取热不取水!地热开发利用的新模式新思路

山东诺铭智慧电力能源有限公司 / 2021-12-31

中国煤炭地质总局水文地质局党委书记、局长蒋向明的采访报道如下

记者:地热是一种清洁能源,国家有关部门非常重视。今年9月国家发展改革委、国家能源局等八部门联合发布了《关于促进地热能开发利用的若干意见》(以下简称《意见》),对地热能的综合利用具有里程碑意义。您对我国地热的发展现状和应用前景是怎么理解的?

蒋向明:当前,气候变暖是人类面临的最严峻、最紧迫的全球性问题之一。目前,全球二氧化碳等温室气体排放中,80%以上来自于化石能源的使用。我国向国际社会承诺实现碳达峰碳中和目标,首要任务就是促进清洁能源快速发展,减少对化石能源的过度依赖。

我国已经明确将地热能作为可再生能源供暖的重要方式,正在积极研究促进地热能开发利用的具体措施,加快营造有利于地热能开发利用的政策环境。这组数据印证了我国地热能产业发展取得的突出成绩:2020年我国地热直接利用装机容量达40.6吉瓦,占全球的38%,连续多年位居世界首位。其中,地热供暖装机容量7.0吉瓦,地热热泵装机容量26.5吉瓦,分别比2015年增长138%、125%。截至2020年底,我国地热能供暖制冷面积累计达到13.9亿平方米,继续保持世界第一。其中,水热型地热能供暖5.8亿平方米,浅层地热能供暖制冷8.1亿平方米。“十三五”期间,我国地热能以多种形式替代化石能源的作用逐渐显现,成为可再生能源非电利用的主要方式。

根据《意见》,到2025年,各地基本建立起完善规范的地热能开发利用管理流程,全国地热能开发利用信息统计和监测体系基本完善,全国地热能供暖(制冷)面积比2020年增加50%,在资源条件好的地区建设一批地热能发电示范项目,全国地热能发电装机容量比2020年翻一番;到2035年,地热能供暖(制冷)面积及地热能发电装机容量力争比2025年翻一番。另外,生态环境部等十部门和相关七省(市)人民政府10月联合发布的《2021-2022年秋冬季大气污染综合治理攻坚方案》指出,鼓励各地积极采用生物质能、太阳能、地热能等可再生能源供暖方式,大力支持新型储能、储热、热泵、综合智慧能源系统等技术应用,探索推广综合能源服务,提高能源利用效率。因此可以说,我国地热发展将迎来一个新的黄金发展期。

地源热泵技术是实现浅层地热供暖(制冷)的主力

记者:目前,我国地热能供暖(制冷)面积累计达到近14亿平方米,位居世界第一。《意见》提出“十四五”时期即到2025年,全国地热能供暖(制冷)面积比2020年增加50%,到2035年力争比2025年翻一番。您认为主要通过哪些技术可实现国家制定的目标?

蒋向明:浅层地热能一般是指深度小于200米、温度小于25摄氏度,中浅层地热能一般是深度200~1500米、温度25~40摄氏度,主要利用地缘热泵技术,实现供暖(制冷)。我国浅层地热能分布广泛、应用前景广阔。我国中东部共143个地级以上城市,是最适宜开发利用浅层地热能的地区,年可开采量折合标准煤4.6亿吨,可实现建筑物供暖制冷面积210亿平方米,可基本满足地区供暖制冷需要。

浅层地热能利用方式主要是通过地源热泵技术。这是一种利用浅层地热能源的低品位热源,既可供热又可制冷的高效节能的空调技术,实现对建筑物供暖、制冷、热水三联供系统的能源供给,是目前浅层地热能最主要的开发利用方式。地源热泵主要分为地埋管热泵、地下水热泵和地表水源热泵。

实践中我们在河北邯郸建设的河北工程大学4号能源站,夏季设计日峰值冷负荷为19979千瓦,冬季设计日峰值热负荷为15834千瓦,供暖面积为21万平方米。单能源站制冷量达到近20000千瓦的地源热泵项目在华北地区比较少见,为华北地区大规模使用地源热泵技术提供了技术支撑。

还有我们在河北定州农村煤改地源热泵技术,利用“一拖二拖三”或“二拖四”,实现规模化推广应用。“一拖二”即一个室外机带动两个室内机运转的机型,室外埋设1个地埋换热管,可满足60平方米制冷供热面积;“一拖三”满足90平方米制冷供暖面积,室外埋设2个地埋换热管;“二拖四”满足100平方米以上制冷供暖面积,室外埋设2个地埋换热管。

另外,我们在西部的宁夏和内蒙古地区利用“地源热泵+太阳能联合系统”开展浅层地热供暖示范工程,由于单供暖地区建筑热负荷较大,容易破坏地下温度场平衡,加入太阳能后,地源热泵在供暖季运行时土壤温度的波动相对较小,可保证联合系统的高效、平稳运行,开创了高寒地区“地热+太阳能”供暖模式,实践效果非常好。

在江浙和西南地区,水源热泵的推广应用也很成功。比如,四川营山医院供暖面积约12万平方米,空调总冷负荷约为9649千瓦,空调总热负荷约为4983千瓦,应用污水源热泵,冬、夏季应用污水处理厂的中水作为冷热源,为整个建筑群冬季供热、夏季空调制冷,实现该区域的恒温。

中深层地热“取热不取水”引领技术变革

记者:地源热泵技术有独特的优势,但也有占地面积大、易形成冷堆积、地源热泵系统在密度高规模大的城区建筑或者温度较低的寒带地区应用受到限制等弱点;而中深层地热又存在钻孔水量不足、干孔、砂岩回灌困难、区域水位下降套管腐蚀等问题,有什么新的思路和技术为中深层地热能的开发利用创造新的路径?

蒋向明:中深层地热能一般指深度1500~4000米、温度40~100摄氏度,属于水热型地热能,可用以满足温泉洗浴、供暖或一般工业需求。针对中深层地热能钻孔水量不足、干孔、砂岩回灌困难、区域水位下降、套管腐蚀等系列问题,我们转变思想,改进中深层地热采热技术,研发出“取热不取水”技术,为地热资源可持续发展探索出新方向。

实践中,我们在河北工程大学建设的“U型井”,垂直深度2500米,水平距离684米,就是“取热不取水”技术的典型案例。

其特点是:供暖初期和后期的中温天气,采用地热能供暖。供暖中期的寒冷低温天气采用地热能+燃气补充,该对U型井能够为7万~8万平方米的节能建筑物提供热源,每年可节约标准煤1040吨,可减排二氧化碳2725吨、二氧化硫8.8吨、氮氧化物7.8吨、粉尘70.7吨。而且,地热井不需要维护,不需要更换设备,使用寿命长,运行成本低,社会效益、环境效益、经济效益显著。通过技术创新,解决了砂岩回灌、钻孔水量不足等难题。

经过专家组鉴定,该项目取得三项成果:一是首次成功钻探了我国第一眼大口径长距离换热U型对接井,在我国中深层地热能“取热不取水”开发利用技术上取得重大突破;二是在不扰动地下热水系统实现保护性开采、提高地热供暖换热量方面取得系列科研成果,达到国内及国际先进水平;三是引领了我国北方地区地热供暖方式的变革,可作为中深层地热“取热不取水”技术重要的示范基地,值得在全国范围内广泛推广应用。

地热+多能互补是未来发展的技术创新新方向

记者:前不久发布的《2021-2022年秋冬季大气污染综合治理攻坚方案》鼓励各地积极采用生物质能、太阳能、地热能等可再生能源供暖方式,大力支持新型储能、储热、热泵、综合智慧能源系统等技术应用,探索推广综合能源服务,提高能源利用效率。您认为如何推进地热+综合能源系统技术体系创新?

蒋向明:关于综合能源服务,我们有自己地热方面的优势,多年前已经在推进,我们把它称为地热+多能互补技术。简单地说,就是根据地方能源整体规划,建设多种能源有机整合、集成互补的综合能源体系。

比如,我们的河北工程大学新校区项目,全校师生3万余人,除图书馆为一星绿色建筑外,其他均属于“三步节能”建筑。该项目总占地面积4098亩,一期建筑供热面积约78.2万平方米,空调面积为22.6万平方米,包括3个能源站、4个洗浴热水系统,日设计最高用水量490立方米,总投资约1.2亿,项目运营20年,采用PPP项目形式规划运营。

首先我们确定了规划原则:即总体规划、分布式实施,依靠技术先进、环境友好、经济可行原则,全面促进清洁能源有效利用;然后根据能源规划和地质条件确定能源方式:即浅层地热能、中深层地热能、燃气、生活污水和太阳能等五种能源。2018年初开始建设,2019年9月全部投入运行,实现了很好的经济、社会和生态效益,被评为绿色无烟校区和河北省重点示范工程。

此外,我们还在深入研究探索深层储能技术,就是将不稳定的太阳能等转化为稳定连续的地热能,弥补能源供需在时间/空间分布的不平衡;以及物联网供热技术,即构建物联网智慧能源系统,实现节能优化运行;还有高温地热发电技术,针对我国“十三五”地热发电仅完成既定规划目标的3.6%这一困局,积极研究地热发电技术,降低成本,加快地热发电的发展步伐,特殊地区还可以研究采用“取热不取水”技术发电。

总之,“十四五”是实现国家碳达峰、碳中和战略目标的关键时期。地热能是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源,我们要大力推进地热+多能技术,减少对化石能源的依赖,为实现“双碳”目标作出自己的贡献。