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全球地热能开发现状及发展趋势
发布日期:2021-06-09 19:16   来源:未知   阅读:

  地热能是蕴藏在地球内部的热能,具有储量大、分布广、绿色低碳、可循环利用、稳定可靠等特点,是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。地热能开发利用可减少温室气体排放,改善生态环境,有望成为能源结构转型的新方向。

  地热能资源储量丰富,分布广泛但不均衡。国际能源署、中国科学院和中国工程院等机构的研究报告显示,世界地热能基础资源总量为1.25×1027焦耳(折合4.27×108亿吨标准煤),是当前全球一次能源年度消费总量的二百万倍以上(当前全球一次能源消费总量按200亿吨标准煤计算)。全球地热能主要集中在4个高温地热带上,分别是:大西洋中脊地热带,东非裂谷地热带,环太平洋地热带以及地中海—喜马拉雅地热带。

  目前世界上已超过30个国家设定了各自的碳中和目标时间。能源系统转型被视为经济脱碳的关键驱动力,加快能源转型、发展清洁能源成为各国应对气候变化的重要选择,多国的碳中和承诺为全球地热产业发展提供了契机。

  我国是地热资源大国。近年来,在能源革命、大气污染治理、北方清洁供暖的大背景下,地热能在我国能源系统中发挥着日益重要的作用。

  本文在总结全球地热资源开发近况基础上,梳理世界多国发展地热产业的政策机制,并分析全球地热市场在研发技术、开发模式、参与主体等方面的发展动向,为地热行业未来发展提供参考。

  按照空间分布和赋存状态,地热资源可以分为浅层地热资源、水热型地热资源、干热岩地热资源。其中,水热型地热资源又分为高温和中低温地热资源(见图1)。不同类型地热资源利用可分为直接利用和发电利用两类。

  地热直接利用包括供热、制冷、烘干、温泉洗浴等。近年来,全球直接利用地热能的国家数量不断增加。根据2020年世界地热大会的统计,2020年直接利用地热能的国家/地区已从1995年的28个增至88个(见图2)。

  截至2020年,全球地热直接利用折合装机容量为1.08亿千瓦,较2015年增长52%,地热能利用量为1020887太焦/年(约合2835.8亿千瓦时/年),较2015年增长72.3%。地热直接利用装机容量世界排名前五的国家分别为:中国、美国、瑞典、德国、土耳其;地热能利用量排名前五的国家分别为:中国、美国、瑞典、土耳其、日本(见图3)。

  按类别划分,地源热泵是全球地热直接利用最主要的方式,地源热泵供热制冷,主要分布在北美、北欧和中国等地区,到2020年地热能利用量占比约为58.8%。温泉康养方面,包括洗浴、游泳、娱乐等,具有很高的附加值,虽然没有政府的主动推动,却一直在自发地迅速发展,地热能利用量占比约为18%。空间供暖(其中绝大部分是区域供暖)的地热能利用量约占16%,主要集中在中国、冰岛、土耳其、法国、德国等国。此外,温室供暖的地热能利用量约占3.5%,工业应用约占1.6%,水产养殖池塘供暖约占1.3%,农业干燥占0.4%,融雪和冷却占0.2%,其他方面占0.2%(见图4)。

  国际能源署预测,到2035年、2040年,全球地热直接利用装机容量将分别达到500吉瓦和650吉瓦。

  我国地热直接利用装机容量和直接利用量连续多年居全球首位,对地热能的直接利用主要集中在供暖、制冷、养殖、洗浴等方面。上世纪90年代以来,北京、天津、保定、咸阳、沈阳等城市开展中低温地热资源供暖、旅游疗养、种植养殖等直接利用工作。本世纪初以来,热泵供暖(制冷)等浅层地热能开发利用逐步加快发展。截至2019年底,我国浅层和中深层地热能供暖建筑面积超过11亿平方米。

  地热发电是地热能利用的重要方式。与其他可再生能源发电技术相比,地热发电的机组利用率高、度电环境影响小、成本具有竞争性(见图5),且不受天气条件的影响,可提供基荷电力。

  近年来,全球地热发电市场不断增长。根据国际能源署数据,2019年全球地热发电量达到91.8太瓦时,同比增长3%(见图6)。

  在2020年疫情冲击下,地热发电增长受到一定影响。根据ThinkGeoEnergy数据,2020年全年全球新增地热发电装机容量202兆瓦,其中土耳其新增168兆瓦,贡献了绝大部分的装机增量。截至2020年底,全球地热发电装机达到15608兆瓦。其中,美国地热发电装机3714兆瓦,居世界首位,其次是印度尼西亚、菲律宾、土耳其和新西兰。地热发电装机排名前十的国家占到全球地热发电装机总量的90%以上(见图7)。

  2015~2020年间,全球地热发电装机增长约27%,土耳其、印度尼西亚、肯尼亚带动了全球地热发电装机的增长,上述三国新增地热发电装机分别为1074、998、599兆瓦。在此期间,比利时、智利、克罗地亚、洪都拉斯和匈牙利相继进入利用地热发电的国家之列。

  虽然目前地热发电仅占全球非水可再生能源装机的比重约为1%,但由于机组利用率高,地热发电贡献了非水可再生能源发电总量的3%以上。在资源条件适合的地区,地热发电在电力平准化成本上可以和其他可再生能源媲美。许多国家正在加快进入地热市场,特别是欧洲国家。以德国为例,德国已拥有37座地热发电设施,并计划在未来数年里新增16座地热发电以及供热设施。

  为实现国际能源署可持续发展情景(SDS)的发展目标,即将全球平均温升控制在2摄氏度以内,到2040年,全球地热发电装机容量将增至82吉瓦,地热发电量将增至553太瓦时,分别是当前水平的5倍以上(见图8)。

  我国在上世纪 70 年代初建设了广东丰顺、河北怀来、江西宜春等7个中低温地热发电站,在1977 年建设了西藏羊八井中高温地热发电站。西藏羊易16兆瓦地热发电项目作为当时世界上海拔最高、国内单机容量最大的地热发电机组于2018年10月实现并网发电。“十三五”期间,国内地热发电新增装机容量18.08兆瓦,占到“十三五”地热新增装机规划的3.6%;全国在运地热发电总装机量为44.56兆瓦,占到规划装机容量的8%左右。

  地热资源国多通过颁布专门的法律法规、设立相关部门等措施对地热产业进行规范和指导,从制度上推进地热资源的开发利用。

  冰岛地热产业由国家实施统一管理,管理机构包括国家能源局、国家地质勘查局和冰岛能源公司。国家能源局负责地热能源勘察和开发政策的制定;国家地质勘查局负责为冰岛政府和相关产业提供地热科学利用方面的技术服务;冰岛能源公司负责全国地热资源勘查、开发、生产与经营。冰岛先后出台了一系列法律,包括《地下资源研究和利用法》《自然资源保护法》《环境影响评估法》《能源法》等,对地热产业链进行监督管理,保障地热资源勘探、开发及利用等各个环节合理、有序。

  美国通过《地热蒸汽法》,将地热资源定义为“地热蒸汽及其他气体与热水、其他副产品”,确立地热能法律属性,并将地热资源从各州收归联邦内政部统一管理,明确管理权责主体,以此规范地热资源管理、提高资源利用效率。此外,美国还通过地热租约权限和权利金(资源补偿费)调整两种手段进行监管。对地热资源的开发利用规定了严格的标准,赋予业绩稳定的项目运营企业优先权,租约期限最长可达80年;根据项目开发情况对权利金费率进行调整,从而实现对运营商地热项目的动态监管。

  日本2011年福岛核事故后积极推广可再生能源的政策引起部分民间企业发展地热资源的兴趣,但由于需要投入庞大时间、金钱及人力,以及当地不少温泉经营者担心地热开采会对温泉资源带来冲击,日本地热产业发展初期遭遇到很大困难,地方政府对地热产业管理能力有限,常常陷于商业发展与地方居民权益保护的两难之中。日本石油天然气?金属矿物资源机构(JOGMEC)是进行地下资源探查、开发的独立行政法人。该机构于2016年成立了地热资源开发咨询委员会,协助政府针对地热发展制定法规、计划,提供专业知识咨询服务并促成开发商与地方政府的沟通协调,使地热发展计划能够执行得更加顺畅。

  菲律宾在地热能开发之初,除了引进地热发展先进国家技术外,还通过总统令规范政府与私人公司以BOT形式合力开发地热资源的合约框架,包括限制地热开发公司的外国持股额度必须在40%以下等内容,以便管理并有效开采地热资源。2020年10月,菲能源部部长宣布,为使菲律宾转向更加灵活的可持续电力系统,以适应技术创新需求,将从地热项目开始,逐步放开新能源领域外资的限制。根据菲能源部签署的通告,外国投资者将被允许在菲律宾大型地热勘探、开发和利用项目(投资额大于5000万美元的项目)中拥有全部所有权。外国投资者可以通过与菲政府订立财务和技术援助协议,并经总统签署批准后,开展大规模的自然资源勘探、开发和利用。

  为了更好地管理地热行业,推进地热能源的应用,印尼国企部计划在2021年合并三家国有地热公司PT Geo Dipa Energi,PT Pertamina Geothermal Energy (PGE)和PT PLN Gas and Geothermal (PLN GG),其中,PT Geo Dipa Energi隶属于印尼财政部,后两者分别是印尼第四大国企国家石油公司Pertamina和第一大国企国家电力公司PLN的子公司。根据印尼能源和矿业部数据,这三家公司合计地热电站装机容量为1022.5兆瓦,占全国总装机容量的近一半,规划中的合资公司就装机容量而言将成为全球最大的地热企业。合并将使三家公司更好地管理人力资源、合并资本和执行政府的地热规划。

  为促进地热资源开发利用,多国设定了地热发展目标,如地热发电装机目标,地热发电量目标等,或通过法案规定地热等可再生能源在国家能源消费结构中必须占一定比例。

  希腊将地热能视为国家能源结构的重要组成部分。根据希腊政府制定的2030年可再生能源发展计划,到2030年,可再生能源在最终能源消费中的占比将达35%,届时地热发电装机将达100兆瓦。

  2021年1月,印尼能源和矿产资源部启动了2020~2029年电力供应商业计划草案的制定工作。该计划旨在到2029年,将印尼的可再生能源发电占比提升至23%,其中,地热能新增发电装机为3552兆瓦。印尼政府表示,地热能是实现其可再生能源目标的关键要素,并计划于2021~2024年间,对其国内20个拥有地热资源的地区进行勘探,包括爪哇、巴厘岛、苏门答腊、加里曼丹岛等,预计这20个地区的地热能开发潜力约683兆瓦。

  秘鲁新版可再生能源发展法案围绕该国非常规可再生能源发展计划展开,提出将大力发展太阳能、风能和地热能,以实现该国到2030年20%、到2040年50%的清洁发电最低目标。该法案强化了对地热能资源的开发利用,建议在秘鲁南部的阿雷基帕、莫克瓜和塔克纳地区投建地热能项目。秘鲁政府估计南部地区地热能潜力达4000兆瓦。预计法案生效后,地热能将被正式纳入该国非常规可再生能源发展计划。

  2021年2月,阿尔及利亚公布了新的国家地热资源分布图,详细介绍迄今发现的地热田清单和温度图。阿尔及利亚可再生能源和能源效率委员会随后在全国范围内确定了240~280处地热能资源,并强调地热能在国家能源结构中应拥有一席之地。

  地热资源国制定了一系列经济激励方案,如予以一定比例的直接补贴,采取税收优惠、贷款担保等财税政策,提供大量研发资金,以此提高地热开发积极性。

  为减轻地下探查、钻井开发企业负担,日本设立了补助金制度,对企业在国内进行地热资源调查的调查费提供补助。对进行地热资源开发的公司,以最大出资50%的形式为其地热资源探查提供必要资金。此外,日本政府通过开发投资援助计划,对地热发电站的初期投资给予20%的费用补助,并计划将补助提高至33%。

  美国《地热能源研究、开发与示范法》规定,将项目土地出让金以及相关税收的25%交由联邦政府作为地热项目基金,对在联邦政府规定日期前投入运行的项目,按项目初始投资的30%提供一次性现金补贴。

  税收优惠方面。美国先后通过数个法案,开展针对地热等可再生能源的税收优惠计划,通过多种方式促进退税的货币化。印尼政府出台的《地热法》规定,免征地热项目的净利所得税(30%)和外资支付红利所得税(10%)。

  贷款担保方面。美国2008年通过法案明确规定,政府对于技术研发、资源评价及工业农业应用等地热项目提供一定比例(最高90%)的贷款担保。冰岛设立的能源基金为探索与开采地热资源公司提供贷款,如果开采未能产生预期结果,贷款可转换为拨款。日本实行债务担保制度,地热企业为钻井、配管、发电设备费用向金融机构融资时,由JOGMEC负责给予债务担保。2015年日本经济产业省将地热发电建设费用的债务担保范围扩大了2倍以上。

  世界地热能发展典型国家均重视科技创新,通过加大科研经费投入、设立重大科技研发计划等方式,持续推动地热能勘探开发利用技术攻关。

  如欧盟推出的地平线计划(Horizon 2020),先后资助了多个地热能研究项目,有力促进了地热能勘探开发利用技术进步和产业发展。美国能源部推出的地热能前沿观测研究计划(FORGE),于2015年启动,旨在建立一个地下实验室进行增强型地热系统(EGS)的前沿研究、钻探和技术测试,形成一套降低工业开发风险和促进EGS商业化的可复制方法。FORGE于2018年进入第三阶段,从第一阶段资助的5个候选场址中最终选择了犹他大学的犹他场址进行资助,计划在五年内投入1.4亿美元促进EGS前沿技术的开发、测试和突破。2021年,美国能源部宣布在FORGE计划框架下投入4600万美元,支持17个EGS前沿技术开发项目。

  固定上网电价(FIT)政策根据可再生能源种类、装机规模、发电量等因素制定了有差别的上网电价标准和收购期限,具有很强的针对性和可操作性,为投资者和参与者提供了稳定的预期,极大地刺激了可再生能源发电行业的发展。作为最常见的可再生能源支持机制,固定上网电价是多国扶持地热发电的重要一环。

  如日本规定电力公司必须以法定价格购买地热生产的电能。德国《可再生能源法案》规定电网经营商要优先购买、连接和使用地热等可再生能源生产的电能,并有义务对电能供应商进行补偿等。2021年初,土耳其政府公布新版可再生能源电价机制。根据新机制,土耳其地热项目将获得每千瓦时0.075美元的固定电价。该价格适用于从2021年7月1日至2025年12月31日投入运营的地热发电厂。新的电价机制为土耳其地热行业进一步发展奠定了基础。

  2006年我国颁布并实施《可再生能源法》,首次强调优先推动地热能的发展,之后又从应对气候变化、可再生能源发展、建筑节能、地源热泵系统推广应用等方面颁布了相应的政策法规及条例,直接或间接地推动了我国地热产业的发展。

  作为我国首个地热开发利用专项规划,2017年发布的《地热能开发利用“十三五”规划》提出,“十三五”时期,新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米,其中:新增浅层地热能供暖(制冷)面积7亿平方米;新增水热型地热供暖面积4亿平方米。新增地热发电装机容量500兆瓦。到2020年,地热供暖(制冷)面积累计达到16亿平方米,地热发电装机容量约530兆瓦。

  2021年4月,国家能源局发布《关于促进地热能开发利用的若干意见(征求意见稿)》。征求意见稿提出,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,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;到2035年,地热能供暖(制冷)面积比2025年翻一番。

  在国家政策的积极引导和带动下,各省市相继颁布了一系列地方性政策法规,内容以推进建筑节能和促进地源热泵的发展为主,对地热产业发展起到了积极推动作用。

  目前,热泵技术在地热利用技术中较为成熟,已进入商业化发展阶段。国际上地热能研究的热点是干热岩地热资源开发与地热发电技术,经济高效的干热岩开发利用是地热技术未来重要的攻关方向之一。

  热泵技术是地热利用较为成熟的技术,目前已进入商业化发展阶段。地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能),实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。20世纪末,地源热泵技术设备趋于完善,欧美国家开始大力推广地源热泵的应用。本世纪以来,地源热泵得到大面积推广应用,国内地源热泵产业也呈现出高速发展态势。整体看,我国地源热泵产业发展无论是研发还是应用都走到世界前列,地源热泵的从业企业已从最初的寥寥数家增加到数千家,应用地域已从北京、沈阳等试点城市扩大到天津、河北、辽宁、江苏、上海等众多地区。

  地热发电技术是地热科研的主要研究领域。全球地热发电模式主要包括适用于高温热田的干蒸汽发电系统、适用于中高温热田的扩容式蒸汽发电系统、适用于中低温热田的双循环发电系统,其中扩容式蒸汽发电系统在地热发电市场占比约57%,是地热发电的主力。法国市场调查公司ReportLinker预计,2020~2027年间,上述三种发电系统的年均复合增长率将分别达到8.4%、10.6%、8.8%,到2027年,扩容式蒸汽发电系统仍将占据全球地热发电市场的主要份额。

  目前我国在中高温地热发电技术领域最成熟、成本最低,中低温地热发电技术成熟度和经济性还有待提高,干热岩发电系统则处于研发阶段。随着中低温地热发电及增强型地热发电系统关键技术的突破,我国地热能开发利用将逐步向地热发电高端业务延伸。

  干热岩地热资源开发是地热研究的热点,未来的发展方向是经济高效干热岩开发利用技术。干热岩内部不存在或仅存在少量流体,全球探明的地热资源多数为干热岩型地热资源。干热岩温度高,开发利用潜力大,应用前景广阔。目前涉及干热岩的高温钻完井技术,以及压裂技术、换热和发电技术,均处于试验阶段。增强型地热系统是开发干热岩型地热资源的有效手段,通过水力压裂等储层刺激手段将地下深部低孔、低渗岩体改造成具有较高渗透性的人工地热储层,并从中长期经济地采出相当数量的热能加以利用。随着研究的不断深入,增强型地热系统的概念也不仅仅局限于干热岩内,一些传统的地热储层,如温度较高的富水岩层,也可以经过适当的改造而形成增强型地热系统加以利用。

  我国陆区干热岩资源勘查已确定几个利于开发的靶区,未来开发深部干热岩资源无疑是我国地热资源开发的一项重要课题。考虑到储层深度大、储层低孔低渗且赋存条件复杂等因素,储层改造和高温深井的钻井完井技术依然是我国今后干热岩开发的核心问题。

  梯级开发和综合利用能够提高地热资源的开发利用率和技术含量,在提升地热资源经济效益的同时带来明显的社会效益与环境效益。

  地热能与太阳能风能在开发利用上最大的区别在于,地热能随着温度的变化,可以应用到众多领域(见图9)。随着地热发电、供暖、热泵等技术越来越成熟,地热利用方式正在发生重大变化,由单一的发电、供暖等应用向梯级开发、综合利用发展。目前,地热梯级开发和综合利用已成为国内外地热能领域探索的热点方向。

  在纵向上,可以根据不同温度层次,对地热资源进行分层的梯级利用,进一步拓展地热资源应用领域。如地热供暖逐步向烘干和高效农业方向发展;高温地热发电后,中温余水进行地热供暖,供暖后的余水经过处理并输入其他管道进行下一梯级利用等,从而充分、高效利用每一梯级温度的地热资源。

  在横向上,地热能与其他能源系统耦合集成、一体化发展潜力较大。如地热能与多种清洁能源互相补充的多热源供热系统,可将提取的热量经济效益最大化;太阳能-地热能耦合地热发电系统,可有效提高中低温地热发电系统能效;以地热发电为主的集约化综合利用系统,可实现采暖、制冷、热泵和干燥等综合利用等。

  大型石油公司是地热行业特别重要的合作伙伴,地热项目为油气公司提供绿色转型机遇。

  地热行业规模较大的开发商一般都少有跨界,大多是专注于地热领域的专业化公司,目前这一市场上逐渐出现了新的参与者。

  2020年9月,参与英国页岩气项目开采的油气企业IGas Energy表示,正采取行动使其投资组合更加多元化,并与英国深海地热项目开发商GT Energy达成了合作协议。据IGas Energy公司透露,该公司正在将可再生能源技术加入其重点开发领域,其中就包括地热能相关技术。同月,油服巨头斯伦贝谢和地热能企业热能合作伙伴组建了地热能企业GeoFrame,计划在油气资源丰富的美国得克萨斯州开发地热能资源。2021年2月,雪佛龙联合BP宣布投资加拿大地热公司全球可扩展地热技术领先公司Eavor。这是BP首次投资地热,是雪佛龙2016年出售地热资产后再次迈入此领域。

  此前油气巨头进军可再生能源领域时,多选择风力发电和太阳能发电项目,而鲜少涉足地热领域,但事实上地热勘探开发与油气公司油气勘探开发在原理、研究对象、工程、施工队伍等方面十分相似,油气公司丰富的人力物力资源、雄厚的财力,以及勘探和钻井方面先进的技术和经验都对地热开发利用非常有利。此外,大型油气公司拥有全球运营和项目管理方面的专业知识香港马会最快开奖直播。地热项目可为其提供收入来源多样化以及绿色转型的机会。考虑到化石能源前景,雷斯塔能源称,未来将会有更多跨国油气企业进入地热市场,利用其现有技术手段开发地热能,进而获得新的市场增长机会。

  尽管地热资源遍布全球,优势凸显,但地热能要实现与太阳能、风电等可再生能源比肩的程度,还有很长的路要走。

  地热开发需要地热资源量的调查与评价,而深入的地质和地震研究以及勘探钻探活动需要庞大的资金支持,同时伴随着较大的不确定性,这就导致地热项目相较其他可再生能源,资金风险更大、初期投资更高、开发企业负担更重,因此,地热能开发往往需要政府的政策支持或国际机构的融资帮助。地热产业发展具有明显的政府引导与政策引领特征,扶持政策对地热能产业的有序、健康、快速发展起到显著的推进作用。

  地热能开发利用是一项复杂的系统工程,涉及多学科、多领域、多行业,包括资源勘查与评价、钻完井、储层压裂改造、尾水回灌、梯级利用、换热和保温、防腐防垢、热泵和发电、地面工程、运行管理等技术。虽然最近几十年间地热能开发利用技术取得显著进展,但在干热岩资源开发、增强型地热系统应用等方面还存在大量技术问题未得到有效解决,从天然裂缝缺失、孔隙度和渗透率均很低的深部岩石中获取地热能的技术存在巨大挑战,国际上许多技术可行的项目在实践上面临诸多不确定性,这迫切需要技术创新来解决相关问题。

  从能源转型的角度看,地热能极富前景,尤其在行业发展整体上升情况下,外界更多关注地热能开发对减少碳排放的贡献。事实上,大规模开发地热资源的安全性也同样值得关注。如何规避、降低地热项目生产运行中可能出现的地震危险、生态破坏等风险,是地热资源开发过程中必须关注的问题。地热行业不仅需要强大的政策支持和资金支持、技术创新和关键技术攻关,同时也需要完善的监管体系。为了让地热能应用更安全,须做好风险管控,加强行业监管。只有充分地了解风险,并加以有效监管,地热能才有可能成为可持续和安全的能源替代方案。

  [4]国家发展和改革委员会,国家能源局,国土资源部.地热能开发利用“十三五”规划[R /OL].2017-01-23.

  [5]自然资源部中国地质调查局等.中国地热能发展报告(2018)[R].北京:中国石化出版社,2018.

  [6]杨震,徐婷,方朝合,曾博,谷江锐,曹倩.国内外地热产业政策法规梳理与思考[J].国际石油经济,2017,25(08):22-28.

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