美國地熱能利用概述及技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展趨勢-地熱發(fā)電-地熱供暖

由美國能源部(DOE)和國家可再生能源實(shí)驗室(NREL)聯(lián)合編制的《2021年美國地熱發(fā)電和區域供暖市場(chǎng)報告》，反映了2019年美國地熱發(fā)電和地熱區域供暖的發(fā)展現狀、發(fā)展預測及地熱能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展方向。

美國的地熱能發(fā)電裝機量位于世界首位，地熱發(fā)電技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，但近年來(lái)，美國地熱發(fā)電發(fā)展相對緩慢。由于美國有更廉價(jià)的天然氣資源作為供暖的主要來(lái)源，所以，地熱能區域供暖的發(fā)展較為滯后。從未來(lái)的地熱能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展方向來(lái)說(shuō)，美國關(guān)注增強型地熱系統技術(shù)、閉環(huán)工質(zhì)循環(huán)地熱技術(shù)、地熱發(fā)電靈活調度技術(shù)、地熱鹽水鋰提取技術(shù)、地下熱能存儲技術(shù)、油氣地熱伴生開(kāi)發(fā)技術(shù)、超臨界地熱技術(shù)和地熱能微網(wǎng)技術(shù)。

一、地熱發(fā)電

(一)發(fā)展總體概況

目前美國共有93個(gè)地熱發(fā)電站，總裝機容量為3673MW。近年來(lái)，美國地熱發(fā)電裝機量增長(cháng)緩慢，根據統計，從2015年至2019年期間，美國新增了7個(gè)地熱發(fā)電站，總裝機容量186MW，但同期11個(gè)地熱電站退役，總裝機容量103MW。

圖1 美國地熱發(fā)電總體概況

(注：凈容量定義為全年地熱發(fā)電量除以全年地熱發(fā)電小時(shí)數)

技術(shù)路線(xiàn)上，美國地熱發(fā)電以干蒸汽發(fā)電技術(shù)和閃蒸法(含單級閃蒸、雙級閃蒸和三級閃蒸)發(fā)電技術(shù)為主，自2000年至2020年以來(lái)，美國新增地熱電站中，幾乎均為雙級閃蒸法發(fā)電技術(shù)系統，僅有一家為三級閃蒸系統。服役年限上，美國已經(jīng)有超過(guò)64%的地熱電站服役年限超過(guò)30年，在運20-30年的地熱電站占6%，在運10-20年的地熱電站占13%，在運小于10年的地熱電站占17%。地域分布上，加州和內華達州擁有美國溫度最高的地熱資源，因此這兩個(gè)州的地熱發(fā)電量占美國地熱發(fā)電量的90%以上，其余主要分布在阿拉斯加、夏威夷、愛(ài)達荷、新墨西哥州、俄勒岡和猶他州，加州共計有51座地熱電站，總裝機容量2627MW，內華達州共計有28座地熱電站，總裝機容量797MW。價(jià)格成本上，地熱發(fā)電的成本在59美元/MWh到101美元/MWh之間，仍然高于燃機發(fā)電和風(fēng)電光伏的發(fā)電成本，美國的地熱發(fā)電成本預計到2050年將降至42美元-77美元/MWh之間。

圖2 不同技術(shù)路線(xiàn)的美國地熱能發(fā)電站裝機容量分布

(二)項目開(kāi)發(fā)障礙

1. 技術(shù)障礙

(1) 針對識別和開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)高溫地熱資源，未來(lái)需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)先進(jìn)勘探開(kāi)發(fā)技術(shù); (2) 地熱鉆井成本較高從而導致項目前期開(kāi)發(fā)成本高，未來(lái)需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效經(jīng)濟的地熱鉆井技術(shù); (3) 進(jìn)一步研發(fā)長(cháng)時(shí)間、可持續、高循環(huán)量的EGS循環(huán)系統。

2. 政策障礙

(1) 以美國現有的PPA協(xié)議電價(jià)體系，地熱發(fā)電難以被發(fā)現優(yōu)勢并獲得合理的PPA協(xié)議電價(jià);

(2) 根據美國《國家環(huán)境政策法》，位于聯(lián)邦管理土地上的地熱項目在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最多可接受六次環(huán)境審查。此外，各級審查均有嚴格要求，地熱項目開(kāi)發(fā)的時(shí)間框架可能長(cháng)達7至10年。

3. 公眾認知

民眾普遍缺少對地熱能的正確科學(xué)認知，地方政府和民眾普遍認為開(kāi)發(fā)地熱能具有高危險性和高成本。

(三)未來(lái)發(fā)展預測

自2019年底以來(lái)，已經(jīng)簽署了9個(gè)新的地熱能項目PPA電價(jià)協(xié)議，分別位于加州(6個(gè))、猶他州(1個(gè))、夏威夷州(1個(gè))和阿拉斯加州(1個(gè))。裝機容量3MW-46MW，PPA電價(jià)67.5美元-74美元/MWh，協(xié)議年限20年-30年。

根據在一般發(fā)展場(chǎng)景、政策促進(jìn)場(chǎng)景、技術(shù)革新場(chǎng)景三個(gè)場(chǎng)景下對美國未來(lái)地熱能發(fā)電裝機的預測：一般發(fā)展場(chǎng)景下，到2050年，美國地熱裝機的夏季凈容量將從2.5GW增加到6GW;政策促進(jìn)場(chǎng)景下，到2050年，美國地熱裝機的夏季凈容量將增加至13GW，這一預測接近于美國能源信息署(EIA)的預測;在技術(shù)革新場(chǎng)景下，到2050年，美國地熱裝機的夏季凈容量將增加至60GW，其中45GW源于干熱巖增強型地熱系統的貢獻。(注：夏季凈容量即為夏季總發(fā)電量除以夏季發(fā)電小時(shí)數)

二、 區域供暖

(一)發(fā)展總體概況

在美國，地熱區域供暖項目最初是在高品位水熱型地熱資源附近開(kāi)發(fā)的，但該技術(shù)正在向中-低品位水熱型地熱資源地區擴展。目前，美國共有23個(gè)地熱區域供熱系統，總容量超過(guò)75MWth。

圖3 美國地熱區域供暖項目安裝數量

商業(yè)開(kāi)發(fā)上，美國的地熱區域供暖大部分還未開(kāi)發(fā)，直接利用地熱能只提供了美國目前總用熱需求的0.1%，原因主要有兩點(diǎn)，一是當前美國天然氣價(jià)格較低，鼓勵地熱能供熱的驅動(dòng)力不強，二是民眾和地方政府對地熱區域供暖技術(shù)沒(méi)有足夠重視。區域分布上，美國所有的地熱區域供暖項目均位于美國西部，2000年以來(lái)新安裝的4個(gè)項目全部位于加州和俄勒岡州。裝機規模上，系統的容量范圍從0.1 MWth~20 MWth以上，平均裝機容量4MWth。服役年限上，美國82%的地熱區域供暖系統已經(jīng)使用了30年以上，剩下的18%中，有一半已經(jīng)超過(guò)了10年服役期。利用情況上，美國地熱區域供暖系統的平均利用率為23%，這種低利用率主要歸結于經(jīng)常無(wú)法滿(mǎn)負荷運行及供暖的季節性原因。成本價(jià)格上，美國地熱區域供暖的成本在15美元~105美元/MWh之間，平均54美元/MWh，在這23個(gè)商業(yè)項目中，有10個(gè)獲得了美國能源部的貸款和贈款支持。事實(shí)證明，聯(lián)邦、州和地方資金支持對發(fā)展美國大多數現有區域供熱項目至關(guān)重要。

(二)項目開(kāi)發(fā)障礙

1. 技術(shù)障礙

(1) 高等級地熱資源和供熱需求逆向分布特征，美國地熱資源豐富的地區位于美國西部，而供熱需求旺盛的地區位于美國東部，且美國的用熱、用冷系統多樣性大，改造過(guò)程復雜;

(2) 針對識別和開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)高溫地熱資源，未來(lái)需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)先進(jìn)勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)。

2. 政策/市場(chǎng)障礙

(1) 美國的地熱采暖和制冷技術(shù)并未受益于一些州的碳核算機制，如排放交易或可再生能源組合標準(RPS)，天然氣作為一種廉價(jià)的供暖能源品種，相比于地熱供暖更具有經(jīng)濟性;

(2) 與其他國家甚至其他可再生能源技術(shù)相比，缺乏聯(lián)邦或州政府的激勵措施，如補貼或稅收抵免;

此外，美國的能源基礎設施以蒸汽管道為主，若采用地熱供暖，則需要對地熱供應的熱水分配系統進(jìn)行改造。

(三)未來(lái)發(fā)展預測

根據對一般發(fā)展情景和技術(shù)革新情景下的模型預測結果，在一般發(fā)展情景下，技術(shù)、經(jīng)濟和市場(chǎng)潛力分別為27000 MWth、2800 MWth和1000 MWth;在技術(shù)革新情境下，經(jīng)濟和市場(chǎng)潛力分別為27000 MWth、4600 MWth和1600 MWth。如果將增強型地熱開(kāi)發(fā)技術(shù)和區域供熱技術(shù)考慮在內，則相應數值最高可高出兩個(gè)數量級。

三、 新興技術(shù)

(一)增強型地熱系統技術(shù)

增強型或工程型地熱系統(EGS)在兩個(gè)或多個(gè)鉆孔之間建立水力連接，以實(shí)現流體循環(huán)。這使得低滲透巖石中的熱量可以被用來(lái)生產(chǎn)地熱能。滲透率可以通過(guò)水力(或機械)增產(chǎn)來(lái)提高。

美國已經(jīng)開(kāi)展了數個(gè)示范項目，其中有3個(gè)項目仍然處于活躍度比較高的狀態(tài)。由美國能源部支持的EGS示范項目在地熱能研究前沿天文臺(FORGE)開(kāi)展。FORGE站點(diǎn)位于猶他州米爾福德附近，旨在通過(guò)專(zhuān)注于現場(chǎng)規模的測試和監測，為開(kāi)發(fā)EGS資源創(chuàng )建一個(gè)可復制的過(guò)程，從而加速EGS的研究和開(kāi)發(fā)。相關(guān)的FORGE 路徑圖確定了EGS的關(guān)鍵研究領(lǐng)域:增產(chǎn)計劃和設計、裂縫控制和油藏管理。猶他 FORGE團隊最近完成了該項目的第一口大斜度深井的鉆井，鉆井時(shí)間不到最初預期的一半。該井將作為注采井對的注入井或生產(chǎn)井，深度溫度接近226°C。目前，FORGE站點(diǎn)包括一口試驗井和三口地震監測井。2020年7月，美國能源部地熱技術(shù)辦公室(GTO)組織Cyrq Energy、Ormat 和相關(guān)高校聯(lián)合開(kāi)展改善勘探開(kāi)采前沿技術(shù)研究，以便為在內華達州和加州開(kāi)展現有地熱田勘探、識別、訪(fǎng)問(wèn)、創(chuàng )建和管理EGS資源進(jìn)行技術(shù)儲備。美國能源部還資助了EGS協(xié)作項目，該項目是位于南達科他州鉛市桑福德地下研究設施的一個(gè)現場(chǎng)實(shí)驗室，一個(gè)合作團隊正在進(jìn)行EGS儲層創(chuàng )建和模型驗證的測試。

(二)閉環(huán)地熱技術(shù)

閉環(huán)地熱(CLG)能源系統使用密封的井來(lái)使熱傳輸流體在地下循環(huán)，這樣就不需要從滲透性巖石地層中流動(dòng)地熱流體。然而，在致密巖石中，為了克服井筒附近有限的熱補充，可能仍然需要滲透率。CLG可能能夠在廣泛的溫度和巖石條件下產(chǎn)生熱能和動(dòng)力，包括低溫沉積帶和高溫干巖層。CLG還增加了可行的地熱項目的數量，因為它可以用于以前不生產(chǎn)的地熱井。隨著(zhù)時(shí)間的推移，由于儲層熱水化學(xué)變化，地熱井可能會(huì )啟動(dòng)或不再生產(chǎn)。CLG還可以應用于高溫地層的枯竭油氣井。對現有井進(jìn)行改造而不是鉆探新井，將降低地熱項目固有的高鉆探風(fēng)險和成本。由于沒(méi)有流體流失到周?chē)牡貙又?，因此可以?jiǎn)化環(huán)境允許的過(guò)程，并替代熱傳輸流體(如超臨界CO2)，在一定條件下可能優(yōu)于水。雖然CLG還沒(méi)有商業(yè)化，但有一些正在進(jìn)行的示范項目。在Coso地熱田，GreenFire Energy公司在一個(gè)現場(chǎng)規模的閉環(huán)系統中安裝了一個(gè)井下熱交換器，目標井有幾兆瓦的潛力，但由于不凝氣含量高而沒(méi)有使用。水和超臨界CO2被成功地用作熱傳輸流體。水產(chǎn)生不含不凝氣體的蒸汽，將超臨界二氧化碳加熱直接發(fā)電。Eavor技術(shù)公司最近完成了位于加拿大阿爾伯塔省的Eavor-lite示范項目。Eavor-Lite是一個(gè)全尺寸原型閉環(huán)系統。鉆井和施工于2019年8月開(kāi)始，該設施于2019年12月投入使用。

(三)地熱發(fā)電調度技術(shù)

可調地熱能在技術(shù)上是可行的，并已在夏威夷的普納合資企業(yè)進(jìn)行了演示。地熱發(fā)電廠(chǎng)可靈活運行，提供輔助和電網(wǎng)可靠性服務(wù)(如電網(wǎng)支持、調節、負荷跟蹤、旋轉儲備、非旋轉儲備、替換或補充儲備)。曾經(jīng)有地熱發(fā)電廠(chǎng)過(guò)去提供靈活的模式，但由于需求低、設備額外壓力帶來(lái)的運營(yíng)和維護成本高，以及水力發(fā)電、煤炭和天然氣發(fā)電成本較低，這種模式在20世紀90年代初停止。由于地熱發(fā)電廠(chǎng)的經(jīng)濟性主要取決于資本成本，而且運行成本相對較低，因此運營(yíng)商傾向于基礎負荷發(fā)電，以實(shí)現收益最大化。部署可調度地熱更多的是一個(gè)經(jīng)濟問(wèn)題而不是技術(shù)問(wèn)題。需要進(jìn)一步的研究來(lái)評估靈活地熱操作的經(jīng)濟參數，以及未來(lái)電網(wǎng)對基負荷與可調度地熱發(fā)電廠(chǎng)的要求。

地熱能作為可調性資源的價(jià)值可能隨著(zhù)靈活可再生能源的高滲透而增加。例如，在孤立或島嶼電網(wǎng)中，需要靈活的可再生能源。在夏威夷，普納地熱投資工廠(chǎng)代表了第一個(gè)完全可調度的地熱工廠(chǎng)。2011年，普納地熱風(fēng)險投資公司和夏威夷電力照明公司達成了一項8MW的擴建協(xié)議，該電廠(chǎng)已擴展到38MW，其中16MW的靈活產(chǎn)能。在歐洲也有柔性地熱的例子，在德國慕尼黑有5個(gè)柔性地熱發(fā)電廠(chǎng)，其中3個(gè)還向集中供熱網(wǎng)絡(luò )提供熱量。

(四)混合地熱技術(shù)

混合地熱技術(shù)是采用“地熱+”的能源形式，以地熱能和其他能源相結合，形成多能互補系統，實(shí)現能量梯次利用。未來(lái)主要關(guān)注的是熱電發(fā)電技術(shù)，包括太陽(yáng)能熱電、煤炭熱電和天然氣熱電混合發(fā)電系統。地熱能還可用于工藝熱應用，如從化石熱電廠(chǎng)捕獲二氧化碳和熱脫鹽，地熱能可增強壓縮空氣能量存儲等。

(五)礦物質(zhì)(鋰)提取技術(shù)

綠色低碳技術(shù)的蓬勃發(fā)展推動(dòng)了鋰、稀土元素的需求。鋰主要是從富含鋰的海水、地下熱鹽水或巖石中提煉獲得?，F階段，美國進(jìn)口的鋰主要來(lái)自于阿根廷、智利和玻利維亞。如果能充分利用美國的地熱鹽水高效開(kāi)采鋰資源，將大大豐富美國的礦產(chǎn)資源。美國最豐富的地熱鹽水鋰礦資源位于美國加州的索爾頓海，地熱鋰濃度400mg/L。美國加州能源委員會(huì )已經(jīng)關(guān)注在該地區提取鋰資源技術(shù)的研發(fā)，并期望以此為依托在美國創(chuàng )造“世界級的鋰產(chǎn)業(yè)”。美國公司Lilac Solutions與澳大利亞公司Controlled Thermal Resources(CTR)合作的美國加州索爾頓海鹽湖地熱鹽水鋰礦，憑借其創(chuàng )新的鋰回收技術(shù)，吸引了比爾·蓋茨旗下風(fēng)投Breakthrough Energy Ventures(BEV)的2000萬(wàn)美元的投資。該技術(shù)用獨有的離子交換珠技術(shù)取代了傳統的蒸發(fā)池方法，能夠連續高效率地處理地熱鹽水，從而提純出電池級的鋰產(chǎn)品。該技術(shù)不僅可以降低生產(chǎn)成本，還能充分利用低品位的資源。此外，美國能源部也在開(kāi)展地熱鋰資源開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)支持。

(六)地下熱能儲存技術(shù)

地下熱能儲存(Thermal Energy Storage, TES)是利用地下的自然熱容來(lái)存儲熱能供以后使用。

含水層TES在地下含水層中以適中的溫度儲存熱能。大多數含水層TES系統位于荷蘭，井深通常為10米~150米。這些含水層可以位于松散的沉積單元、多孔的沉積巖(如砂巖或石灰巖)或破裂的硬巖層中。根據適用溫度范圍劃分，含水層TES有三種不同類(lèi)型：在溫度超過(guò)60°C的深層含水層中可以進(jìn)行高溫存儲，中溫儲存范圍為30°C~60°C，地下幾百米的低溫儲存通常限制在30°C以下。含水層TES系統已經(jīng)在世界各地應用，歐洲有許多成功的系統。含水層TES在美國要有限得多，但在新澤西州的理查德·斯托克頓學(xué)院有一個(gè)含水層TES項目，在明尼蘇達州、俄亥俄州和馬里蘭州也進(jìn)行了含水層TES的可行性研究。

儲層TES利用地下的滲透層來(lái)儲存熱能。儲層TES是一項新技術(shù)，存儲溫度可在70°C~100°C之間，目前應用較少。使用的儲層通常比用于含水層TES的儲層更深、更熱，其特點(diǎn)是幾乎不流動(dòng)，這使得TES更容易控制。隨著(zhù)熱散失率的降低，儲層TES的效率會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而增加，儲層TES已被證明是大型建筑的一種可行的熱能來(lái)源。

其它TES技術(shù)，利用地下空間如坑、礦山和洞穴存儲熱量的方式雖然尚未得到廣泛應用，但已經(jīng)從基礎研發(fā)階段步入了實(shí)踐示范階段，歐洲已經(jīng)有少數項目利用礦井TES作為低溫熱源加熱建筑。

(七)油氣與地熱聯(lián)產(chǎn)開(kāi)發(fā)技術(shù)

油氣沉積盆地擁有豐富的地熱資源，油氣與地熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)日益受到關(guān)注。在美國，許多沉積盆地已經(jīng)鉆探石油和天然氣，留下了大量的鉆井記錄和地質(zhì)地層、溫度梯度和其他儲層性質(zhì)的特征，可以利用這些特征進(jìn)行低成本和低影響的地熱開(kāi)采。通常情況下，采出水與碳氫化合物的比值會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而增加，這意味著(zhù)在油氣儲量不斷減少的地區，油井可能會(huì )成為地熱聯(lián)合開(kāi)采或轉化的重要選擇。利用油氣井生產(chǎn)地熱能有兩種方法：一是，利用相關(guān)已有的鉆井裝備用于地熱資源開(kāi)采;二是，利用這些油氣井開(kāi)采油氣資源的同時(shí)，伴生產(chǎn)生地熱資源。在這兩種情況下, 重復使用現有井可以避免新井昂貴的鉆井成本，并提高社會(huì )接受度。懷俄明州落基山油田測試中心的一個(gè)項目已經(jīng)得到了該項技術(shù)的驗證，該項目使用油井聯(lián)合采出的地熱水為一個(gè)250kW的有機朗肯循環(huán)(ORC)地熱發(fā)電裝置提供熱源。未來(lái)，通過(guò)改進(jìn)現有的油氣裝備以使其更加高效地開(kāi)展油氣伴生地熱資源的地熱能開(kāi)采利用，將是一種重要的趨勢。

(八)地熱供冷技術(shù)

地熱能制冷是地熱能綜合利用的一個(gè)重要方面，在美國的大部分地區，制冷比供暖更需要。在阿拉斯加州的切納溫泉，吸收式制冷機的運行成本還不到備用系統的三分之一。

(九)超臨界地熱技術(shù)

超臨界地熱流體(>5km，>400℃)比目前深度(~3.5km)和儲層溫度(<350℃)的常規地熱流體相比，提供的能量要更大，據估計，超臨界地熱資源的能量潛力至少在一個(gè)資源區域達到十億瓦規模，每口井的能量是常規熱液資源的10倍。傳統的鉆井和完井技術(shù)、井下工具和地面設備不適合這些系統的極端溫度和腐蝕性流體化學(xué)成分。在冰島鉆出的第一口超臨界井(IDDP-1)產(chǎn)生了極具腐蝕性和研磨性的流體，該井進(jìn)行了1年多的流動(dòng)測試，并證明其產(chǎn)量可超過(guò)36MW。冰島第二口超臨界井IDDP-2沒(méi)有進(jìn)行測試，原因可能是流體的腐蝕性導致套管損壞。然而，該井的鉆井深度為4.7 km，井底溫度估計為535℃。這證實(shí)了即使是含有海水成分的流體也達到了超臨界域，冰島深井鉆探項目IDDP-3的第三口深井計劃在未來(lái)幾年進(jìn)行。此外，新西蘭等地熱資源豐富的國家也開(kāi)展了超臨界地熱能開(kāi)發(fā)技術(shù)的布局。

(十)地熱能微網(wǎng)技術(shù)

盡管在美國，地熱幾乎只用于大型電網(wǎng)項目，但地熱技術(shù)也能在微電網(wǎng)規模上提供電力。許多小型項目，包括并網(wǎng)和隔離，已經(jīng)成功運行了多年。它們提供了柴油發(fā)電機的替代方案，而柴油發(fā)電機通常用于遠程發(fā)電。幾個(gè)不斷變化的市場(chǎng)條件正在提高地熱微電網(wǎng)的競爭力，包括碳核算、小規模地熱發(fā)電的技術(shù)改進(jìn)(特別是ORC渦輪機效率、井口發(fā)電和設計優(yōu)化)，以及批量生產(chǎn)的模塊化系統的可用性。

成功的小型地熱發(fā)電廠(chǎng)在孤立和并網(wǎng)的環(huán)境中都有應用，通常與級聯(lián)直接使用項目相結合，以提高項目的經(jīng)濟效益。泰國清邁附近的方氏地熱系統采用低溫熱源(116°C)， ORC系統自1989年以來(lái)一直持續運行，余熱用于冷藏、作物干燥和水療。自2006年以來(lái)，一個(gè)680kW的孤立地熱微電網(wǎng)一直在阿拉斯加的切納運行，第一年的運行節省了超過(guò)65萬(wàn)美元的柴油燃料，并將電力成本從0.30美元/kWh降低到0.05美元/kWh，該電廠(chǎng)利用了世界上溫度最低的71oC地熱發(fā)電源，利用接近冰點(diǎn)的河水和季節性零度以下的空氣溫度進(jìn)行發(fā)電循環(huán)散熱?？偟膩?lái)說(shuō)，該工廠(chǎng)多年來(lái)進(jìn)行了一些改造和完善，余熱用于區域供暖、溫室、利用吸收式制冷的季節性制冷、溫泉療養和其他用途。