地大熱能：地熱能按照賦存狀態可分為水熱型、干熱巖型等;按照埋深可分為淺層地熱資源、中深層地熱資源等;按照井口溫度分級可分為高溫地熱能、中溫地熱能和低溫地熱能。

地熱能一般按照溫度由高到低進行梯級利用。水溫大于90℃的熱水用于烘干、發電、采暖;利用后水溫降低到90℃-40℃之間,可用于采暖、理療、洗浴、溫室;再次利用后,水溫降低到40℃～25℃之間,用于水產養殖、農業灌溉等。水溫低于25℃的,既可以運用熱泵技術進行利用(例如淺層地熱能),也可以處理達標后,按技術規范同層等量回灌。

我國地熱資源量約占全球的1/6。2021年(冰島)第六屆世界地熱大會統計顯示,在清潔供暖需求帶動下,中國地熱能直接利用(非電利用)呈加速發展趨勢,裝機容量為40.6吉瓦,占全球的38%,位居世界第一,是排名第二美國的兩倍。

盡管如此,利用效能高的地熱發電,在我國由于資源分布、技術經濟等原因規模較小、進展緩慢。20世紀70年代起,我國在西藏地區探索高溫地熱發電,建設了羊八井、羊易、朗久、那曲等地熱電站。目前,部分地熱電站由于技術和經濟原因關停,僅羊八井、羊易部分機組仍在運行。

“十三五”以來,聚焦北方地區清潔供暖,助推國家“藍天保衛戰”戰略實施,國家發布了《地熱能開發利用“十三五”規劃》。在“雙碳”目標引領下,地熱產業高質量快速發展。

中國工程院院士、國家地熱中心技術委員會主任郭旭升介紹,當前全國地熱能調查精度持續提高,地熱家底逐漸明晰。160萬平方千米國土達到1:25萬精度,2萬平方千米達到1:5萬精度。近5年新增大地熱流數據在前40年總量基礎上增長了21%,基本覆蓋陸域全部一、二級構造單元。

淺層地熱能方面,我國完成336個地級以上城市淺層地熱資源調查。據評估,可開采資源量折合7億噸標準煤。據統計,“十三五”期間,我國淺層地熱能利用年增長率為10%,到2020年底,淺層地熱能供暖/制冷面積為8.1億平方米。“目前,我國淺層地熱能供暖(制冷)面積已位居世界第一。京津冀開發利用規模最大,其他主要分布在遼寧、山東、湖北、江蘇、上海等省(市)城區。”中國地質調查局淺層地溫能研究與推廣中心主任李寧波介紹。

中深層水熱型地熱能方面,華北地區地熱能調查全面推進,雄安新區首次完成全區整裝勘查。我國4000米以淺的中深層地熱資源量折合標煤12500億噸,年可開采資源量折合標煤18.7億噸。到2020年底,我國水熱型地熱供暖面積累計約5.82億平方米,超額完成“十三五”規劃目標。

在干熱巖勘探與開發領域,數十年來一直是發達國家領跑。我國干熱巖資源勘探開發現處于探索階段,在青海省共和盆地,初步形成了干熱巖高溫測井、耐高溫鉆完井、高溫花崗巖熱儲縫網壓裂與裂縫監測等關鍵技術,為后續利用積累了寶貴經驗。

能源革命取得突破

山西省作為我國第一個能源革命綜合改革試點區,近年來成果突出,位于大同市的陽高—天鎮一帶干熱巖地熱資源勘查開發取得的重大突破備受關注。

噴薄而出的地熱流體,也沖破了傳統理論的藩籬。此前認為,大于150℃的高溫地熱資源帶主要出現在地殼各大板塊的邊緣,熱儲多為花崗巖,在我國主要分布于西藏南部、云南西部、四川西部和臺灣等地。而山西陽高—天鎮一帶不具備上述地質條件。

近年來,業內專家根據創新理論,預測了大同、忻州等地存在干熱巖和高溫地熱資源。2016年起,山西省地質勘查局在中國科學院院士朱日祥、王焰新等專家的指導下,與中國地質大學(武漢)合作開展了全省干熱巖地熱資源勘查選區調查研究項目,圈定了天鎮縣馬圈庠、陽高縣弧山廟等干熱巖勘查選區。

山西省自然資源廳于2017年批準立項陽高—天鎮一帶干熱巖地熱資源預可行性勘查項目,2019年8月項目正式開鉆,至2020年3月取得突破性成果。

專家論證認為,該成果對山西能源革命乃至全國可再生清潔能源勘探開發具有重大意義。“山西這次地熱井發現,是地熱界的一個新的里程碑,在此類區域發現這么好的地熱資源,在全國是第一份。”中國能源研究會地熱專業委員會主任田廷山說。

山西省在這一成果的基礎上,部署了大同盆地重點地區深部高溫地熱資源詳查專項、共建地熱資源勘查及開發利用重點實驗室、建設山西高溫地熱能科研示范試驗電站3項重點工作,以盡快探明高溫地熱資源賦存情況,探索高溫地熱發電和梯級開發利用,為產業化布局提供支撐。

今年8月,山西省自然資源廳發布了《關于做好自然資源工作促進地熱能產業高質量發展的通知》,要求統籌做好資源評價、規劃管控、要素保障、集約利用、聯合監管等各項工作,促進地熱能產業高質量發展。中國石化新星公司、山西地質集團、山西雙良集團等企業代表表示,要在政府的指導下,探索有利于地熱能開發利用的新型管理技術和市場運營模式。

在今年9月的“綠色未來——2022地熱能產業發展論壇”期間,與會專家、業界代表來到天鎮縣山西高溫地熱資源開發利用科研示范基地考察。這里正按照“小功率、多機組”思路,探索高溫地熱水質與發電工藝適應性,為大規模工業化生產做好前期試驗研究。

“我們力爭到‘十四五’末建成地熱發電裝機2萬千瓦。”基地相關負責人介紹說,深部高溫地熱資源勘查完成后,這里正逐步推進地熱能發電、供暖、種植、養殖、康養梯級開發利用示范建設,為能源產業高質量發展再添新動能。

地熱資源科學探尋

山西大同取得突破性成果后,地熱界探討的問題是,干熱巖和高溫地熱資源形成機制究竟是怎樣的?類似陽高—天鎮一帶的高溫地熱資源,接下來在何處尋找?

據介紹,地熱資源分布受地質構造控制,傳統理論認為,深部熱源主要由巖漿提供。例如,冰島等利用地熱能最好的國家,其地熱電站都建在年輕火山的分布區。

“但中國的巖漿熱源型高溫水熱資源的分布和晚新生代火山的分布并沒有一致性。”王焰新指出,五大連池和長白山等板內火山雖然年輕,附近卻不存在巖漿熱源型高溫水熱資源的分布。西藏南部存在板緣巖漿熱源型高溫水熱資源分布,卻沒有任何晚新生代火山。可見,地表年輕火山未必是地下存在巖漿熱源型水熱資源的必要條件。

不依據火山,如何找高溫地熱?

王焰新院士團隊通過基礎性研究指出,地球深部存在以剪切作用為主的軟流層,其上部的地殼脆性—韌性轉化帶,是干熱巖的熱源,一般深度在10千米～15千米,如果在一個區域6千米～10千米深度能找到脆性—韌性轉化帶,就能找到干熱巖。

地殼韌性形變與熱隆升—伸展構造有關,熱隆升—伸展構造形成地塹或裂谷。因此,優質的高溫地熱資源一般分布在比較強烈的新生代盆山體系。山西省六大盆地中的5個盆地,包括大同盆地,都是裂谷系地塹構造,因而具有發現高溫地熱的天然稟賦。

在大同盆地陽高—天鎮凹陷區域,地球物理重、磁、震等探測手段全部應用后,發現地下存在一個巨大的蘑菇狀、上面有“枝杈”的高導低阻體形態。“這可能就是深部熱儲,地殼脆性—韌性轉換帶上的熱源,這么淺的深度不可能是巖漿,具體是什么還需要進一步做工作。”王焰新指出,“枝杈”是順著淺部斷裂發育的不均勻導熱通道,說明天鎮高溫地熱的熱源不在其正下方,為下一步勘探工作提供了空間方向。

王焰新表示,探索深部地熱除了有能源資源意義之外,還具有重大的科學價值。深部高溫地熱資源是地球動力學尤其是深部地質過程研究的重要載體。此外,在以巖漿為熱源的高溫水熱系統中,混有一定比例深源巖漿水的可能性非常大,而可能存在的來自幔源的初生水對于地球物質循環研究具有重要意義,是水科學及相關學科最具挑戰性的研究領域之一。

“當前,我國超過150度的深部高溫地熱資源開發利用研究還面臨著艱巨的挑戰。基本的科學理論體系還沒有建立,勘查開發技術、評價方法體系、熱能發電技術還很不成熟。”王焰新說,我們要有志氣、骨氣、底氣,創立提出自己的深部高溫地熱的新理論體系,同時在勘探、開發利用領域,敢于變革性地推出一些技術方法。

當前,各地積極構建清潔低碳、安全高效的能源體系,紛紛出臺了政策保障措施。今年10月,《北京市碳達峰實施方案》提出深度推進供熱系統重構,禁止新建和擴建燃氣獨立供暖系統,有序開展地熱及再生水源熱泵替代燃氣供暖行動,全面布局新能源和可再生能源供熱。業內指出,這意味著北京市燃氣鍋爐已經率先“達峰”,將逐步縮減規模和被替代,地熱等可再生能源供熱將擔綱大任。

“雙碳”目標征程上,地熱產業不斷迎來新機遇。有專家建議,各級政府、企業要加大地熱能技術研發投入,實現關鍵核心技術自主可控,延長地熱產業鏈。此外,地熱領域必須深化政產學研用融合,才能取得重大突破,單打獨斗是走不通的。據介紹,我國已成功申辦2023年第七屆世界地熱大會,地熱產業將在開放創新中,迎來更為廣闊的發展前景。