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地熱能開發利用現狀與未來趨勢

相較其他迅速擴張的可再生能源,地熱能發電的發展始終不溫不火。2020年水電、光伏發電、陸上風電裝機容量已分別達到 1154GW、710GW、698GW,占可再生能源裝發電機總量的 87.7%;與此同時,2020年全球地熱總裝機量 14GW,僅佔全球可再生能源總裝機容量的 0.5%。

妙盈研究院2022-05-11
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圖源:Unsplash

 

同樣是可再生能源,地熱能顯然不是最受關注的那個。

 

地熱能是一種古老的能源。它存在於地殼下的岩石和流體中。從淺層地面,到地表下數公里或更深,這些能量可以通過鑽井採集蒸汽和高溫熱水被帶到地表上,用於發電、直接使用以及供暖和製冷。

相較其他迅速擴張的可再生能源,地熱能發電的發展始終不溫不火。2020年水電、光伏發電、陸上風電裝機容量已分別達到 1154GW、710GW、698GW,占可再生能源裝發電機總量的 87.7%;與此同時,2020年全球地熱總裝機量 14GW,僅佔全球可再生能源總裝機容量的 0.5%[1]。

 

圖表 1:2000-2020年主要非水電可再生能源裝機量(MW)

來源:IRENA, 妙盈研究院整理

 

圖表 2:2000年-2020年地熱發電裝機規模

來源:IRENA, 妙盈研究院整理

 

地熱發電在各大洲的一些國家取得了成功。在薩爾瓦多,人均GDP約4000美金的中美洲國家,地熱發電裝機佔所有可再生能源裝機的13.6%。在紐西蘭、肯亞、菲律賓和冰島,該項佔比數字分別為13.3%、37.6%、25.5%和26.3%[2]。此外在冰島,地熱覆蓋了90%以上的供暖需求。目前有20多個國家部署了地熱發電。美國是地熱發電規模最大的國家,世界上最大的地熱開發專案是加州三藩市北部的間歇泉,該專案包含18個地熱電站,合計裝機容量達到了845MW[3]。在2019年,The Geysers發出的電量佔到加州所有可再生能源的20%[4]。

地熱發電的成本在很大程度上偏向於初期投資,而不是維持其運行的相關費用。首先是鑽井和管道建設,然後是實際工廠的設計。電站建設通常與最終的場地施工同時完成。一個地熱電站的場地開發和電站建設的初始成本約為300萬 – 500萬美元每MW裝機[5]。運營和維護成本從每千瓦時0.01美元到0.03美元不等。大多數地熱發電廠可以在90%以上的可用率下運行(即90%以上的時間生產),但在97%或98%下運行會增加維護成本 [6] 。

2007年至2019年期間,地熱的LCOE從現有場地二次開發的0.04美元/千瓦時到偏遠地區的綠地開發的0.17美元/千瓦時不等。根據IRENA的估算,全球加權平均LCOE從2010年投產專案的0.05美元/千瓦時左右上升到2019年的0.07美元/千瓦時左右[7]。由於近些年風能和光伏發電LCOE快速下降的趨勢,這一數值在可再生能源中已經沒有優勢,但是這仍然大大優於風光能配套儲能的LCOE,也說明瞭在有高品質熱源的情況下,地熱發電作為基荷電源可以提供有競爭力的電價。

 

技術革新引領地熱能更多樣開發

發展至今,目前已有多類地熱能利用技術,他們也有不同的技術成熟度。地熱直接利用的技術,如區域供暖、地熱泵、以及一些其他應用,都已經在世界各地被廣泛使用。

在地熱發電技術中,利用高溫(180°c及以上)熱液儲層(reservoir)中的汽水混合物介質來發電是穩定成熟的技術。至今為止運行的地熱電站,大部分都是應用乾蒸汽或閃蒸工藝,從而獲取高溫地熱資源:

  • 乾蒸汽發電是最古老的地熱發電技術,它的原理是直接將蒸汽從地下的裂縫中抽取到發電機組進行發電。干蒸汽從蒸汽井中引出,經過分離器分離出固體雜質后,進入汽輪機做功,驅動發電機發電。干蒸汽電站所用發電設備基本上與常規火電設備相同。世界上第一座地熱電站即採用的乾蒸汽發電,該電站於1904年建成,位於義大利Tuscany。前文提到的The Geysers專案的18個地熱電站都是採用干蒸汽發電技術。
  • 閃蒸發電的原理是提取深層的高壓熱水,經過降壓分離出水和乾燥的飽和蒸汽,飽和蒸汽進入汽輪機驅動發電。通過汽輪機的蒸汽冷凝成水和分離水一起被注入回地下再次使用。目前世界上的大多數地熱電站都是閃蒸發電站。

雙工質(雙迴圈)發電技術在過去十年間取得了快速發展,促使中溫(90°c - 180°c)地熱源也越來越多地被利用起來。在雙工質電站中,地熱熱水通過熱交換器,將沸點比水低的工藝流體加熱轉變成蒸汽,蒸汽進入汽輪機驅動發電。未來的大多數的中溫地熱發電廠將是雙工質發電電站。

 

此外,一些新興技術正浮出水面,使得條件更複雜的場地和熱源可以被利用。

一個典型代表是增強型地熱系統(EGS)。EGS的原理是通過人工工程形成的裂縫,從低滲透性的高溫乾熱岩(Hot dry rock)中,經濟地採出熱能以利用。這些乾熱岩一般深埋在地下2000米以上。與傳統可利用的地熱場地比,乾熱岩系統的儲層處於無水或基本無水狀態,能夠解決傳統地熱發電受地理分佈限制的問題。這一類原本無法觸及的地熱資源通過EGS開發,潛在空間達到100GW以上[8]。目前,美國、歐盟、韓國等國家地區建設了試驗性的EGS發電廠,尚未形成商業規模。

图源:美国能源局

 

另一個正在發展的技術是分散式井口電站。傳統地熱電站採用集中式,即多個井口的流體彙集到集中電站發電,一般選用大功率(>30MW)的汽輪機做工驅動發電機,並需要建設遠距離流體輸送管線。在建設週期方面,集中式電站需等待所有熱井鑽探完成並取得測井數據後進行設計,輸送管線的建設也需要相對較長週期,導致整個電站的投資開發週期長至5-7年。集中式大機組的初始資本支出也較高 – 例如一個30MW的集中式地熱電站要求的初始投資就達到9000萬到1.5億美金。分體式電站的實現主要得益於螺桿膨脹機作為汽輪機的替代品。螺桿膨脹機特點是功率小,一般為50KW-8MW;效率可以達到78-81%(vs汽輪機80-83%);對熱源品質要求低,不需要飽和蒸汽,可以適用帶液蒸汽;結構簡單,在運行維護要求低。低功率要求使得井口模式有了實現的基礎(一般單井口的功率都在幾MW的水準):即一口井或者幾口井就建一個電站,模組化安裝。後續可以實現邊發電邊開發,現金流可持續。有效降低開發風險和初始投資成本 [9] 。

值得一提的是,從技術原理和實現手段來說,利用中高溫地熱發電與工業和建築的餘熱利用比較接近,這些來自工廠和辦公樓的餘熱資源也通常以高溫熱水和蒸汽的形式存在。兩個領域的需求疊加可以更快促進相關技術的發展和進步。

 

產業鏈參與者

在高溫地熱設備領域,以汽輪機廠商為主,其中日本廠商主宰份額,包括三菱重工(70111.T)、東芝(6502.T)、富士電機(6504.T)。在國內,哈爾濱電氣(01133.HK)和東方電氣(600875.SH)也有提供。值得一提的是,汽輪機本身應用領域眾多,是一個非常龐大的市場,全球範圍內達到200億美金。

雙工質發電技術上,來自美國的Ormat(ORA)是絕對的領先者。Ormat公司於1965年在以色列成立,至今建設了超過190座地熱電站,合計裝機超過3200MW,佔據70%以上的市場份額。

開山股份(300257.SZ)是雙工質發電技術領域的強有力競爭者。它擁有全球領先的螺桿膨脹機技術,推動分散式井口電站模式的實施。根據公開披露,開山股份目前已在運營的地熱專案有50MW,儲備的總規模達到540MW。

增強型地熱系統(EGS)領域的技術尚在示範性推廣階段,因此該領域代表性的公司基本是年輕和小型的創業公司,包括Fervo,AltaRock。Ormat也是積極推動EGS發展的公司之一。

 

總結與展望

地熱資源有其獨到的優勢,一是它可以非常持續穩定的產生電能,起到風能和光伏發電不能提供的基荷電源的作用,並且可以為短期和長期靈活性提供輔助服務。二是它不依賴進口燃料,從而保證本國能源安全,是尋求能源獨立的各國可以優先考慮的氣候友好型能源之一。

儘管被一些分析師忽視,地熱資源的技術提供方已經在排兵布陣,準備好了下一代技術推動地熱資源更多樣的開發。

 

參考資料
[1][2][7] IRENA. Data & Statistics, https://www.irena.org/Statistics
[3] USGS. The Geysers Geothermal Field, https://www.usgs.gov/volcanoes/clear-lake-volcanic-field/geysers-geothermal-field
[4] McCarthy, Will (2020-02-06). "The pros and cons of enhanced geothermal energy systems". Yale Climate Connections.
[5][6] US Department of Energy. Geothermal FAQs, https://www.energy.gov/eere/geothermal/geothermal-faqs
[8] US Department of Energy. Enhanced Geothermal Systems Demonstration Projects, https://www.energy.gov/eere/geothermal/enhanced-geothermal-systems-demonstration-projects
[9] 蔡正敏等. "浅谈分布式井口地热电站在肯尼亚Olkaria地区的应用." 可持续能源 4.6(2014):6.
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