利用工業余熱進行現場試驗的熱伏發電設備

地熱井現場試驗的熱伏發電設備

“傳統地熱能發電通常是將熱能轉化為機械能，再轉化為電能，而熱能直接發電技術可將熱能直接轉換為電能，不僅適合于廣泛的溫度范圍，溫度可低至70℃，而且還具有不需要渦輪機等優點。”

近日，中國地質大學(北京)教授李克文向《中國科學報》介紹了其團隊在地熱發電領域取得的技術突破。熱能直接發電被稱之為熱伏發電，李克文主要從事熱伏發電，特別是油田中低溫伴生地熱開發與利用領域的研究。

在大量成功的室內實驗的基礎上，李克文帶領團隊在山西省等地聯合當地企業開展了熱伏發電技術的現場示范工程建設。“9月初的現場試驗很成功。”他告訴記者，目前我們已經實現連續發電，發電功率在該領域達到國際領先水平，近期將實現一定規模發電。

地熱資源開發需要多方支持

地熱能是一種具有清潔、零碳排放屬性的資源，在國際上被公認為“具有可持續發展意義的能源資源”。

我國高溫地熱的典型可利用區域位于西藏自治區，有各類地熱顯示區(點)600余處，高溫地熱資源占全國地熱總量的80%。早在1977年，我國大陸第一臺兆瓦級地熱發電機組便在羊八井成功發電。

中國工程院院士多吉在羊八井工作長達30多年，他曾表示，20世紀70～80年代，我國地熱利用跟國際水平是同步的，技術上不分上下，發電裝機容量世界排名第8位，即使是在海拔4000多米的情況下都能發電，這在國際上都是處于先進水平的。

然而，從20世紀80年代后期開始，我國在地熱開發利用上基本不再投入，并在相當長的一段時期內停止了相關的地熱資源勘查與評價工作，導致現有地熱資源量不是十分清楚，并且沒有得到科學的規劃與利用。

“十二五”期間，中國地質調查局曾對全國地熱資源量進行初步評價，其結果顯示，我國地熱資源年可開采量折合標準煤約26億噸，年開采量僅相當于2100萬噸標準煤。

沉寂多年的地熱能開發利用終于迎來了春天。2017年初，由國家發改委、國土資源部及國家能源局共同編制的《地熱能開發利用“十三五”規劃》(以下簡稱《規劃》)發布，這是我國首次發布地熱能相關的全國規劃。

《規劃》提出，到2020 年，我國地熱能年利用總量相當于替代化石能源 7000 萬噸標準煤，相應減排二氧化碳1.7 億噸，節能減排效果顯著，同時地熱能開發利用可為經濟轉型和新型城鎮化建設增加新的有生力量。

同時，李克文也提醒道：“盡管當前地熱能開發利用正處于‘天時地利人和’的絕佳時期，但發展不可能一蹴而就，還需要政府的主導、資金的投入、技術的支撐以及監管體系的完善等多方面支持。”

中低溫地熱發電是個突破口

當前，我國在高溫地熱前期勘探、鉆井方面存在較多技術瓶頸，比如勘探方面面臨如何確定地熱靶區的問題。李克文表示，常用的地熱勘探技術有相當一部分來自油氣勘探領域，值得注意的是，地熱勘探與油氣勘探盡管有不少相同之處，但也有不少理論和技術方面的差別。

他指出：“高溫鉆井技術近幾年來有比較大的進展，但是高成本仍然是一個主要問題，鉆井成本約占地熱開發成本的60%以上。”

針對目前我國已經探明的高溫地熱資源比較少的現狀，李克文團隊在長年的實地研究中發現，其實不一定非要在高溫領域“死磕”，可以將重點轉移至中低溫地熱的開發與利用，尤其是中低溫發電，先對這部分資源進行開發利用。

他介紹道：“利用油田伴生中低溫地熱發電，是地熱能資源開發利用一個突破口，這是因為地熱發電所需要的主要基礎設施，比如井、公路、輸電線路等，廢棄井或者廢棄油田都已經具備，這就可以大幅度降低油田區地熱發電的成本。

綜合近年來的探索，李克文團隊還發現，我國可供發電的地熱資源，尤其是油田伴生中低溫地熱發電資源非常豐富，僅我國某中小型油田可供發電的中低溫(90~150℃)地熱資源就擁有2000兆瓦以上規模的發電能力。“我國已有的廢棄石油井可能接近或者超過10萬口，只需對其中的部分井加以改造，即可用于地熱能的開發利用，甚至實現‘油熱電聯產’，讓廢棄井起死回生。”

為了推進熱伏發電在中低溫地熱能領域的應用，李克文團隊的思路是先地上、后地下，先余熱、后地熱，也就是說先在地面利用工業余熱來驗證熱伏發電的可行性，然后，再將其應用到中低溫地熱發電領域。

如今，李克文團隊已經掌握了多項熱伏發電的核心技術，“至少在熱伏發電領域，我們不會被國外技術卡脖子”。

出謀劃策助力“零碳中國”

為了推動我國地熱能的高效開發與利用，李克文早在2010年就發起并組織“中深層地熱資源高效開發與利用國際會議”，希望就地熱資源的高效開發利用方法以及國內外地熱勘探開發新技術進行研討，為共同推動我國地熱資源走向規模化開發與利用出謀劃策。

“地熱能開發利用技術產業化應用最大的問題是前期的高成本和不可預見性，因為現場條件和實驗室條件不一樣，實驗室里的新技術在沒有形成規?；a業前，成本肯定居高不下。但是，規模化以后成本將大幅度下降。”李克文透露，團隊目前已經簽訂多份熱伏發電技術的合同，分別來自河南、山西等地。

8月16日，北京市地勘院、地熱院等單位前往中國地質大學(北京)，調研李克文團隊研發的中低溫熱伏發電技術，一致認為該技術對于具有豐富中低溫地熱資源的京津冀地區乃至全國，具有較好的推廣應用前景。

在最近舉辦的地源熱泵高層論壇年會上，李克文作了題為《地熱能與太陽能的深度互補》的報告。他認為，通過地熱能與太陽能的深度互補，可以實現建筑物的零碳化，助力“零碳中國”的實現。

李克文建議組織創建一個“零碳中國”計劃，為此他率先進行了一些初步的研究。與此同時，他還帶領團隊在熱伏發電等技術的基礎上開始了零碳別墅的現場試驗。

近幾年來，為了解決霧霾等環境問題，我國先后嘗試了煤改電、煤改氣(天然氣)，但是，現在看來這些辦法都沒有達到理想預期。此前，包括李克文在內的不少地熱專家建議煤改地熱，并指出這是完全可能實現的。

“利用地熱能不僅可以供暖，而且還可以制冷。”李克文表示，如果全國的供暖制冷都采用地熱能，那么，就實現了“近零碳中國”的目標。

對于“零碳中國”的實現，李克文充滿信心并透露其將在2020年世界地熱大會上宣讀的論文的部分結論：“到2050年左右，我國用清潔能源替代全部能源需求、實現“零碳中國”或者“近零碳中國”是有可能的。當然，這需要國家和各級政府在政策等方面的大力支持。”