淺析地熱資源的開發(fā)利用

  隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，人們在享受富裕生活的同時，對生態(tài)環(huán)境的要求也越來越高。近幾年揮之不去的霧霾，已成為政府治理環(huán)境污染的一大障礙，威脅到了人民群眾的身心健康。有效控制和降低霧霾不僅是人民群眾的強烈意愿，也成為考驗政府執(zhí)政能力、建設(shè)服務(wù)型政府的重要內(nèi)容。根據(jù)監(jiān)測分析，2013年西安全年空氣污染天數(shù)達到227天，以PM2.5為首要污染物的天數(shù)達138天，占60.8%，PM2.5污染物約有1/4來自燃煤排放，在冬季采暖季尤為明顯。為此，陜西省委、省政府提出要把鐵腕治霾作為一項政治任務(wù)強力推進，要求關(guān)中五市一區(qū)2014年減少1000萬噸燃煤消耗量。在環(huán)保重壓之下，各地大力推進燃煤鍋爐“煤改氣”，從供暖方式上減少煤炭使用量是治污減霾的重要方向。與燃煤鍋爐相比，燃氣鍋爐能效比較高，污染物排放較少。但燃氣鍋爐也有弱點，一是使用成本和安全要求高；二是受天然氣供應(yīng)量影響大，有的地方鍋爐改造完畢，卻連調(diào)試用的天然氣都沒有；三是仍有二氧化碳排放。況且，天然氣與煤炭一樣屬于常規(guī)能源，都是不可再生的一次性能源，把這種有限且珍稀的資源規(guī)模化應(yīng)用于城市供暖，其運行并不經(jīng)濟，還會造成資源浪費，加速資源枯竭。

 

  因此，尋找其他可再生的新型清潔能源成為擺在我們面前的現(xiàn)實任務(wù)。

 

  開發(fā)利用地熱能有良好的社會、環(huán)境效益

 

  為了尋找可再生的新型清潔能源，科學(xué)家做了廣泛的嘗試。風能、太陽能等可再生能源，受地域、天氣、季節(jié)變化影響大，難以全方位、全天候應(yīng)用。核電站技術(shù)日臻完善，但建設(shè)成本大，有一定的安全風險。水電資源豐富，但易受氣候條件制約，枯水期無法全負荷運轉(zhuǎn)，且存在引發(fā)地質(zhì)變化的可能和難以避免的生物生態(tài)環(huán)境問題。這樣，地熱逐漸進入了人們的視野。

 

  地熱來自于地球內(nèi)部，地核散發(fā)的熱量透過地幔的高溫巖漿傳達至地殼形成“地熱能”。常見的地熱依其儲存方式，可分為３種類型：第一種是水熱型，稱為熱液資源，統(tǒng)稱為地熱水，指地下水在多孔性或裂隙較多的巖層中吸收地熱，其所儲集的熱水及蒸汽，經(jīng)適當提引后可為經(jīng)濟型替代能源，即常見的地熱水、溫泉，其開采歷史悠久。第二種是土壤熱源型，地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。第三種是熱巖型，稱為干熱巖資源，指淺藏在地殼表層的熔巖或尚未冷卻的巖體，可以人工方法造成裂隙破碎帶，再鉆孔注入冷水使其加熱成蒸汽和熱水后將熱量引出。其中第二、第三種類型不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層深層、近乎無限的可再生能源，使得地熱能成為清潔的可再生能源的一種形式，其開采技術(shù)近年來獲得突破。

 

  地熱資源是礦產(chǎn)資源的一部分。以往人們對地熱的認識很單一，只是針對地熱水。2004年12月，陜西省人民政府與國土資源部合作開展的《陜西省關(guān)中盆地地熱資源調(diào)查評價》項目，歷時4年共投入項目經(jīng)費2500萬元，其對陜西省地熱資源普查也僅僅限于地熱水。根據(jù)普查結(jié)果，關(guān)中地區(qū)地熱資源居陜西省之冠，而西安一帶的地熱資源又居關(guān)中之冠。由于地熱水資源的形成與地質(zhì)構(gòu)造、水文等客觀條件有著密切的關(guān)系，所以西安地區(qū)擁有的豐富地熱資源堪稱是大自然的慷慨賜予。然而，地熱水是不可再生的，賦存有限，用一點少一點，還會帶來地下水受污染等風險，必須采取措施加以保護，嚴格控制開發(fā)。目前西安地區(qū)的地熱井總數(shù)已達140口左右，其中有90口左右集中在市區(qū)，不少地熱井出現(xiàn)水位下降，最深的地熱井甚至打到了4000米左右。實際上，當地熱井取水深度超過150米，其耗能將逼近加熱冷水的資源損耗，已經(jīng)喪失經(jīng)濟運行價值。因此，對于西安的地熱水資源需要科學(xué)評估，合理利用，防止因過度開采而耗盡。

 

  現(xiàn)在，我們需要很好地認識和了解地熱資源——土壤熱源和熱巖資源。

 

  地熱是蘊藏在地球內(nèi)部的一種巨大的“綠色能源寶庫”，具有可持續(xù)和可再生等特點，不僅資源儲量大，分布廣，還是一種新型清潔能源，開發(fā)利用地熱能具有良好的社會效益、環(huán)境效益，市場潛力巨大，發(fā)展前景廣闊。早在1970年，地質(zhì)部部長李四光就提出“地下是一個大熱庫，是人類開辟自然能源的一個新來源，就像人類發(fā)現(xiàn)煤炭、石油可以燃燒一樣”。地熱是唯一不受天氣、季節(jié)變化影響的能源，最大優(yōu)勢在于其安全性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和利用率高，具有清潔、低碳、可再生等特點。積極開發(fā)利用地熱能對緩解我國能源資源壓力、實現(xiàn)非化石能源目標、推進能源生產(chǎn)和消費革命、促進生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。

 

  按照現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)的可能性，地熱資源的范圍一般指在地殼表層以下5000米以內(nèi)地層和巖石所含的熱量。按照埋藏深度，200米以內(nèi)的屬于淺層地熱能，稱為土壤熱源，溫度大約在25攝氏度左右。隨著深度增加，正常狀態(tài)為埋深每增加100米，溫度升高3攝氏度。埋深200米~3000米的屬于中層地熱，溫度在65～150攝氏度之間，埋深3000米以上深層沒有水或蒸汽的熱巖體屬于深層地熱，溫度在150～650攝氏度之間。習(xí)慣上將土壤熱源之外的地熱統(tǒng)稱為干熱巖。

 

  據(jù)測算，我國在較淺層的干熱巖資源中，蘊藏的熱能是包括石油、天然氣和煤在內(nèi)的所有化石燃料能量的300倍還多，地下3000米～10000米深處干熱巖資源相當于860萬億噸標準煤，是我國目前年度能源消耗總量的26萬倍。最重要的是，干熱巖系統(tǒng)的排放幾乎為零，無廢氣和其他流體或固體廢棄物，可維持對環(huán)境最低水平的影響，最大程度地緩解氣候變化壓力。

 

  我國幅員遼闊，地下蘊藏的地熱能極其豐富并且遍布各處，與其他幾種新能源相比，其具有穩(wěn)定性高、品質(zhì)好、儲藏量高、遍布區(qū)域廣、可再生等優(yōu)點，并且未被大量開發(fā)。因此，地熱能開發(fā)利用逐漸成為了新能源產(chǎn)業(yè)中最具開發(fā)潛力、最具有市場空間、最具有經(jīng)濟社會效益的產(chǎn)業(yè)。

 

  土壤熱源與干熱巖應(yīng)用技術(shù)對比

 

  目前在西安已有針對土壤熱源和干熱巖兩種地層地熱應(yīng)用的成功案例，特別是干熱巖供熱技術(shù)，經(jīng)過科技人員多年研發(fā)已取得重大突破。    一是利用土壤熱源供暖。西安市內(nèi)某小區(qū)因市政熱力管網(wǎng)沒有到達，建成數(shù)年無法供暖。通過運用地源熱泵技術(shù)，在小區(qū)周圍共鉆探741個埋深200米的換熱孔，通過地源熱泵吸附25攝氏度左右的土壤熱源，解決了13.82萬平方米住宅建筑面積供暖問題。

 

  地源熱泵的優(yōu)點是：環(huán)保節(jié)能，不使用煤炭、天然氣，不產(chǎn)生廢氣、廢渣；安裝使用相對靈活，不受市政管網(wǎng)輻射的限制；可以提供供暖、制冷、解決部分生活熱水，一機多用。其缺點是：換熱孔施工需要較大的空間，在建筑密度高的區(qū)域無法大面積實施，難以規(guī)模化發(fā)展，由淺層土壤熱源吸熱，需要消耗一定電力。

 

  二是利用干熱巖熱能供暖。西安市內(nèi)某大廈商住樓項目，通過運用干熱巖供熱技術(shù)，在市區(qū)街道紅線內(nèi)鉆探3個直徑200毫米、埋深2000米的換熱孔，吸附65攝氏度左右的干熱巖熱能，滿足了28層3.77萬平方米建筑面積供暖需要。該項技術(shù)通過鉆機向地下干熱巖層鉆直徑200毫米、埋深2000米的換熱孔，給孔中安裝密閉的金屬換熱器，在換熱器內(nèi)充滿換熱介質(zhì)——軟化水，通過換熱器管壁傳導(dǎo)將地下深層的熱能導(dǎo)出，再通過循環(huán)系統(tǒng)向建筑物供熱，能量來自地下，效率更高，經(jīng)濟效益、社會效益顯著，治污減霾成效更加突出。

 

  干熱巖供熱技術(shù)具有以下特點：

 

  一是占地空間小。鉆孔位置的選定比較靈活，可不受場地條件制約。二是綠色環(huán)保。無廢氣、廢液、廢渣等排放。三是保護水資源。系統(tǒng)與地下水隔離，不抽取動用地下水。四是高效節(jié)能。新材料的使用提高了吸熱導(dǎo)熱效率，一個換熱孔可以解決1萬～1.3萬平方米建筑的供暖。五是系統(tǒng)壽命長。換熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命可與建筑壽命相當。六是安全可靠?？讖叫?，埋管深，系統(tǒng)穩(wěn)定，地下無運動部件，對建筑地基無任何影響。七是投資成本低。向地下中、深層取熱，增加單孔取熱量，擴大供熱面積，可減少鉆孔數(shù)，降低開發(fā)成本。以100萬平方米建筑面積一個采暖季（4個月）為例來分析一下。

 

  能源消耗對比：采用干熱巖供熱技術(shù)需要消耗部分電能，折合成當量標準煤約為5400噸；采用燃煤鍋爐消耗標準煤量1.6萬噸，比干熱巖供熱多消耗標準煤約1.06萬噸。

 

  排放物質(zhì)對比：干熱巖供熱技術(shù)消耗少量電能，不產(chǎn)生廢棄物，零排放；燃煤鍋爐二氧化碳排放量約4.3萬噸、二氧化硫排放量約136噸。    投資運行對比：與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐相比，干熱巖技術(shù)應(yīng)用前期投入低20%左右，正常運行及維護費用低35%左右。

 

  地熱能技術(shù)應(yīng)用需要大力扶持和推廣

 

  地熱能作為可再生的新型環(huán)保清潔能源，也是一種特殊礦產(chǎn)資源。地熱資源的應(yīng)用潛力巨大，隨著技術(shù)進步，不斷擴大使用范圍，將會創(chuàng)造一種全新的能源利用形式，不僅可以優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，節(jié)約資源，而且治污減霾效果突出，環(huán)境效益十分顯著?？茖W(xué)開發(fā)利用地熱能會給人類社會發(fā)展帶來巨大好處。僅從利用地熱能供暖測算，若實現(xiàn)利用地熱能供暖1000萬平方米面積，每年可節(jié)約標準煤約59萬噸，減排二氧化碳約160萬噸，二氧化硫約5000噸，氮氧化物約4900噸。

 

  我國十分重視推進地熱資源利用。早在2008年12月國土資源部就發(fā)出了《關(guān)于大力推進淺層地熱能開發(fā)利用的通知》，指出“要加強組織領(lǐng)導(dǎo)，抓好技術(shù)培訓(xùn)，制定優(yōu)惠政策，實行規(guī)范管理，促進淺層地熱能開發(fā)利用工作健康發(fā)展?！?/div>