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干热岩——未来清洁的新能源
地热能网 ( 地热+)   发布日期:2016-05-31  
[摘要]:摘要:随着全球化石燃料总量的减少及其开发利用带来的环境恶化程度加剧,可再生且无污染的能源倍受人们关注;但是气候的变化、
       摘要:随着全球化石燃料总量的减少及其开发利用带来的环境恶化程度加剧,可再生且无污染的能源倍受人们关注;但是气候的变化、季节的变换,在一定程度上给人们利用这些新能源带来诸多不便。因此,在有利的地区,开发利用无污染且少受诸如气候等外界条件变化干扰的新能源——干热岩,成了很多发达国家积极开展试验研究的新课题。干热岩开发利用前景十分诱人,科学家预测,2030年左右人类可以利用干热岩大规模发电。本文将主要介绍干热岩的基本特征、开发利用潜在价值、国内外试验研究现状、干热岩发电成本。最后,结合我国的实际情况,提出几点建议。

  随着人类对能源需求的不断增长,全世界的人们越来越担心传统矿物能源大量使用带来的资源枯竭问题和对环境的污染问题,并开始关注可再生且无污染的能源,如太阳能、风能、水能等。但是,这些可再生能源的开发利用受诸如气候等外界环境制约,不能稳定生产。尤其是资源丰富的水力发电,不仅受降雨量变化影响,而且还对流域生态环境产生不同程度的破坏。因此,各国科学家们都在不断探索,努力寻找各种不受外界环境影响、又对环境破坏和污染很小的新能源。发达国家试验研究表明,利用资源极为丰富的干热岩发电,几乎不受外界环境影响,几乎不对人类环境产生污染和破坏。而且干热岩这种能源取之不尽、用之不竭,被证明是对人类十分友好的未来洁净新能源。目前,国际上干热岩的开发利用还处于试验阶段;不过,科学家预测,2030年左右人类完全可以掌握必要的技术,利用干热岩大规模发电。

  一、干热岩的基本特征

  1.干热岩是一种特殊地热资源

  干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体,主要是各种变质岩或结晶岩类岩体;干热岩普遍埋藏于距地表2~6公里的深处,其温度范围很广,在150~650℃之间。在学术界,干热岩有时被称为“热干岩”,其英文名称为“Hot Dry Rock”。

  干热岩的热能赋存于岩石中,较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩以及花岗岩小丘等(Tenzer,2001)。一般干热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层。

  干热岩也是一种地热资源。但是,干热岩是属于温度大于150℃的高温地热资源,而且其性质和赋存状态有别于蒸汽型、热水型、地压型和岩浆型的地热资源。

  从现阶段来说,干热岩地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。

  2.干热岩的分布

  干热岩的分布几乎遍及全球,用一些科学家的话说,它是无处不在的资源(Duchane,1997)。世界各大陆地下都有干热岩资源。不过,干热岩开发利用潜力最大的地方,还是那些新的火山活动区,或地壳已经变薄的地区,这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。

  判断某个地方是否有干热岩利用潜力,最明显的标志是看地热梯度是否有异常,或地下一定深处(2000~5000m)温度是否达150℃以上。

  二、干热岩的开发利用价值

  1.干热岩主要用于发电

  目前,人们对干热岩的开发利用,主要是发电。美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术。

  干热岩发电的基本原理是:通过深井将高压水注入地下2000~6000米的岩层,使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量;再通过另一个专用深井(相距约200~600米左右)将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面;取出的水、汽温度可达150~200℃,通过热交换及地面循环装置用于发电;冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

  采热的关键技术是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。试验中,常用的地下热交换系统的模式主要有三种。

  最早的模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”,即通过人工高压注水到井底,干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙,水在这些裂隙间穿过,即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。

  第二种模式是英国卡门波矿产学校(Camborne School of Mines)提出的“天然裂隙模式”,即较充分的利用地下已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育,但另一方面当人工注水时,原先的裂隙会变宽或错位更大,增强了裂隙间的透水性。在这种模式下,可进行热交换的水量更大,而且热量交换的更充分。

  最新的模式,即第三种模式是在欧洲Soultz干热岩工程中由研究人员提出来的“天然裂隙-断层模式”。这种模式除了利用地下天然的裂隙,而且还利用天然的断层系统,这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战,即不需通过人工高压裂隙的方式连接进水井和出水井,而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。

  干热岩发电地面系统采用涡轮发电。

  目前,已有少数国家建有试验性干热岩发电厂,而且规模较小。建造一个干热岩发电厂一般需要5年时间,其使用寿命一般在15~20年左右。但是,受经济、技术等条件限制,干热岩发电尚未形成商业规模。

  2.干热岩是一种洁净的新能源

  干热岩的热能是通过人工注水的方式加以利用,而且在利用的整个过程中处于封闭循环系统。因此,干热岩的利用不会出现象热泉等常规地热资源利用的麻烦,即没有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物质出现。

  不仅如此,干热岩发电既不像火电那样,向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物;而且也不像水电那样,因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害。

  此外,干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。干热岩发电不像水电那样受水坝所在河流流域降水量多寡的影响,而且也不像火电那样易受市场上燃煤或油气价格变化的影响。

  3.干热岩热能取之不尽

  全球干热岩蕴藏的热能十分丰富,比蒸汽型、热水型和地压型地热资源大得多,比煤炭、石油、天然气的热能总和还要大。在较浅层的干热岩资源中,蕴藏的热能等同于100亿夸特(即quad,1夸特相当于18000万桶石油,而美国2001年能源消耗总量是90夸特)。这些能量是所有热液地热资源评估能量的800倍还多,是包括石油、天然气和煤在内的所有化石燃料能量的300倍还多(Tester,et al. 1989)。

  即使是在局部地区,干热岩的热能储量也十分惊人。例如,在美国芬顿山(Fenton Hill)干热岩Ⅱ期工程期间,恒定条件下,4年期间11个月的循环测试所获得的热能就高达1000亿个英国热量单位BTU(Duchane,1997)。

  干热岩是一种可再生能源,可以说取之不尽,用之不竭。目前,世界上众多经济较发达的国家对干热岩的发电研究方兴未艾。可以预见不久的将来,随着相关技术的迅速发展,利用干热岩所发的电能将会成为国家电网中不可或缺的重要部分。

  三、干热岩发电的试验研究现状

  早在1970年,美国人莫顿和史密斯就提出利用地下干热岩发电的设想。1972年,美国在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井,从一口井中将冷水注入到干热岩体,从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽,功率达2300千瓦,标志着干热岩的开发利用研究从概念模式转入到实验阶段。此后,这种发电技术引起了世界各国的关注,一些经济发达、能源消耗量大的国家竞相开展干热岩发电技术的研发工作,甚至纳入到国家开发研究计划。通过国际合作和各国不断努力,美国、日本、英国、法国、德国等国家在过去20年相继进行了有关方面的实验,基本掌握了干热岩发电各个环节的技术。随着技术的熟练,试验电厂的发电量也逐渐由3MW增大到11MW,更加接近商业开发的规模。

  1.各国试验研究现状

  (1)美国

  迄今在干热岩发电技术方面迈出最大一步的试验是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和能源部在新墨西哥州芬顿山进行的试验。该试验始于1973年,分两个阶段进行,共有110位科学家和工程师参加。在第二阶段,德国和日本的科学家也参与了进来。到1990年止,共投入3亿德国马克。最深钻孔达4500米,岩体温度为330℃,热交换系统深度为3600米,发电量由最初的3MW到最后的10MW。试验地选在火山地区,干热岩体为花岗闪长岩,每平方米的地热流值是地球表面平均地热流值的3倍,达250毫瓦。

  2001年,美国能源部终止了在芬顿山的干热岩试验项目,开始了名为“高级地热系统”的计划。

  最近,美国内务部长会同能源部长责令美国地质调查局建立一个关于干热岩的政府—私人间的部门合作计划。该计划要求美国地质调查局勘探、优选并划分出全美国不同利用潜力的干热岩地区,还要为干热岩的利用做些开发活动并发布相关信息。

  (2)英国

  英国卡波尔矿业学校(Camborne School of Mines)在Cornwall实施的干热岩研究项目是迄今世界第二大干热岩试验工程。项目始于1977年,先是在300米深度试验,后钻探的最大深度为2000米。试验岩体是花岗岩,地热梯度为35℃/km,每平方米热流值达120毫瓦,是英国最高的热流值。

  (3)日本

  自从1970以来,日本一直有计划、系统地研发干热岩发电技术,从而大大地推动了国际干热岩发电技术的进程。目前,日本已经有四个大的工程项目,各项野外试验仍在进行之中。

  从1980年开始,在日本的山形县,日本的通商产业省(MITI)资助了一项旨在研究干热岩发电技术可行性的项目。打了四个钻孔,深度在2000~2200m之间,岩体温度为250℃。分别在1991年、1995年、1996年进行了多次短期的水压测试。通过这些试验,探讨了通过人工压力在岩体上形成热交换系统的寿命长短。

  1988年,日本的教育部和几个私人机构资助了一项研究水-岩体间热交换项目,研究地点在岩手县,钻井深度为1500米,岩体温度达200℃。

  1988年,由电力工业出资,电力工业中央研究所(CRIEPI)实施了Ogachi工程。该项工程经过了1990年、1992年和1993年多次测试,1995年还进行了为期一个月的循环测试。

  (4)澳大利亚

  澳大利亚在2003年开始了一个有关干热岩利用的项目,项目的地点在库珀盆地,勘查结果显示在该盆地的热能储量高达500亿桶油当量(据澳洲metasource公司网站)。在4500米的深处,干热岩的温度就高达270℃。项目的开发商是成立于2000年的地球动力学有限公司。在2003年9月,该公司花了1160万澳元钻了第一口注水井,而且通过注水成功地在花岗岩上生成了一系列永久的连通空隙,并计划在2004年钻第二口井进行水循环与发电的试验。他们认为,如果这些技术可以发展成商业性的开采,那么就可以把干热岩的热能转换成电能,成为全国电力系统的一部分。

  此外,新南威尔士州政府也支持由澳洲国立大学属下公司在Hunter Valley开发的干热岩试验厂。

  (5)德国

  1977—1986年,由欧共体出资,德国联邦研究和技术部在巴伐利亚东北部的Falkenberg开展了一项干热岩研究。即在深度很浅的情况下,研究岩石的自身裂隙、水压产生裂隙的机制以及水在这些裂隙中的运移机理。

  自1987年以来,在阿尔萨斯地区地热能开发试验场,德国联合法国等国的力量对干热岩技术进行了深入研究,已打出两口深度分别为3500米和5000米的试验深井。结果证明,在非火山活动地区的一般地质条件下,可以应用该项技术,利用地热能稳定、可靠地提供电力。

  在德国南部施瓦本地区的小城乌拉赫,也将开始进行一项由德国联邦研究与技术部资助的干热岩试验项目。德国地热协会估计,德国至少有四分之一的电能需求将可以通过干热岩发电得到满足。

  在斯图加特附近的Bad Urach,早在1980年就为干热岩的研究钻了一口深为3500米的井,井底岩石的温度为147℃;该井在1992年钻深至4500米,岩石温度达170℃。目前,由于德国政府加大了在可再生能源方面的投入,因而会有2000万美元的资金用于干热岩电站的建设。2003年末已按计划钻出了第二口井,一个稍具规模的地下热交换系统已经形成,预计在2004年年中可以发电。

  (6)法国

  在法国阿尔萨斯州北部索尔茨·索斯·弗列的村庄,来自德国、法国、意大利和英国的科研人员实施了干热岩发电试验项目。该试验的资金由欧盟提供。试验地的干热岩体为裂隙发育的花岗岩,两口井深分别为3590m和3876m,井底温度在150~170℃之间。1997年对两口井进行了为期4个月的循环测试。此后,3876m的井钻深至5000m,基底岩石温度高达200℃。如果试验成功,这一欧洲地热开发项目将从2004年开始每年生产20兆瓦的电能,足够为一个人口大约五万的城市提供所需的电力。

  另外值得一提的是,法国的环境和能源管理机构在地热能开发计划中明确提到,对于可再生能源,该计划主要关注四个方面,其中首当其冲的是干热岩的开发利用潜力研究。

  (7)瑞士

  瑞士政府支持商业组织对巴赛尔和日内瓦两地的干热岩潜在区域进行勘察,并最终希望能开发利用5000米深处的干热岩热能。这个深度下岩石的温度接近200 ℃。

  (8)瑞典

  位于瑞典西海岸的Fjallbacka,在1984年就被设立为野外试验地,用于干热岩地下热交换系统开发研究,解决地质学与水文地质学问题。最初,这里钻了深度分别为200米、500米和70米的三口井,用于描绘预想中地下热交换系统的特征。

  2.国际合作计划

  最早的国际合作始于美国在芬顿山的干热岩Ⅱ期工程。在1980—1986年期间,德国和日本技术人员携带部分资金和相关技术参加到美国的干热岩研究之中,开创了干热岩领域多国协作研究的先河。

  此后,国际能源署(IEA)牵头实施了一系列有关地热利用的国际合作项目。在众多的地热利用国际合作项目中,与干热岩有关且最为重要的是“地热执行协议”(GIA)中一个时间跨度为4年(1997—2001)的重大计划——“干热岩行动计划”(Hot Dry Rock Task)。参与该计划的国家有澳大利亚、德国、日本、瑞士、英国、美国和欧共体。该计划由日本的新能源和工业技术发展组织(NEDO)担任总执行机构。该计划主要是为了对干热岩地热利用技术进行充分研究和开发,力争使干热岩的利用更为经济。该计划有四个子计划。

  子计划A是“干热岩经济模型的建立”,主要是通过对工程参数(如井深,地热流流速等)、资源特性(如地热温度梯度)、交换系统性能(阻抗、热水水位降低速度)、费用和经济参量的综合分析,计算出利用干热岩发电的总费用。

  子计划B是“传统地热技术在干热岩开发中的应用”,即回顾与总结最新的和今后可能采用的水平钻探技术、裂隙绘图技术以及在传统地热利用中所运用的高压泵技术,从而把相应的技术应用到对干热岩的利用上。

  子计划C是“数据的收集和处理”,主要是为今后建干热岩发电厂提供框架性数据,包括项目的计划、特殊工具和服务的适用性,以及回顾与总结世界上较大的干热岩试验工程中所取得的数据、数据分析结果和经验。

  子计划D是“对地下热交换系统进行评估”,该计划的目标是了解并弄清楚开发一个干热岩地下热交换系统,需要多少资金,需要多长时间,以及该系统可以持续利用多长时间。同时,该计划还要介绍一些可以对交换系统进行有效评估的方法、技术和工具等,从而可以找出适合任何一个新地方开发利用干热岩的最佳方案。

  四、干热岩开发利用前景

  1.干热岩发电成本

  干热岩发电厂的总成本取决于总的发电容量。1997年,美国能源部能效和可再生能源局在技术报告《可再生能源利用技术荟萃》对干热岩发电厂的总成本进行了评估。他们认为,对一个井深4000米、发电容量一定的电厂来说,若电厂满足以下条件,那么就可以对不同技术阶段的发电成本有个大致的了解。

  (1)采用干冷凝设备;
  (2) 经过热交换系统的水从地下到地面温度仅降低24℃;
  (3)地下热交换系统中裂隙的扩张可以提高出水的速度;
  (4)地下热交换系统的进水端压力能保持在3000psi(20684kPa),出水端压力保持在1000psi(6895kPa);
  (5)电厂所有进水井压力泵的工作效率可以达到80%,压力泵马达的工作效率可以达95%。

  干热岩发电的成本由三大部分组成。一部分是初期的勘探费用、土地的使用费、注水井和取水井的钻探费用、监测和跟踪岩石裂隙发育状况的费用(即地下热交换系统发育状况的跟踪费用);第二部分是为获取地下热能往井里所注水的水费和保持热交换系统压力平衡的注水泵费用;第三部分是建设地面二级循环系统——发电设备及电厂的费用。

  那么,建一个干热岩发电厂的总成本,在考虑项目费用(指的是电厂的管理费和启动费)每千瓦109美元后,就可以通过上述各项费用算出:
干热岩发电厂的总成本
时间 成本(美元/千瓦) 变化范围
1997年 5519 -6%~+23%
2005年 4756 -5%~+29%
2010年 4312 -4%~+34%
2020年 3276 -3%~+47%
2030年 2692 -3%~+51%
  目前,我国风电造价8000元人民币/千瓦,相当于不到1000美元/千瓦。与之对比,干热岩发电成本可能高一些。但是,我国物价低,未来我国干热岩发电成本不一定比风电造价高多少。随着技术进步,电价提高,未来20~30年利用干热岩发电应该是经济的。

  另外,德国在阿尔萨斯地区的试验结果表明,干热岩发电成本要远远低于太阳能光电池等其他发电成本。德国学者在综合考虑斯图加特附近Bad Urach干热岩试验基地的各种软、硬环境后认为,在当前向第二代技术过渡的阶段,该地电厂的运行成本是每度电8~10美分(据2003年Geodynamics Limited网站)。这个价格要比当前北京居民用电0.44元人民币/度的价格要高一些。但可以肯定的是,随着干热岩发电技术的成熟和大规模开发,干热岩发电的电价必定会与我国的火电、水电的电价不相上下,甚至比它们低。

  2.干热岩发电商业运行的可行性

  国际上,一些学者曾对干热岩发电何时进入商业运行做过分析。分析认为,若研发基金的投入能保持当前的水平、政府的能源政策允许、商业经验积累充分、能源市场供需良性发展,干热岩的发电技术再经历两个阶段后即可大规模投入商业运行。这两个阶段是:第二代技术研发阶段和技术成熟阶段。当前的技术以20世纪70年代的技术为基础,第二代技术的实现则会在2015年以后,技术成熟期的到来要在2030年以后。

  五、建议

  我国地热资源丰富,已广泛用于发电、纺织、印染、采暖、种植、养殖和医疗卫生等方面。然而,我国对地热资源的利用多局限于地热点、地热田的利用,对开发利用潜力巨大的干热岩却没给予足够重视。我国仅少数科研单位参与了部分干热岩国际合作研究。例如,在1993-1995年期间,我国国家地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所开展合作,在北京西南房山区进行了干热岩发电的研究试验工作。

  目前,国际上干热岩发电技术正在向第二代过渡。美国、法国、英国和日本等国家都建立了专门研发干热岩发电技术的机构,并投入巨资。我国可以紧紧抓住这次契机,开展干热岩开发利用技术研发工作。针对我国基本情况,我们提出以下几点建议供参考:

  1.论证并制定出干热岩开发利用技术研发规划

  国家责成有关部门和企业开展干热岩情报研究和干热岩开发利用论证工作,尽快制定出干热岩开发利用技术研发的中长期规划和计划;加大投资力度,多渠道投融资;成立专门研发事业机构、国家实验室,或者研发公司,对干热岩发电关键技术进行研发。

  2.支持和鼓励科学家参与国际合作与交流

  支持和鼓励我国科学家积极参与国际合作与交流,尽快掌握先进的干热岩发电技术;把石油勘探开发有关技术(如深钻技术、测井技术、注水技术等)、常规地热资源利用技术应用到干热岩发电试验工程中去,尽量利用已有技术和设备,缩短研发时间。

  3.国家地质工作要做好干热岩开发利用前期工作

  首先,利用有利条件,与有关科研部门和企业合作,在中国大陆科学钻探结束后,在探井附近200~600米范围内再打一口井,利用这两口井进行干热岩发电试验。

  其次,对全国地热梯度开展进一步的普查。探明干热岩体的埋藏地和深度,圈定哪些地区或位置存在干热岩开发利用的可能;在此基础上,进而确定哪些地方适合开展干热岩发电试验,并最终选择部分地区作为试点选区提出来。

  再次,利用现有地勘力量,与有关科研部门和企业合作,在试点区域率先做好地质条件的详查工作,为干热岩发电试验做好准备。热交换系统的形状、方位和内部结构由当地地质条件决定,在准备造干热岩热交换系统之前,非常有必要弄清楚当地的地质条件。
 
 
消息出处:中国地质调查局发展研究中心

 
 
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