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冰岛:一个几乎靠可再生能源就能运转的国家
地热能网 ( 地热+)   发布日期:2017-11-01    来源:《风能》杂志  作者:何继江
[摘要]:冰岛的供热能源也几乎全部来自可再生能源。全国的终端用热中,地热达到96%。就建筑等空间供热而言,2014 年,地热供热占比达90%,电供热约占9%,主要指热泵和电锅炉用电,石油供暖仅为1%。

      冰岛:世界可再生能源比例最高的国家

      冰岛位于北大西洋靠近北极圈的海域,是欧洲第二大岛国。全国面积为10.3 万平方公里, 人口约33 万,拥有丰富的水能资源和地热资源。冰岛是一座火山岛,位于美洲板块和亚欧板块的边界地带,两大板块的交界线从西南向东北斜穿全岛。活跃的地壳运动、复杂的地形地貌造就了冰岛丰富的地热资源。海洋气候又带来了丰沛的降雨,岛内年均降水量为2000毫米,人均拥有水资源是欧洲人均水量的600 倍。
 
      该国是国际能源署所统计的国家中可再生能源占比最高的国家,2014年,一次能源使用量的85%来自本地可再生能源,其中66% 是地热。
 
      冰岛的电力系统已经完全是可再生能源发电,主要是水电和地热发电。2015 年,该国的总发电量是188亿千瓦时, 人均用电量达到5.7 万千瓦时,也是世界上人均用电量最高的国家。2015 年,冰岛的水电装机量为199 万千瓦,年发电量138 亿千瓦时,占总量的73.3%。地热发电装机量67万千瓦,年发电量50 亿千瓦时,占26.6%。风电刚刚起步,发电量只占到0.1%。燃油发电的装机量仅有11.7万千瓦,但极少开机,其发电量可以忽略不计。
 
      冰岛的供热能源也几乎全部来自可再生能源。全国的终端用热中,地热达到96%。就建筑等空间供热而言,2014 年,地热供热占比达90%,电供热约占9%,主要指热泵和电锅炉用电,石油供暖仅为1%。 


      目前冰岛基本不使用天然气,煤炭使用量也很少,使用的化石能源主要是石油,只占一次能源需求的13%,约有一半用于渔船,另一半主要用于汽车。

      冰岛能源转型历程

      冰岛作为一座火山岛,本地没有石油、煤炭和天然气的资源。但该国也经历过以煤炭、石油等化石能源作为主体能源的时代,经过漫长的转型,才形成目前可再生能源占绝对主导的局面。 

      19 世纪末,冰岛大量进口煤炭用于供暖。1914 年—1918 年,由于第一次世界大战的影响,煤炭的市场价格升高且供应受限。1918 年冬季,冰岛出现极端寒冷的气候条件,煤炭供应不足导致供暖得不到保障。经历了寒冬折磨的冰岛人民开始探索地热集中供暖,这成为冰岛能源转型的最初尝试。二十世纪二三十年代,地热供暖有了初步的发展,但规模仍然比较小。1940 年时,该国的能源结构中煤炭占比达到70% 以上。二战时期进口煤炭的紧张形势再次激发了地热和水电的快速发展。二战后的和平时期内,得益于便宜的国际油价,石油在冰岛能源结构中的比重增长比地热和水电更快,迅速替代煤炭成为主体能源,1960 年左右,用煤供暖被淘汰。 

      1973 年的石油危机重创冰岛经济,但这也使得其能源转型加速进行,水电和地热得到广泛发展,石油消费比重迅速下降,并逐步退出电力和供热领域。20 世纪90 年代,气候变化成为推动冰岛能源转型的另一个重要因素,减少碳排放的追求使得可再生能源对煤炭和石油的替代进一步加速。1914 年至2014 年的一百年间,冰岛通过可再生能源替代化石能源实现的二氧化碳减排量总计达到3.5 亿吨。
 
      由于冰岛的供热和发电已经几乎完全来自可再生能源,所以,能源转型的任务焦点目前已经转移到交通能源转型,关键是如何用可再生能源替代汽柴油。 

      冰岛的目标是到2050 年完全摆脱对石油能源的依赖。主要的途径有生物燃料、电动汽车、绿色甲醇汽车和氢燃料电池。经过一些年的探索,该国目前最主导的发展方向是电动汽车。用电来驱动汽车,在冰岛而言,是减排效益最好的,因为所有的电力都是可再生资源生产的,几乎是二氧化碳零排放的。 

      在地热领域执着的科技创新

      在冰岛,地热的应用领域非常广泛。除了供暖和发电,地热能还广泛用于温室种植养殖业、工厂烘干、雪融化、洗浴与旅游服务等诸多产业。2015年, 全国的终端用热量大约是29 皮焦(相当于80.2 亿千瓦时),其中终端用热46.1% 用于居民供暖,40.9% 是商业服务,包括热水游泳池和融雪,此外还有7.1%用于渔业、3.6% 用于工业,温室大棚使用了2.4% 的热。
 
      冰岛的供热价格很低,仅仅2.3 欧分/千瓦时(约合人民币0.18 元/ 千瓦时),远低于丹麦的9.01 欧分/ 千瓦时、德国的7.04欧分/ 千瓦时。
 
      冰岛在长期利用地热过程中,摸索出一套科学高效的地热梯级利用方法:
 
      1.从地热井中抽出高温热水和蒸气,经分离后,蒸气带动涡轮机发电,作为第一使用阶梯;

      2.高温热水将引入的低温地表水(多为湖水)加热至80℃左右后输入市区,供民居和游泳池采暖与融雪之用,为第二使用阶梯;

      3. 冷却后的地热水含有大量对人体有益的矿物质,引入温泉疗养区用于洗浴保健,发展旅游,形成第三使用阶梯;

      4. 此后的地热水温度依然较高,经处理后通常用于绿色温室或鱼苗养殖厂供暖,从而形成第四使用阶梯。
 
      地热用于供暖
 
      在冰岛首都雷克雅未克,大规模地用热水进行家用取暖始于1930 年。第一个以地热为基础的社区集中供暖系统,共钻探14 眼井, 最大井深246 米, 水温87℃,自流量14 升/ 秒。从地热田至Laugarveitan 集中供暖系统的供热主管道长3 千米,将热水送到两个小学、一个游泳馆、医院主楼、公共建筑以及首都城区60 个家庭的房屋。
 
      1934 年—1955 年是社区集中供暖系统发展阶段。工程师Jón Þorláksson 于1926 年发起雷克雅未克地区建筑集中供暖系统的讨论。他后来于1933 年—1935 年期间担任雷克雅未克市市长,大力推进社区供暖系统。1943 年,一条连接地热田与城市区的长达18 千米的供热管线投运,成为雷克雅未克区域供热系统发展的里程碑事件。到1945 年末,已经有2850 户家庭连接到了这个区域供热系统中。1940年—1945 年,国家研究委员会支持发展高温系统内的钻探工作。1953 年,国会通过了一项法律,允许财政支出对钻探和建设地热井的总投资可高达80%。雷克雅未克发达的区域供热系统吸引其他城市和乡村的居民迁居到雷克雅未克,产生了大规模的迁居潮。直到现在,雷克雅未克及周边地区的人口占据冰岛的一半以上。后来,很多村镇也建设了大量地热供热系统。
 
      地热用于发电
 
      冰岛的电力70% 以上是水电。该国的水能资源丰富,而且冬季也没有明显的枯水期。但出于对能源安全的考虑,特别是气候变化加剧冰川融化将对水能资源造成较大的影响,冰岛很早就开始着手利用地热进行发电。并在实践中不断克服地热井发电所遇到的高温、酸腐蚀、有毒的硫化氢气体等技术问题,地热发电规模不断扩大。目前全国有7 个地热发电厂,装机容量超过60 万千瓦。
 
      冰岛的水电和地热发电成本都很低,如果换算成人民币,工业平均电价不到0.2 元/ 千瓦时。便宜的电力生产带动了以铝业为龙头的高耗能产业的发展。目前全国总电力的73% 左右用于工业,其中最主要是铝业,现在冰岛已经进入世界铝业生产大国的行列。该国可用于建设地热发电站的资源还有很多,只是限于本地电力负荷,没有得到充分开发。冰岛还考虑进一步扩大铝业规模,或者建设冰岛至英国的海上特高压输电线路,以进一步拉动岛内地热发电业务。
 
      地热用于温室大棚
 
      温室加热是冰岛最古老和最主要的地热能应用之一。冰岛气候寒冷,可耕地面积仅占国土总面积的1%,粮食、蔬菜、水果曾严重依赖进口。1924 年起,该国开始尝试建设地热绿色温室,发展生态农副业,获得成功。温室产品包括各种蔬菜(如西红柿、黄瓜和红辣椒等)和国内市场需求的各种开花植物(如玫瑰和盆栽植物等)。在1990 年- 2000 年期间,每年温室(玻璃密封)的总面积增加1.9%。在2002 年,温室总面积约为19.5 万平方米。其中,55%的温室被用于种植蔬菜,45%的温室被用于种植各种开花植物。温室生产的西红柿、黄瓜可满足国内70% 的市场需求。依靠地热温室种植,冰岛已成为欧洲最大的香蕉种植出口国。调查显示,冰岛每年温室种植消耗的总地热能约为940 太焦(约2.6 亿千瓦时,相当于3.6 万吨标煤)。大多数温室都位于该国南部,且都是用玻璃密封的。近年来,电照明应用的增加延长了植物的生长期,进一步提高了温室的生产率。近十几年来,冰岛温室种植的总产量不断增加,但温室的总面积却有所减少。
 
      20 世纪80 年代中期,冰岛开始开发地热养殖业,通过地热供热,鱼苗孵化和生长周期大大缩短,而且产量显著提高,这大大加速了冰岛渔业的发展。目前,冰岛已拥有热水鱼苗场50 个,年养殖鱼苗4000 多吨,捕鱼量近200 万吨,是世界人均捕鱼量最高的国家。
 
      地热塑造旅游业
 
      游泳池池水加热是冰岛重要的地热能利用之一。在该国约有160 个游泳池,其中,130 个游泳池利用地热能加热。大多数公共游泳池是全年开放的露天游泳池,游泳池主要用于娱乐和游泳训练。冰岛拥有火山口、熔岩流、热气孔、热泥池以及间歇泉等独特的火山景观。英语“间歇泉(Geyser)”一词即源自冰岛语。冰岛依赖独特的地貌和众多温泉疗养保健区,每年吸引着大量外国游客,2004年,赴冰岛旅游人数已逾百万。蓝湖温泉是著名的旅游胜地,但它并不是天然温泉,而是Svartsengi 地热发电厂的地热尾水形成的天然泻湖。电站开采的地热水在发电和供热之后,被排到周围由熔岩包围的低洼地上,低洼地有碱性的泉水,而废水和海水的成分近似,里面饱含钙、镁盐,遇到碱后,原来可溶性的钙、镁盐变成絮状的白色沉淀物,使岩石不能透水,洼地就成了个蓄水池。由于尾水仍有很高温度,常有员工在此泡温泉。1999 年,发电厂将尾水池正式改造为售票洗浴的蓝湖(Blue Lagoon)。改造后的蓝湖采用自动化设备调配热水与冷泉水比例,温度恒定,并由多个出口排出,保证整个湖的水温均匀。现在Blue Lagoon 是冰岛最有名的旅游区,每年的旅游人数不断增加。

      地热用于工业生产
 
      冰岛西部Reykholar 地区的海藻制造厂(Thorverk 公司)直接利用地热资源进行烘干。该公司通过使用专用的船只,收割西北部Breidafjordur河河底的海藻,再利用107℃的地热水对海藻进行烘干。该公司于1976 年建成烘干工厂,每年生产约2000 吨至4000 吨的墨角藻和海藻粉。在冰岛,还有企业利用地热能生产鱼干产品,主要包括咸鱼干、鳕鱼头、鳕鱼干和其他产品。烘干的鳕鱼头年出口量达1.5 万吨。宠物食品烘干是一个新兴起的行业,每年产量约为500 吨。
 
      冰岛南部Grimsnes 地区Haedarendi地热田的一个工厂,利用地热流生产商业上使用的液态二氧化碳,每年产量约2000 吨。
 
      道路融雪
 
      除了为建筑供暖之外,冰岛的地热还有一个特殊的供热领域——加热路面和融化积雪。这项工作是从20 世纪80 年代开始的。冰岛首都雷克雅未克市中心地区的人行道和街道地下安装了雪融化系统,该系统所消耗的能量主要来自地热供热系统的回流水。雷克雅未克地区雪融化系统的总面积约为55 万平方米,全国雪融化系统的总面积约为74 万平方米。冰岛凯夫拉维克机场的融雪跑道则是世界上利用地热融雪的典范。
 
      冰岛深钻计划
 
      为了探索深层地热能的开发技术,冰岛还发起了“冰岛深度钻孔计划(IDDP)”。这个项目的核心目的是,计划使钻井深度达到4000 米—5000 米,以了解“超临界含水液体”在400℃—600℃时的性状。
 
      IDDP 项目启动于2000 年, 由3 家冰岛能源公司和冰岛国家能源局共同发起。2005 年,能源联盟与国际科学基金会和美国国家科学基金会(NSF) 加入IDDP 计划。2007年—2008 年,又有一家国际铝业公司Alcoa Inc 和挪威石油公司加入。
 
      在开发第一个全尺寸的IDDP-1井时,曾计划使钻井深度达到4500 米。然而,由于意外钻至熔岩,钻井作业被迫终止。2010 年,对这口井进行的流量测试显示,它产生了约30 千克/秒的330℃过热蒸汽,压力为165 巴,大约相当于2 万千瓦的发电能力。
 
      第二口深钻井—— 雷克雅日IDDP-2 井的钻井作业于2016 年8 月11 日开始,于2017 年2 月1 日圆满完成,深度为4659 米,完成了所有初步目标。井底温度为427℃,流体压力为340 巴,达到超临界状态。以此建设地热发电厂,单井的发电规模可达5 万千瓦,是目前普通地热井发电能力的约10 倍。通过IDDP 计划,人类正在掌握更多深地科技,深层地热层的开发利用很有可能引起一场能源变革。

      交通能源转型的探索

      冰岛曾计划在2050 年之前把整个交通系统改造成依靠氢动力。2008年,该国曾投运氢燃料电池汽车,并投运第一艘氢动力商船。然而,2008年的金融危机对冰岛的氢燃料电池汽车发展造成很大影响。金融危机过后,其将零排放汽车的发展重点放在电动汽车方面。
 
      冰岛具备电动车普及的两大基础条件:75% 的人口居住在离首都雷克雅未克不到37 英里的范围内,其乡村地区由一条长为840 英里的环形公路串接,按电动车单次充电行驶里程数为40 英里计算,约用20 个充电站即可相连;此外,85% 的能源为可再生能源,主要为地热与水力。
 
      2009 年10 月,首都雷克雅未克城市环境和交通委员会成立一个特别小组,负责推广电动汽车在首都地区的使用和充电站的建立。该委员会主席Gísli Marteinn Baldursson 称,基于冰岛的绿色和可持续能源的发展,雷克雅未克有成为世界主要电动车市场的特定条件。特别小组的主要任务是负责制定电动车在该市得以广泛使用的时间表及付诸实施的具体办法。
 
      政府还鼓励电动汽车分时租赁。2014 年,电动汽车租赁公司 ElectricCarrental开始对外营业。
 
      冰岛政府对燃油征收很高的税收,这使得电动汽车等零排放汽车产生巨大的优势。
 
      2016 年,在电动汽车销量(插电式混合动力汽车)占本国汽车销量比重的全球排行榜中,冰岛以6.3% 的比例仅次于挪威,排名世界第二。
 
      用绿色甲醇替代汽、柴油燃料也是冰岛探索交通系统去碳化的尝试方向。地热电厂的热水伴生二氧化碳,形成一定的碳排放,于是冰岛的地热公司努力探索二氧化碳的捕集。创立于2007 年的Carbon RecyclingInternational(碳循环国际)公司将地热发电过程中伴生的二氧化碳进行捕集和再利用,用可再生能源制的氢气或化工行业副产的氢气与二氧化碳进行作用,制成甲醇,替代汽、柴油燃料,实现交通能源的近零碳。2014年,冰岛的甲醇年产能达到4000 吨,碳捕集量约6000 吨。 

      对中国能源转型的启示

      学习冰岛的理念,坚定能源转型的信心

      冰岛在环保意识和零碳理念的推动下持续推进能源转型,向世界展示了100% 可再生能源的可信情景,向世界提供了一个电力系统转型、供热能源转型和交通能源转型协同推进的系统性样本。中国的能源结构目前是以煤炭、石油和天然气等化石能源为主,但有着丰富的可再生能源资源,如风能、太阳能、水能、生物质能,以及海洋能。中国借鉴冰岛的经验,能够更加坚定能源转型的信心,可以考虑勇敢地设定100% 可再生能源的目标,加速能源转型。
 
      地热在中国能源转型中将发挥积极的作用
 
      2016 年12 月,中央财经领导小组要求推进北方地区冬季清洁取暖。在治理雾霾的共同愿景下,供热能源的去煤炭化正在加速。地热是一种可以快速、大规模替代煤炭的清洁能源。中深层地热井的单井供暖能力可以在10 万平方米以上。在河北省雄县、陕西省武功县等地区,中深层地热已经取代燃煤成为供热主体能源。雄县地热供暖面积已经达到450 万平方米,覆盖率超过95%。可以预测,在地热资源丰富地区,地热有可能成为供热的主体能源。
 
      今年4 月,中央提出建设雄安新区,已经采用地热供暖的雄县和容城县都在雄安新区内。以地热作为主体能源,实现雄安新区的清洁供热已经成为各方共识。雄县地热田面积300 余平方公里,是中国东部平原中地热水资源埋藏浅、温度高、水质优、资源丰富、开发利用条件好的地热田之一。雄安新区的地热开发将为中国供热能源转型和地热融入城市能源体系树立典范。
 
      科技决定能源的未来,科技创造未来的能源

      冰岛的各种化石能源都是匮乏的,但这恰恰使冰岛人民的科技创新愿望得到激发。通过在地热领域持续的科技创新,该国在地热供暖、地热发电、地热井二氧化碳捕集,乃至绿色甲醇领域创造了世界领先的科技水平,并进而创造了能源转型的奇迹。
 
      中国的地域、人口、能源规模都远远大于冰岛,能源转型的复杂程度肯定也远超后者。但制约中国能源转型的并不是资源,而是有效利用可再生能源的科学技术。中国在放眼全球,学习冰岛等国能源转型经验的同时,更要持续开展各领域的科技创新。中国这样的大国,应当为世界承担起能源转型技术研发者和引领者的角色。
 
      对地热技术的再思考

      (1)保护自然与改造自然的平衡。冰岛著名的温泉——蓝湖并不是天然温泉,而是地热发电厂的地热尾水排到火山熔岩形成的天然泻湖,它是一种人类技术改造后的自然,能否将其看作是人与自然关系的一种创新?在地热开发利用的过程中,如何处理保护自然与改造自然的平衡?

      (2)地热资源的可再生性。冰岛全国人口数只有33 万,面积为10 万平方公里。单位面积上的用能负荷很低,地热的水资源和热资源的恢复比较容易。但在中国,人口密度大,用能密度高出冰岛许多倍。中国有很多县,人口总量超过百万,是冰岛的数倍,但面积却只有1000 多平方公里,相当于冰岛的百分之一,更不要说人口高度密集的北京、天津这样的超大型城市了。在这些城市和乡村,清洁供暖如果采用地热,在地热资源的可持续性方面将面临巨大挑战,需要在地热开发时进行特别谨慎的考虑。

      (3)回灌问题。冰岛最初开发地热时,并不考虑地热水的回灌问题。但在中国,必须考虑回灌,现在冰岛也把回灌列入监管体系。应当说,回灌的技术标准和监管体系还远未完善,这在中国的地热开发中,是必须要着力解决的。

      (4)地热开采诱发地震问题。石油开发的钻井工程会影响地下的地质条件,进而会诱发地震,这已经众所周知。地热井因钻井深度超过2000 米,也对地层造成明显的扰动,已有的研究表明,地热井会诱发地震。但目前这方面的研究尚不足,也缺乏相应的技术标准。雄安新区的地热开发将需要建设大量的地热井,在规划建设阶段就必须考虑诱发地震因素,提前准备地层变化监测和地震监测体系,以备开展科学研究,制定相应技术标准和管理标准,最大程度减少地热开发诱发地震造成的不良后果。

      来源:《风能》杂志
 
 
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