干熱巖：高性價比的新興能源

□ 徐藝真

干熱巖是極富潛力的新能源，在化石能源日益枯竭的背景下成為極大的誘惑。

多吉院士（左三）帶領(lǐng)專家組現(xiàn)場考察干熱巖鉆孔巖芯。李曉東 供圖

近年，關(guān)注新能源的人可能都注意到，干熱巖的開發(fā)應(yīng)用在中國已經(jīng)悄然升溫。

2017年9月6日，中國國土資源部地質(zhì)調(diào)查局在我國青海正式宣布：我國科學(xué)家在青海共和盆地3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體。消息一經(jīng)傳出，在世界上引起強(qiáng)烈的關(guān)注。這是因?yàn)椋S多國家做夢都想要實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)利用的新能源開發(fā)技術(shù)制約，竟率先被中國突破。

今年4月，海南清潔能源發(fā)展有限公司第一口具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的干熱巖開發(fā)實(shí)驗(yàn)井圓滿完鉆，媒體稱，這是我國第一個進(jìn)入開發(fā)階段的干熱巖鉆井成功案例，對我國干熱巖地?zé)崮艿拈_發(fā)利用具有里程碑式的意義。

5月5日，中國干熱巖選區(qū)、勘探和開發(fā)學(xué)術(shù)研討會在海南召開。李廷棟、曹耀峰和多吉三位院士在內(nèi)的近兩百名國內(nèi)地?zé)釋＜液推髽I(yè)代表出席研討會，交流干熱巖研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，聚焦干熱巖“海南探索”的新成果。

8月下旬，江蘇省國土資源廳在南京組織召開了“干熱巖勘查專家咨詢研討會”，意在加快推進(jìn)江蘇省干熱巖調(diào)查評價工作。會議就江蘇省干熱巖的形成條件、勘查方法技術(shù)、靶區(qū)優(yōu)選及工作部署等方面進(jìn)行深入探討，提出建設(shè)性意見和建議，為下一步圈定若干干熱巖靶區(qū)，并擇優(yōu)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，力爭干熱巖勘查盡快實(shí)現(xiàn)重要突破。干熱巖，再次闖入公眾的視線。

干熱巖到底是什么東西

通俗地講，干熱巖體就是干的、熱的石頭。其科學(xué)定義是：溫度大于200℃，埋深1千米以上，地球內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。

地球物理學(xué)告訴我們，地球就是一個巨大的能量體，越往地下深處，溫度越高。干熱巖就是一般埋深在數(shù)千米、溫度大于200℃的高溫巖體。作為一種新興的地?zé)崮茉矗梢岳盟鼇戆l(fā)電，并實(shí)現(xiàn)梯級利用。

干熱巖不像太陽能或風(fēng)能，受天氣和環(huán)境的制約，它可以在任何天氣下提供穩(wěn)定高效的能量；它也不像傳統(tǒng)火電，會產(chǎn)生污染，其建設(shè)成本比核電和水電更低。專家總結(jié)概括了7個方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）突破用地制約，在受熱建筑物附近向地下鉆孔，不需建市政配套管網(wǎng)，具有普遍適用性；（2）只抽取地下熱能，不需要取地?zé)崴Ｗo(hù)水資源；（3）綠色環(huán)保，無廢氣、廢液、廢渣等任何污染物排放；（4）節(jié)能減排效果明顯，以一個采暖季（4個月）的100萬平方米建筑為例，與燃煤鍋爐相比，干熱巖供熱可替代標(biāo)煤1.6萬噸，減少二氧化碳排放量4.3萬噸，減少二氧化硫排放量136噸；（5）投資小、運(yùn)行成本低，按照一個孔（井）可以解決1萬～1.3萬平方米建筑的供暖計(jì)算，一個小區(qū)一次性投資略高于燃煤集中供熱，但其運(yùn)行成本僅為燃煤集中供熱成本的35%；（6）安全可靠，該技術(shù)孔徑小（200毫米），地下無運(yùn)動部件，對建筑基礎(chǔ)和地質(zhì)無任何影響；（7）地下熱源再生性穩(wěn)定，且地下?lián)Q熱器耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當(dāng)。更棒的是，干熱巖體儲量非常豐富，可循環(huán)利用，可滿足人類長期使用的需要。

據(jù)我國國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，全國地殼3～10千米深處陸域干熱巖資源量為856萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。按照國際標(biāo)準(zhǔn)，以其2%作為可采資源，全國陸域干熱巖預(yù)測可采資源量達(dá)17萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，與美國的資源量約在同一數(shù)量級。

從區(qū)域分布上看，青藏高原南部占中國內(nèi)地干熱巖總資源量的20.5%，溫度也最高；其次是華北（含鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹）和東南沿海中生代巖漿活動區(qū)（浙江、福建、廣東），分別占總資源量的8.6%和8.2%；東北（松遼盆地）占5.2%；云南西部干熱巖溫度較高，但面積有限，占總資源量的3.8%。

以我國2016年全年能源消費(fèi)總量大約43.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤作為基數(shù)來計(jì)算，干熱巖的可采資源量可供我國使用3900年左右，這比可燃冰的可使用年限要多幾百倍。

干熱巖是極富潛力的新能源資源，在化石能源日益枯竭的背景下具有極大的誘惑。目前世界各國都在研究它的開采利用，但苦于開采技術(shù)不過關(guān)，一直未能獲得根本性突破。

干熱巖發(fā)電的優(yōu)勢明顯

干熱巖較之傳統(tǒng)水熱型的地?zé)幔畲髢?yōu)點(diǎn)是資源穩(wěn)定、均勻，不會出現(xiàn)過量開采而出現(xiàn)水位下降，或者資源枯竭的情況；而且其來自地球內(nèi)部的供熱，無處不在，用以發(fā)電，不受季節(jié)、氣候的影響，其發(fā)電成本較低。

干熱巖發(fā)電的基本原理是：通過深井將高壓水注入地下2000～6000米的巖層，使其滲透進(jìn)入巖層人工壓裂造出的縫隙并吸收地?zé)崮芰浚辉偻ㄟ^另一個專用深井（相距200～600米左右）將巖石裂隙中的高溫水、汽提取到地面，取出的水、汽溫度可達(dá)150～200℃，通過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電，冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用。整個過程都是在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。

不過，干熱巖發(fā)電成本受干熱巖儲層的溫度及深度的影響很大（流體到達(dá)地面的溫度不同，因而發(fā)電效率不同）。目前常規(guī)地?zé)幔ㄋ疅嵝停┌l(fā)電系統(tǒng)的總成本（包括鉆井和地面發(fā)電設(shè)備等）在每千瓦2萬～3萬元，具體取決于熱儲的溫度、深度和巖石滲透率等。值得注意的是，地?zé)岚l(fā)電后流體還可以用來進(jìn)行供熱、洗浴等梯級利用，如果考慮這一部分經(jīng)濟(jì)效益，常規(guī)地?zé)衢_發(fā)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性還要提高。可以說，干熱巖引導(dǎo)下的地?zé)崮埽谛履茉搭I(lǐng)域中的性價比是最高的。

干熱巖商業(yè)化開發(fā)利用預(yù)計(jì)到2030年后

干熱巖地?zé)崮艿拈_采方法，目前主要是在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)。

試驗(yàn)中，常用的地下熱交換系統(tǒng)的模式主要有三種。

第一種模式是美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室提出的“人工高壓裂隙模式”，即通過人工高壓注水到井底，干熱的巖石受水冷縮作用形成很多裂隙，水在這些裂隙間穿過，即可完成進(jìn)水井和出水井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過程。

第二種模式是英國卡門波礦產(chǎn)學(xué)校提出的“天然裂隙模式”，即較充分地利用地下已有的裂隙網(wǎng)絡(luò)。已有的裂隙雖然一方面阻止了人工高壓注水裂隙的發(fā)育，但另一方面當(dāng)人工注水時，原先的裂隙會變寬或錯位更大，增強(qiáng)了裂隙間的透水性。在這種模式下，可進(jìn)行熱交換的水量更大，而且熱量交換更充分。

第三種模式是在歐洲蘇爾茨干熱巖工程中由研究人員提出來的“天然裂隙-斷層模式”。這種模式除了利用地下天然的裂隙，而且還利用天然的斷層系統(tǒng)，這兩者的疊加使得熱交換系統(tǒng)的滲透性更好。該模式的最大優(yōu)勢也是最大的挑戰(zhàn)，即不需通過人工壓裂，而是通過已經(jīng)存在的斷層來連接位于進(jìn)水井和出水井之間的裂隙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿母咝ч_發(fā)與利用。

近些年來，國際上地?zé)崮艿膽?yīng)用和發(fā)電技術(shù)發(fā)展非常迅速，全世界已安裝的常規(guī)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量目前已達(dá)1.3萬兆瓦以上，而我國只有27兆瓦左右，在全世界利用地?zé)岚l(fā)電的24個國家中僅僅排名第18位。但目前世界上的干熱巖發(fā)電廠基本上是試驗(yàn)性的，規(guī)模普遍較小，尚未形成商業(yè)規(guī)模。

干熱巖發(fā)電廠。李曉東 供圖

中國在這方面的研究起步較晚，尤其缺乏關(guān)鍵技術(shù)。國家2012年頒布的“863”計(jì)劃，支持《干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用技術(shù)》項(xiàng)目啟動，開始了干熱巖開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)研究。目前，我國已初步篩選出干熱巖勘查開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域：東南沿海地區(qū)、藏南地區(qū)、大同盆地、松遼平原、環(huán)渤海地區(qū)、長白山地區(qū)、五大連池地區(qū)、雷州半島地區(qū)、瓊北、川西、滇西、華北平原、蘇北盆地、關(guān)中盆地、塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、阿爾山地區(qū)、塔什庫爾干地區(qū)。

但是，相對其他形式的新能源，干熱巖開發(fā)利用成本高，這是制約發(fā)展的根本因素。目前包括風(fēng)能、太陽能、常規(guī)地?zé)崮艿睦茫蟛糠制髽I(yè)已能實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)營。其次，干熱巖開發(fā)需要大量水源，因此只有干熱巖資源和水資源都豐富的地區(qū)才適合大規(guī)模開發(fā)。再次，干熱巖開發(fā)有許多技術(shù)難題，預(yù)計(jì)要到2030年后才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。