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干热岩:“可供中国使用3800年” 的清洁能源?

来源:中国新闻周刊 作者:彭丹妮 人气: 发布时间:2022-02-08 12:35:26

最近,一些自媒体声称,山东发现新能源“巨大宝藏”,储量大约相当于180亿吨煤炭,可供中国使用3800年。这里所说的宝藏,是一种地壳较深处的高温岩体——干热岩。在全球经历了一个缺煤、气荒的2021年之后,如果在我们脚下就埋藏着如此海量的能源,那无疑是惊天动地的大事件。

事实上,这个“发现”并不是最近的事。早在2016年,就有权威媒体报道,山东省第一地质矿产勘查院发现了中国东部赋存条件最好的干热岩。该勘察院水文地质所主任景晓东预测,仅在威海市文登区一处,高温干热岩的能量即使只有2%被利用,便可供山东全省使用38年,“其效益不亚于找到一座大型金矿。”

(资料图片)位于法国的苏尔茨项目,是迄今为止全球最成功并稳定商业发电的干热岩开发项目。

到了2019年,有媒体报道,该项目也在山东日照市莒县、五莲县一带发现干热岩富存区,资源量折合标准煤总计超过187.79亿吨。2017年到现在,中国煤炭消耗量平均每年在40亿吨左右,因此,假设山东蕴藏的干热岩能量相当于187.79亿吨煤,也不可能供中国使用3800年。但更为关键的是,山东真的找到了这样一座地下“金矿”吗?

对于这类新闻,中科院地质地球所地热资源研究中心主任庞忠和表示,这属于严重地误导公众。虽然干热岩储量大、无污染,但它是一种开采难度极大的地热能。放眼全球,真正运行得较为成功的项目,也屈指可数。中国现在并没有干热岩的开发技术,只是处在调查和基础研究阶段。

储量比煤、油、气多30倍的清洁能源

按照地热学的基本规律,越靠近地球深部,温度越高,地表往下每走一千米,地球平均大约增温30℃。因此,可以想见,只要能够开采得足够深,地球可以给人类回馈的热能资源储量,无疑是巨大的。一个学界常引用的说法是,地壳中距地表3~10千米深处的干热岩所蕴含的能量,相当于全球石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。

德国卡尔斯鲁厄理工学院教授、地球科学研究所地热能部门主席托马斯·科尔告诉《中国新闻周刊》,距地表3千米以下的地壳,主要由火成岩和变质岩组成,它们的特点是有足够的温度,但缺乏孔隙,这些岩体并不是真的“干”,流体含量只是不够。比起温泉、地热水井这类地热形式,干热岩型地热资源,占据了绝大多数地球热能。

1970年代的美国,正值遭遇全球石油危机时期,对干热岩的开发,也就从那时的美国开始。目前为止,全球已经开展了约64个干热岩实验或开采项目。

中国的干热岩调查工作,是从“十二五”期间正式开始的,这与当时中国开始重视雾霾治理、改善大气环境的背景密不可分。因为干热岩如果可以大规模开发和应用,将是一种资源含量非常巨大的可再生清洁能源。

干热岩将来主要的用途是发电。由于干热岩的温度很高,发电过后的尾水还能达到70~80摄氏度,相当于普通地热水,能再次用于供暖、制冷。干热岩不仅体量巨大,而且,用于发电几乎是零排放,又比风能、水能等清洁能源更加稳定,不受气候影响。文献还指出,一处干热岩发电站使用大约20年后,岩体温度会下降,不能继续使用,但是地心岩浆会再次“加热”这些岩石,几十年过后,热能便可再次利用。

2012年,“863”项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”立项,拉开了干热岩寻找与技术研究的序幕。2014年10月,中科院地质与地球物理研究所对青藏高原共和盆地两处勘探孔地热温度做了测试,发现地下2880米处,花岗岩体温度达到181℃,是中国首次探明的干热岩资源。

中国地质调查局水文地质环境地质研究所研究员王贵玲等人于2012年发表在《地球学报》的文章便进行过储量估算,给出的结果是:中国大陆3~10千米深处的干热岩资源,相当于860万亿吨标准煤,按2%的可开采资源量计算,相当于当时中国能源消耗总量的5200倍。

干热岩因此被认为是未来煤炭、石油等化石能源枯竭后,最具潜力的战略接替能源。根据王贵玲等人2020年发表的论文《中国地热资源现状与发展趋势》,中国现在已经圈定了12处干热岩勘探点,开展开发实验,并追踪国外技术。

2019年,河北省煤田地质局组织的干热岩勘查项目称,在唐山市马头营3965米深度,钻获了京津冀地区埋藏最浅的干热岩,估算4500米以浅、195平方公里范围内,远景资源量折合标准煤为78亿吨。2021年年中,该项目开展了干热岩试验性发电。

2022年1月,江苏泰州“苏热1井”干热岩项目开始进行压裂试验,该项目由江苏省自然资源厅投入4630万,是江苏第一个干热岩预查验证孔。据泰州地区初步估算,其干热岩资源含量折合标准煤196万亿吨。

庞忠和参与了许多国家地热能相关的战略规划和标准制定,这两年,他感到干热岩得到的关注越来越多了。2020年,是中国“碳中和”元年,地热作为五大非碳基能源之一,得到了更进一步的重视。2021年,在中科院重大咨询项目“中国碳中和框架路线图研究”中,干热岩的开发就是专题内容之一,与地热能开发有关的高层会议也不少。

王贵玲曾在接受媒体采访时将干热岩开发比喻为“给地球安装插头”,如果能够成功地装上这个插头,唾手可及、源源不断的能源将不再是妄谈。

储量不都等同于资源

近些年,很多人找到庞忠和,问他,想投资干热岩,应该去哪儿开采?他通常会跟对方说:你先别考虑投资了,风险太大,有可能血本无归。

并不是人们想象的那样,随便在地球上选一个点,往深处钻探,就能得到干热岩。庞忠和说,按照定义,温度在180℃以上,岩体含水量特别少或不含水,在现今的技术、经济条件下能够开发利用的地热能,才能被称为干热岩资源。

他强调,如果温度没有达到180℃,开采不可能划算,而最后一条,能够开发利用也很重要,否则就不能被称为资源。往深处钻井,普遍能找到地热。人们都知道地心温度超过6000℃,但是不可能被利用。前几年,松辽盆地的一处勘探井,在7018米深处发现了240℃的高温地热,庞忠和说,这不叫干热岩资源,因为太深了,不可能开发。当不具备经济或者技术的可行性时,谈多少储量,也就没有意义。

干热岩的分布并不一定是同一深度,因此,地下3千米还是4千米,只是一个大概范围;即便同一深度,地质构造、岩体温度也是千差万别,学界称之为“开采条件评价”。

庞忠和说,在美国西部,两千米以下的地壳,地热就能达到200℃。但在中国,在华北、东北、东南沿海等区域,要达到180℃,普遍要钻井达到6千米,这就超出了当前技术可以开发、成本可以承受的范围。山东省的干热岩,就属于这种埋藏条件。

因此,对于山东声称“可供全省使用38年”的干热岩能源,庞忠和看了该区域地下温度分布曲线之后发现,其地热温度来自于局部断裂的地质构造,该断裂把深部的热能通过热水带到浅部,使得地壳浅部出现一段异常的高温,但是再往深处开采,温度并不会在这个异常高温值基础上继续增加。

从资源勘探的角度来说,位于青海的共和盆地是中国目前干热岩开采条件最优质的地方。庞忠和说,这里大约地下4千米的深度,地热温度能达到200℃,再继续往深部走,温度也随之增高,大约每一千米能增加45℃。2010年之后,全球新启动的10个干热岩开发项目中,青海共和项目也是备受关注的一个。但能否实现商业化开采,则是另外一回事。

2003年,位于澳大利亚库珀盆地的干热岩开发项目立项,体量属于全球最大。该项目在4千米深处,能钻获的地热温度达到250℃,但由于钻井难度大和出口处蒸汽高温不能有效维持,迄今为止一直没有实现商业化,政府也不愿再出资。

在欧洲,位于法国的苏尔茨项目,由德国、法国、英国联合开展,是目前为止,全球最成功并稳定商业发电的干热岩开发项目。苏尔茨项目有4口钻探井,在5千米的深度,获得的温度为200℃。不过,庞忠和告诉《中国新闻周刊》,这个项目的投入和产出是很不划算的。欧盟为其注资了上亿欧元,但该项目现在加起来的能源出力,大约是两个兆瓦。

尚没有出现颠覆性的开发技术

2010年,庞忠和参加了中国科学院院组织的“中国能源路线图2050”制定工作,关于深层地热能的开发,包括干热岩,预计工程化的时间节点是2035年。现在看来,这个时间线的判断是基本合理的,庞忠和说,目前这个领域并没有出现颠覆性的技术。

开发干热岩的技术被称为增强型地热系统(EGS),是指通过水力压裂等工程手段在干热岩体中形成人工地热储层,采出大量热能的人工地热系统。储层是油、气、水等物质储集和流动的岩层空间。

美国曾将EGS技术列为最为重要的新能源技术之一,开始进行研究。但干热岩项目的“鼻祖”,1973年在美国新墨西哥州开展的芬顿山项目,最终也因经费、技术等问题被迫停止。

庞忠和介绍,地热的开发利用,就是跟地球进行换热,这个过程如果用流体进行,会比没有流体的传导式换热,效率至少高3~5倍。因此现在的地热开发,主要是通过抽水把热能带上地表来,成本才经济划算。而在地表4千米往下,地球的裂隙愈小,物质结构越紧密,基本上含水量特别低,不具备水热型地热开发的条件。

除了深部钻探、压裂的高昂成本与技术困难,另一方面,干热岩的开发还会因为不时诱发地震,成为开发干热岩时的一个重大安全问题。庞忠和说,因为压裂岩体时需要施加巨大的力量,对天然的应力场有比较明显的改变,再加上干热岩开发本身就偏爱有天然裂隙构造的地方,人工活动会让裂隙活化,两种情况都可能导致地震。

在瑞士第三大城市巴塞尔,市中心有一口废弃的钻探井,是这里曾经试图开发干热岩留下的痕迹。庞忠和曾造访过,他说,2004年左右,项目的压裂过程诱发了微小地震,最大震级约有3.5级,引发了周边居民的不满。他们起诉开发商,最后,以开发商赔偿几百万欧元、项目破产而告终。

不过,即便干热岩的开发仍然处在非常初级的阶段,科学家们认为,对于这种高难度能源开采的探索,能够为地热能的全面开发,奠定通用的关键技术。例如,将EGS技术应用到浅一点的地层,比如说4千米以上的中深层,将原有的岩体裂隙增加、扩大,就能加大流体循环效率,能够置换出更多热源,学界称之为“人工增强”。

庞忠和举例,世界上最大的地热电站位于美国西部加利福尼亚州北部的盖瑟斯镇,过去大约有500兆瓦的发电能力,得益于这套人工增强技术,再抽取附近的湖泊水进行热交换,一下子将装机容量提高到750兆瓦,效率增加了大约40%。

“人类早已能够登上月球,但对地下的探索却很少。”曾经在2007年~2013年期间担任过法国苏尔茨项目科学主管的艾伯特·让泰说,可能在地壳更深处,就有天然储层和地热水,只是目前的技术还无法探测到。多位业内学者也表示,这个领域的技术开发和实验,现在得到的投入和关注却不够。

也许再过5年、10年,当行业有了颠覆性的技术创新,使得钻探成本能比现在降低1/2或者1/3时,干热岩就能大规模开采了。在此之前,庞忠和认为,对地热能的商业化投资,应该立足于浅层和中深层现实可行的资源,而不是好高骛远地追求干热岩,甚至刻意追求概念噱头和标新立异。

编辑:蓝枫

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