专题调研
2018年第23期:关于加快推进我省地热能开发利用的研究
2018年10月10日 点击 [281]


关于加快推进我省地热能开发利用的研究


省科顾委矿业经济专家组

 

我省作为我国最北部的高寒省份,冬季漫长寒冷,平均气温仅为-18~-7℃,每年供暖季在6个月以上,建筑供暖以热电联产和管网集中供热为主,需直接消耗大量煤炭。煤炭燃烧产生的挥发份使空气中的PM2.5浓度大幅提升,造成冬季空气污染严重。据统计,2016年哈尔滨市PM2.5年均值72.5微克/立方米,总体临近轻度污染。全年,空气质量超标84天,其中轻度污染57天,中度污染18天,重度及以上污染9天。如何降低污染物排放,减少雾霾发生几率已成为刻不容缓的一项重要工作。

就我省目前情况,改变能源结构,以清洁能源代替燃煤,从源头上防治大气污染,是减少冬季雾霾,改善空气质量的重要途径。地热能作为可再生的清洁能源,开发利用技术已日趋成熟。为此,省科顾委矿业经济专家组,结合省地矿局高寒地区地温能开发利用技术攻关成果,提出以下研究报告。

一、我省地热资源现状与潜力

目前,按照应用方式划分,可利用的地热资源主要包括:通过热泵技术开发利用的浅层地温能,通过人工钻井直接开采的深部地下热水以及深层干热岩等。

浅层地温能,指地球表层以下一定深度范围内由地球内部传导或者对流的热量以及太阳能辐射热量的综合体,具有储量大、分布广、利用适宜性强等特点,主要通过地源热泵或水源热泵方式用于建筑供暖、洗浴、种植养殖等,目前是我国地热资源中开发利用量最多、范围最广的能源类型。

2011年和2014年,在中国地质调查局和黑龙江省国土资源厅的支持下,黑龙江省地质矿产局分别开展了“哈尔滨市浅层地温能调查评价”和“黑龙江省主要城市浅层地温能调查”等2项基础性调查工作,初步评估了全省浅层地温能资源状况。

我省浅层地温能容量高的地域主要在两大平原中新生代沉积盆地内。经初步调查评价,哈尔滨市1330平方公里评价区内100米深度范围,浅层地温能每提取3度的资源量就相当于标准煤1986万吨,可减少二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等污染物排放约4998.76万吨;其它齐齐哈尔、大庆、绥化、佳木斯、鸡西、鹤岗、七台河、双鸭山等8个城市各选取100平方公里面积进行评价,100米深度每提取3度资源量累计相当于标准煤654.9万吨,可减少二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等污染物排放约1648.4万吨。上述调查评价仅为100米深度结果,如果深度加大,可利用资源量还将继续增大。

深部地下热水,暨传统的水热型地热资源,主要指地下水在多孔性或裂隙较多的岩层中吸收地热,其所储存的热水深度一般在1000米以下,经人工钻井提取后进行开发利用。

我省的水热型地热资源主要分布在松嫩平原的大庆、齐齐哈尔、绥化等中西部地区。自2007年起,我省围绕松嫩平原等地热资源赋存重点地区开展了大量的深部地下热水资源勘查工作,截止到2016年底,全省累计施工地热井188眼,发现地热田47个。其中,林甸地热田被评定为特大型中低温地热田,热储层主要为中生代白垩系沉积岩孔隙裂隙热储层,以各类砂岩为主,具有高热流、高地温、高地温梯度特征,地温梯度43℃/km,平均热流值71.36mW/m2,1000m深地温41—43℃,2000m深地温在71.6—82℃,地温场具环状分布特征,静态储量为1810亿立方米,热储存总量9.77×1015千焦。目前,林甸地热资源已被广泛应用于地热供暖、洗浴疗养、种植养殖等领域,取得了较大的经济收益。

此外依舒地堑、敦密地堑等地区也赋存着储量不等的热水资源。近年来,随着勘察工作的不断深入,其他地区也相继发现了可供进一步勘探的地热异常显示,绝大多数为沉积盆地型热储。

深层干热岩的开发利用在我国尚处在论证阶段。

二、我国地热能开发利用现状

(一)全国总体情况

自上世纪90年代以来,我国地热能直接利用总量持续攀升,并已经位居世界第一,被广泛应用于冬季供暖、夏季制冷、农业种植养殖、温泉旅游等各个方面。由于干热岩资源开发在深层物探、高温钻探等方面还存在很多技术难题,目前地热能应用主要为浅层地温能和深层地下热水。而深层地下热水开采和回灌受地质条件制约较大,目前也只在地热地质条件好和易回灌地区进行开发。近年来,随着热泵开采技术的日趋成熟,利用浅层地温能供暖在我国北方地区得到了快速发展,主要集中在北京、天津、河北、辽宁、山东等地区。据统计,截止2015年,全国利用地热能供暖的建筑物面积已达3.92亿平方米。

目前,我国浅层地温能资源在地热能应用中比例达58%,在供暖中比例更是高达79.4%,已成为地热能产业发展的重要途径。浅层地温能开发利用主要依托热泵技术,其原理是以岩土体或地下水作为低温热源,应用地热能交换系统,通过输入少量的电能,将低温位热源向高温位转移并输出,该方法是目前世界公认的最节能、环保的方式之一。按照热源种类划分,热泵可分为水源和地源热泵。水源热泵系统由于对地质条件要求较为苛刻,地下水回灌及可能带来的地下水环境问题成为限制其可持续利用的主要难题,目前只在少部分地质条件适宜地区进行应用(如沈阳市),所占比重不大;而地源热泵系统由于其完全封闭,在不影响地质环境的前提下进行热能采集,已成为国内提倡的首选方式,目前大部分地区的浅层地温能开发利用都是以地源热泵为主。

(二)北京市浅层地温能开发利用情况

京津冀地区地热能资源十分丰富。近10年来,北京市地勘局在地热勘查评价和应用技术研究方面不断加大工作力度,在传统地源热泵的基础上,应用水蓄能复合供暖、地热梯级利用、燃气锅炉调峰、浅深层地热联供等多项技术,在全市范围内开展地温能开发利用,取得了显著效果。先后实施了北京国际鲜花港地热综合利用项目北京汽车产业研发基地蓄能式地源热泵项目、北京城市副中心“两能”供热供冷热泵系统建设项目等一批大型供暖项目,极大推动了北京地区地热资源在建筑物冬季供暖等方面的应用。截止2015年,北京地区地温能供暖建筑面积已达到5000万平方米,占全市供热总面积的6.28%,是我国浅层地温能开发程度最高、用于建筑物供暖制冷规模最大的地区之一,“北京经验”也由此成为全国的一面旗帜。

三、我省地温能开发利用研究进展及前景

(一)我省地温能开发利用存在的主要问题

以往,传统地源热泵技术曾在我省哈尔滨等地区的部分建筑进行过尝试性应用,但由于缺少对省内地质条件的调查研究,忽略了我省位于高寒高纬地区,冬季气温更低、浅层地温能资源量和补给量偏小等客观因素,应用效果并不理想。存在的主要问题:一是浅层地温能资源量小。我省在200米处地层温度仅为7—10℃(北京为15℃左右),达不到供暖所需的资源开发条件。二是不可持续开采。200m以浅地温能由于自然补给量小,能量恢复缓慢,致使地温场温度逐年下降,无法维持冷热平衡,使用年限短。三是占地面积大,初始投资多。相比华北地区,我省冬季所需供暖热量更高,由于200米深钻孔单孔换热量较小,施工钻孔数量和占地面积均需成倍增长,初始投资更大;四是节能性较低,运行成本高。由于传统地源热泵技术在我省应用所获取的热量更小,如要达到冬季供暖温度,耗电量明显增加,运行成本明显高于燃煤供暖。

(二)我省地温能开发利用技术研究进展

地温能作为一种绿色地质资源,主要受气候、地形、地貌、地层、构造、地下水渗流等因素控制和影响。因此,对地温能资源的开发利用是一项以地质学科为基础的工作,前期地质参数的完整性、真实性直接决定供暖设计的合理性。

基于浅层地温能在我省的开发利用前景,黑龙江省地质矿产局从2014年开始,先后对比实施了“黑龙江省哈尔滨市浅层地温能供热工程试验及监测系统建设”“寒区地温能应用技术研究及工程试验”两个项目。前者是传统地源热泵技术在我省的试验性应用,后者是针对传统地源热泵系统在我省应用过程中浅层地温能热量来源不足、热传导效率降低、持续开发不够稳定、运行成本偏高等关键问题,通过对取热孔深度、取热管结构、材质和载热介质的循环方式进行改进,进而开展供热工程试验,探索适宜于我省的地温能开采模式。

经过2年多的研究试验,“寒区地温能应用技术研究及工程试验”项目共施工钻探6400米,在查清寒区800米深度内中深层地温能资源可利用储量、地温梯度、岩土体热物性参数、地温场热平衡等关键地质问题的基础上,对传统地源热泵技术进行全面改进,研发了适用于寒区建筑供暖的地温能开采新型技术,明确了适宜高寒地区的中深层地温能开采层段、开采阈值、热源井布局方式,实现了在换热孔孔深、取热管结构、材质和介质循环方式上的技术突破,改进了钻探工艺,研发了新型高效换热器

2017年,为进一步验证地温能供暖效果,确保新型技术应用的可行性,黑龙江省地矿局在松北区新建成1处3200平方米的单体建筑(包括办公楼1700平方米,15米举架高度厂房1500平方米,按照热负荷指标,可折合普通建筑供热面积7843平方米)作为新成立的“中国地质调查局浅层地温能应用推广中心黑龙江省分中心”研究基地,专门用于地温能供暖工程试验,从一个供暖季的运行情况和监测数据来看,试验效果非常理想。

通过与传统地源热泵技术应用项目实测数据进行对比,在成功突破技术瓶颈的同时,建设成本和运行成本均得到明显降低。两者具体参数对比情况见下表。

  哈尔滨地区寒区地温能应用技术与传统地温能开发利用参数对比表

开发方式

换热孔

深度

(米)

1万平米普通住宅所需孔数

占地

面积

(平米)

钻孔施

工投资

(万元)

估算总

投资

(万元)

热泵机组平均能效比(制热量/耗电量)

供暖运行成本

(元/平方米,电价按0.8元/度计算)

地温场

恢复方式

传统地源热泵技术

100-150

300

2800

125.4

350

2-3

45以上

夏季空调制冷、太阳能辐射

寒区建筑供暖地温能开采新型技术

400-800

10

480

100

330

4-6

25

地下深部热传导自然恢复、少量供冷

(三)寒区地温能开发利用技术应用前景

我省冬季供暖负荷高,取暖期长,相比国内其他地区,清洁能源供暖的任务更为艰巨,解决问题的难度更大。而我省地温能资源丰富,如能因地制宜的进行开发利用,将加快推动能源结构调整,有效改善冬季空气质量,缓解环境污染问题。黑龙江省地质矿产局研究的用于建筑供暖的地温能开采新技术,既传承了传统地源热泵技术节能环保的优点,又在地下热能高效采集、换热器建造、地热井钻探等方面取得了突破性创新,具有广阔的应用前景。

1. 高效、易维修、无隐患、占地少。该系统是针对建筑物的实际地质情况、水文环境、气候条件进行科学组合,建立与之相适应的地温能高效换热系统。有效解决了传统地源热泵技术施工钻孔多、占地面积大、造价高、稳定性差、不易维修等问题,占地面积减少了50—90%。

2. 采热效率高、运行成本低,投资回收期短。新研制的高效换热器将单位换热效率提高了200%—300%,换热器数量减少了80%,极大降低了运行成本。以哈尔滨市1万平方米建筑为例,运行成本为25元/平方米,是一般电供暖成本的50—60%,是燃煤热水锅炉供暖成本的68%,是集中供热成本的58%。虽然该供暖技术的初始投资较高,但是一般7—9年即可全部收回投资成本。

3. 普适性强。该系统是根据建筑物供暖需求,将地温能与建筑物热能进行实际调节转换,将地温能的无组织扩散变为有组织的经过特定用户向外散发。既不破坏所在地区环境,也不影响地热能向外扩散的总体强度。因此,只要有土壤的地方就适宜该技术的应用。

4. 用途广。该技术可广泛应用于公共建筑、工业厂房、住宅、温室、泳池供暖等不同使用功能的建筑。特别是对商场、学校、办公楼等用热时间相对集中的建筑,优势更加明显。

5. 使用寿命长。新研制的地温能换热器具有原位可修复性,并进行碳纳米防腐处理,其长效性有了根本性保障,经实验鉴定使用寿命可长达70年。解决了传统地源热泵技术循环液软管(PE管)不能修复,使用寿命短的问题。

6. 自动化程度高,维修费用低。该技术自动化控制程度高,可根据室外温度变化及室内温度要求控制机组启停,也可远程管理,无需专人看管,管理和维修费用均较低。

纵观以上优点,利用地温能供暖是目前经济、技术水平下较理想的清洁能源供暖方式。该项技术既不破坏地质环境,也无排放,具有极大的推广价值。尤其是在一系列电价政策、补贴政策陆续实行的背景下,应用前景十分广阔。

四、加快推进我省地热能开发利用的建议

我省地热资源较丰富,潜力巨大,但开发应用程度低,资源利用粗放,技术创新不足。作为高寒省份,建议我省高度重视地热资源的开发利用,统筹规划,加快科研与技术创新,尽快推进新型技术在我省的推广应用。具体建议如下:

(一)支持和推进寒区地温能应用技术攻关,尽快进行工程示范,并率先在哈尔滨市推广应用。在现有研究成果基础上,继续加快技术创新,推动高效换热器、高性能管网材料研发攻关,设立专项资金支持和推进技术成果的不断深入和完善。尽快选择一处规模性建筑开展大面积供暖示范,通过示范工程建设,取得项目运行的关键数据和技术参数,建立地温能应用技术体系和标准体系,确定地温能供暖项目运行模式,并率先在哈尔滨地区进行推广应用。

(二)加大基础调查评价力度,开展全省浅层地温能资源详查。在以往初步调查评价基础上,进一步提高全省浅层地温能调查工作精度,详细查清重点市(地)、县地下800米以内的浅层地温能资源特征、地质条件、地温场分布规律和可开发利用储量,建立全省主要城市浅层地温能热物性数据库,进行适宜性分区评价,为我省主要城市开发利用浅层地温能提供科学依据。

(三)统筹规划,推进创新,提高资源利用效率,因地制宜开发利用地热资源。根据资源调查评价结果,编制全省地热能开发利用规划,与产业布局、生态建设和城市发展相结合,统筹规划我省地热资源开发,不断提高地热资源的能源利用率和环保贡献率。具体如下:

1.在地下热水资源较丰富的中西部齐齐哈尔、大庆、绥化地区,由于其第四系厚度大,水文地质条件良好,有利于地下水开采和回灌,建议采用深部地下热水直供和浅层地温能热泵提热相结合的方式进行冬季供暖,重点要做好尾水处理和回灌问题。建议参考雄县经验,通过采灌均衡技术,在西部地区打造几个低碳环保特色城镇或城区。

 2. 在我省重点冰雪旅游区带上,由于其多处于我省东南部及北部多山地区,地热资源多为带状热储特征,深部地下热水资源分布不均且储量有限,建议在这些地方开发地热主要应用于温泉洗浴及休闲疗养,提增我省冬季旅游优势,延伸旅游产业链条。

3. 在哈尔滨等水热型资源贫乏的城市地区,建议主要应用地源热泵技术,提取浅层地温能,并在极寒时段与其他供热方式(如热电联产等)联合进行冬季供暖。

(四)出台相关政策,支持鼓励地温能供暖项目。参照其他省市的经验做法(以北京为例:一次性补助初期建设费用30—50%),出台相关政策、法规,支持和鼓励应用寒区地温能建筑供暖技术。如可以按照建筑面积给予财政补贴;实行优惠电价;减免项目建设供热配套费;予以税收优惠等,通过降低前期投资成本,推动新型供暖技术的应用。

(五)探索和建立有效合理的运行模式。经调研,目前国内在地热能开发利用方面比较成熟,可供我省借鉴的运行模式主要有北京模式和雄县模式。北京模式由北京市地勘局作为技术支撑,负责地热资源调查与研究,提供项目设计施工服务,同时还积极参与政府建设的项目投资;雄县模式采用政府与企业合作的形式,授权有实力的企业整体开发区域地热资源,负责投资—建设—运营。由于我省城市规模较大、气候及地质条件相对特殊、地热能开发应用技术瓶颈较多,建议按照北京模式,由黑龙江省地质矿产局作为技术支撑单位,先行开展地热资源勘查、适宜性分区、应用技术研究等基础性工作,并在全省范围内进行技术推广和应用指导。进而采取政府和社会资本合作的PPP模式,通过与国内知名的地热开发企业合作,由政府制定规划并出台优惠政策,由企业出资进行建设运营,加快推动我省地热能产业的建设发展。

总之,黑龙江省是地热资源大省,地热资源非常丰富,如能加大科研攻关力度,采用新型技术因地制宜的开发利用地热能资源,在全省冬季建筑供暖等方面进行推广应用,将加快推动我省的能源结构调整,实现节能减排,对于改善冬季空气质量,减少环境污染具有重要的战略意义。

作者:王  逊   省地矿局副局长、研究员级高级工程师

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