔多斯盆地及银川平原等地区。目前,国内中国石化、中国石油等油企以及大量民企,已深度参与这些资源的开发。中国石化以地热开发利用“雄县模式”为蓝本,提出创建20个地热供暖无烟城的设想基本已经实现;新形势下又提出升级“雄县模式”,打造以“地热+”为核心的地热开发利用“雄安模式”,由中小县城向农村和大中城市进军。预计,国内水热型地热开发利用将沿着这条道路发展下去。

2)浅层地热供暖制冷系统推进,重视在夏热冬冷地区推广。浅层地热能不仅包括土壤中的地热能,而且地表水、城市污水也是地热能的重要资源。可以按照“宜土则土,宜水则水”的思路,因地制宜地在全国推广地源热泵项目,带动浅层地热开发利用。地源热泵项目的最大优势,是项目能效比高于普通空调和空气源热泵,而且后期运行费用较低。只要热泵技术便捷化程度得以显著提升,即便在寒冷地区也大有可为,辽宁就是目前地源热泵装机容量占比较大的省份,供暖制冷面积达到7000万平方米。

今后一个时期,南方冬季供暖将成为国家区域经济发展的重要支点,也是提升人民生活质量的重要标志。中国所有省会级以上城市,每年地源热泵系统(包括地埋管和地下水热泵)夏季(按5个月计算)换热量约为3万亿千瓦时,折合标准煤约3.83亿吨,可制冷面积为101亿平方米;每年地源热泵系统冬季(按4个月计算)换热量为1.5万亿千瓦时,折合标准煤约1.83亿吨,可供暖面积为119亿平方米。夏热冬冷地区具有丰富的浅层可开采资源量,推广使用地源热泵技术具有得天独厚的条件,目前地源热泵项目几乎在全国各地都有推广(见图4)。夏热冬冷地区浅层地热供暖制冷与城市建设、新农村建设保持匹配,对于长江中下游地区经济社会发展有重要意义。此外,夏热冬冷地区地表水年可利用量达8000亿立方米,城市污水处理能力每天可达1亿立方米,这两者的可利用量,夏热冬冷地区占1/3以上,也是重要的地热冷热源。

3.2.2 近期聚焦高温发电,中长期聚焦中低温和干热岩发电

据世界能源协会(WEA)发布的《联合国世界能源评价报告》,地热发电的世界平均利用效率可达72%,地热资源的直接利用效率为27%。地热发电在所有可再生能源发电中年利用小时数最高,全年90%以上的时间都可用于发电。相比风电、太阳能等其他可再生能源,地热发电具有很高的利用效率。

1)近中期聚焦高温地热发电。本世纪以来,中国频发极端天气,雨雪冰冻现象造成局部地区电力供应紧张,极寒天气对电力供应提出了新要求,确保区域电力供应稳定,成为电力产业今后重要发展目标之一。再考虑碳排放达峰、碳中和目标下非化石能源所占比例持续提升的现实要求,电力供应稳定的重要性进一步凸显。目前,各地区电力供应已经实现多元化,兼顾发展绿色电力与电力供应稳定双重目标,发展地热发电具有现实意义。在地热、风力、水力以及太阳能资源同时具备的地区,各种发电方式协同发展,可有效提升供应稳定性。

目前,应以滇藏作为地热发电的突破口,这两个地区富集高温地热资源,适合现有技术水平地热发电。据现有资料,西藏地热能发电潜力在3000兆瓦以上,地热资源主要用于发电。羊八井地热电站是中国最大的地热电站,也是世界唯一利用第四系浅层热储进行工业发电的电站,电站装机约27兆瓦,在拉萨电网中的负荷占比曾高达60%,上世纪70年代至今,累计发电30亿千瓦时。羊易地热电站是世界海拔最高(4650米)、完全实现100%回灌的地热电站,年发电量可达1.9亿千瓦时。

云南地处欧亚板块与印度洋板块的碰撞带及其影响区内,是中国大陆新近地史时期构造活动最活跃、最强烈的地区之一,地热异常十分显著,温泉/泉群数量约占全国已知温泉数的28%,居全国各省区之冠。平均大地热流值比中国大陆代表性平均值高出约10%。滇西腾冲、瑞丽等地位于滇藏地热带欧亚板块与印度洋板块的缝合带附近,岩浆活动极为频繁,成就高温地热田。腾冲地热田推算热储温度为230℃,具有很大的发电潜力。目前,腾冲地热开发的重点在各种非电利用。一方面是电力供应相对充分,另一方面地方政府倾向于发挥地热在旅游中的作用以拉动经济。腾冲地热旅游产品形式多样,经营者直接利用喷气孔、冒气地面、沸泉、沸喷泉、水热爆炸和间歇喷泉等高温地热景观开发当地旅游业,为地方带来了可观的收入。从资源分布看,云南东部煤炭资源相对丰富,但水力、地热资源较为贫乏。西部水力、地热资源丰富,但缺乏煤炭和天然气资源,由于没有地热电站,仅靠水力发电易造成枯水季节缺电,若有地热电站辅助供电,可以大大缓解和预防地区电力紧张。

2)中长期聚焦中低温地热及干热岩发电。中长期考虑发展中低温地热发电,前提是中低温地热资源发电技术攻关取得成效,并结合地区发展需要部署。可以考虑先在华北、江苏、福建、广东等地区建设若干中低温地热发电示范工程,形成以点带面发展模式。如前所述,20世纪七八十年代,中国地热利用水平曾与国际同步。当前,中国经济社会发展水平已具备了支撑地热发电的软硬件条件,在重点地区重新突破中低温地热发电技术,完全具有理论上的可能。

2011年,中国地质调查局对大陆3~10千米干热岩资源估算显示,地热资源基数约合856万亿吨标准煤。其中,深度3.5~7.5千米、温度150℃~250℃的干热岩储量巨大,约合200万亿吨标煤。即使仅有2%的储量得到开发,也将获得巨大能量。“十三五”期间,中国地质调查局在青海共和盆地恰卜恰地区施工干热岩探井4口,取得了干热岩勘探的突破。从远期看,干热岩发电应作为储备电力工程,可先从青海突破并与青海光伏项目呼应,构建立足青海的西北绿色电力网络。

3.2.3 坚持梯级利用路线,发展“温泉+”地热直接利用模式

温泉旅游、养殖及温室大棚是应用最便捷、普及程度最高的地热利用方式,仍将是今后地热开发利用的主要途径之一。从高效利用考虑,此类地热需要遵循梯级综合利用思路,推动形成“温泉+”地热发展模式,以温泉开发带动旅游、农业及养殖。在温泉观光、休闲度假、康体疗养、温泉养生和温泉农庄等传统温泉旅游产品基础上,因地制宜发展新业态旅游产品,缩小淡旺季差异,打造全季节温泉产品,实现温泉旅游地的集约可持续发展。

原文信息

题目:中国地热产业发展空间分析

作者:罗佐县,刘芮,宫昊,赵丰年

作者单位:1.中国石化集团经济技术研究院;2.中石化新星(北京)新能源研究院有限公司

刊登期号:《国际石油经济》2021年第4期




责任编辑: 李颖

标签: 地热能 地热产业

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