日本從技術(shù)創(chuàng )新和綠色共享兩個(gè)方面推進(jìn)地熱發(fā)電

地大熱能：為緩解能源進(jìn)口依賴(lài)、推進(jìn)碳中和目標，日本正從技術(shù)創(chuàng )新和綠色共享兩個(gè)方面發(fā)力地熱發(fā)電。

自2011年3月福島第一核電站輻射泄漏事故發(fā)生以來(lái)，日本核電發(fā)電量大幅減少，對天然氣等化石燃料依賴(lài)增強。今年，西方國家對俄羅斯制裁措施引發(fā)能源市場(chǎng)震蕩，日本用作火力發(fā)電廠(chǎng)燃料的進(jìn)口液化天然氣供應受到影響。
 

為找尋安全有效的綠色能源解決方案，日本將目光瞄向了地熱能。

已開(kāi)發(fā)上百年

地熱資源發(fā)電幾乎不排放二氧化碳，且不受天氣、晝夜、季節變化限制，能源利用系數高，設備使用壽命長(cháng)，是發(fā)電量較為穩定的綠色可再生能源。日本地處環(huán)太平洋火山帶，地熱資源豐富，據推測發(fā)電潛能達2300萬(wàn)千瓦，居世界第三位。
 

日本的地熱資源開(kāi)發(fā)始于100年前。1919年，日本地熱發(fā)電先驅山內萬(wàn)壽提出“石油、煤炭終將枯竭”的觀(guān)點(diǎn)，探尋地熱作為替代能源，并在大分縣別府市挖掘出噴氣孔。1925年，日本在該噴氣孔首次實(shí)現地熱發(fā)電，當時(shí)裝機規模僅1.12千瓦，持續了18個(gè)月。
 

由于二戰結束后電力供給不足，日本在大力建設水力和火力發(fā)電工程之外，還展開(kāi)了地熱發(fā)電相關(guān)的調查研究。1966年10月，日本第一家蒸汽式地熱發(fā)電廠(chǎng)——松山地熱發(fā)電廠(chǎng)投產(chǎn)，裝機規模9500千瓦；1967年8月，采用汽水分離方式發(fā)電的大岳發(fā)電廠(chǎng)也開(kāi)始運轉。

受20世紀70年代石油危機影響，通商產(chǎn)業(yè)省啟動(dòng)了“陽(yáng)光計劃”，日本國內地熱開(kāi)發(fā)日漸興盛。至1996年，日本地熱發(fā)電設備的裝機總容量達50萬(wàn)千瓦，數十家發(fā)電廠(chǎng)規模超1萬(wàn)千瓦，達到世界頂尖水平。
 

隨著(zhù)石油價(jià)格趨于穩定，日本1997年發(fā)布的《新能源法》將地熱剔出新能源目錄，相關(guān)預算也大幅減少，日本地熱開(kāi)發(fā)進(jìn)入停滯期。2006年，日本資源能源廳重新將地熱資源歸入新能源與可再生資源概念。同年，日本首個(gè)二進(jìn)制式地熱發(fā)電廠(chǎng)——八丁原地熱發(fā)電廠(chǎng)運行，發(fā)電裝機規模2000千瓦。
 

2011年福島核事故后，日本加速可再生能源開(kāi)發(fā)，政府開(kāi)始加大對地熱發(fā)電的扶持，措施包括放寬國立公園地熱開(kāi)放限制、引入固定價(jià)格收購制度、提供資金援助等。2014年，聚集于九州地區的小規模地熱發(fā)電廠(chǎng)相繼投產(chǎn)運行，發(fā)電裝機規模達數十至數百千瓦。2019年1月，松尾八幡平發(fā)電廠(chǎng)啟動(dòng)運轉，發(fā)電裝機規模7500千瓦；同年5月，時(shí)隔23年新建的大型地熱發(fā)電廠(chǎng)——山葵澤發(fā)電廠(chǎng)投產(chǎn)，發(fā)電裝機規模達4.6萬(wàn)千瓦。

2021年4月，日本環(huán)境省發(fā)布“地熱開(kāi)發(fā)加速計劃”，計劃2030年實(shí)現地熱發(fā)電設施數量倍增，并縮短地熱開(kāi)發(fā)準備時(shí)間——由10年以上縮短至最低8年。同年6月，內閣決定實(shí)施“規制改革實(shí)施計劃”，包含推進(jìn)與地熱開(kāi)發(fā)相關(guān)的《自然公園法》《溫泉法》《森林法》的“規制緩和”。

日本81.9%的地熱資源集中于國立公園等區域內，在這些區域建立地熱發(fā)電設施與《自然公園法》沖突。
 

日本的國立公園被分為“特別保護地區”以及第一類(lèi)、第二類(lèi)、第三類(lèi)特別地區、普通地區。2012年環(huán)境省提出，原則上不允許在第二類(lèi)、第三類(lèi)特別地區設置地熱發(fā)電廠(chǎng)，經(jīng)單獨審查的優(yōu)秀項目可獲許可；允許在不破壞地表自然景觀(guān)的情況下，從區域外傾斜式開(kāi)發(fā)第二類(lèi)、第三類(lèi)特別地區地熱資源。2015年，環(huán)境省將傾斜式開(kāi)發(fā)范圍擴大至第一類(lèi)特別地區。2021年9月，環(huán)境省進(jìn)一步放松限制，與地區環(huán)境和諧共生的優(yōu)秀發(fā)電項目，經(jīng)單獨審查可予以批準。

開(kāi)發(fā)面臨的困境
 

日本“第六次能源基本計劃”提出，2030年實(shí)現地熱發(fā)電能力增加2.7倍、發(fā)電規模160萬(wàn)千瓦。但當前，日本發(fā)展地熱發(fā)電依舊面臨各方面掣肘。日本地熱資源利用率僅為2.6%，發(fā)電設備容量排在地熱資源量前十位國家的末位，2011年以來(lái)地熱發(fā)電總量不增反減，發(fā)電規模超1萬(wàn)千瓦的僅有山葵澤發(fā)電廠(chǎng)一座。業(yè)內人士表示：“以當前進(jìn)度看，2030年目標幾乎不可能達成?！?br /> 

一是開(kāi)發(fā)周期長(cháng)。地熱發(fā)電廠(chǎng)投產(chǎn)前，需經(jīng)歷初期調查（約5年）、挖掘勘探與噴氣試驗（約2年）、環(huán)境評估（約3年）、發(fā)電廠(chǎng)建設（約3年）四個(gè)階段，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)達10年以上。
 

二是開(kāi)發(fā)成本高。日本地熱資源大多位于地形陡峭的火山地帶，大型器械使用受限，建設鉆井基地、發(fā)電廠(chǎng)的成本高于海外。每鉆一口井需花費3億～5億日元（1日元約合0.05元人民幣）。西日本技術(shù)開(kāi)發(fā)公司前社長(cháng)金子正彥推算，日本地熱發(fā)電廠(chǎng)建成到投產(chǎn)的成本達10～18日元/千瓦，而美國為5～9日元/千瓦、新西蘭為3～5日元/千瓦。
 

三是開(kāi)發(fā)風(fēng)險大。鉆井成功率低，經(jīng)常會(huì )出現鉆探多口地熱井卻未獲得足夠地熱流體（熱水、蒸汽或其他載熱氣體）的情況。

例如，富山縣立山火山口內的地熱發(fā)電計劃始于2015年，已投入13億日元，2017年完成的初期調查結果顯示“有建立大規模發(fā)電廠(chǎng)可能”，但2021年挖掘勘探結果顯示“發(fā)電規模僅3600千瓦”，不足“7600千瓦”可實(shí)現盈利規模的一半。相關(guān)負責人表示，該地區地熱資源很難實(shí)現商業(yè)化。

四是存在一定技術(shù)難點(diǎn)。日本的地熱發(fā)電機器技術(shù)已十分成熟，東芝、富士電機、三菱動(dòng)力生產(chǎn)的地熱發(fā)電渦輪機占世界67%的份額。但地熱貯留層的探查、開(kāi)發(fā)、管理技術(shù)仍是難題。

20世紀對地熱資源量的預測過(guò)高，同時(shí)并未預見(jiàn)普遍出現的蒸汽量減少的情況。若貯留層壓力不足，不得不挖掘補充井，或降低發(fā)電設備容量。例如，2017年柳津西山發(fā)電廠(chǎng)的設備容量由650千瓦降至300千瓦。

五是遭遇多個(gè)社會(huì )群體反對。一方面，眾多自然保護團體擔憂(yōu)地熱資源開(kāi)發(fā)會(huì )破壞環(huán)境，回灌水處置不當會(huì )威脅動(dòng)植物生存、污染地下水，因此不斷提出反對意見(jiàn)。
 

另一方面，地熱資源豐富的地區往往是溫泉業(yè)集中的地區，各地溫泉協(xié)會(huì )、旅館經(jīng)營(yíng)者擔心地熱開(kāi)發(fā)導致溫泉枯竭，對溫泉鄰近地區的地熱開(kāi)發(fā)表示反對。

例如，日本電源開(kāi)發(fā)公司曾計劃在熊本縣小國町開(kāi)發(fā)大規模地熱發(fā)電廠(chǎng)，因遭當地居民反對于2002年撤資。日本石油天然氣金屬礦產(chǎn)資源機構（JOGMEC）地熱調查顯示：同一地區開(kāi)發(fā)很難保證未來(lái)不產(chǎn)生影響，要獲得地方溫泉從業(yè)者理解不是一朝一夕的事情。

未來(lái)動(dòng)向

為緩解能源進(jìn)口依賴(lài)、推進(jìn)碳中和目標，日本正從技術(shù)創(chuàng )新和綠色共享兩個(gè)方面發(fā)力地熱發(fā)電。

一是超臨界地熱資源的開(kāi)發(fā)。“超臨界水”存在于火山地帶深處的巖漿附近，位于地下3000～5000米處，較一般地熱資源深1000～3000米，其高溫高壓特性能增加單位發(fā)電量。

2015年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（NEDO）啟動(dòng)了超臨界地熱資源研究項目；2017年，聯(lián)合東北大學(xué)、東京大學(xué)、九州大學(xué)、京都大學(xué)等15家機構，共同調查超臨界地熱發(fā)電可行性；2018年，聯(lián)合評估了超臨界地熱資源量，探討了挖掘勘探的可行性與必要性；2020年，針對北海道后志、巖手縣仙巖與八幡平、大分縣肥田、秋田縣湯澤市南部地區，制訂了詳細挖掘勘探計劃；2022年3月，東京工業(yè)大學(xué)研究團隊利用電磁波探測法，已成功確定秋田縣湯澤市南部地區“超臨界水”分布情況；2022年10月，日本大同特殊鋼公司著(zhù)手研發(fā)用于超臨界地熱資源開(kāi)發(fā)的熱穩定和耐腐蝕合金，以及相應的密閉技術(shù)。
 

二是地熱勘探和開(kāi)發(fā)技術(shù)的研發(fā)。JOGMEC與NEDO一直在推動(dòng)地熱勘探和開(kāi)發(fā)技術(shù)研發(fā)，包括：提供空中物理探查、地熱孔調查幫助，縮短初期調查時(shí)間；提高地下結構探測精密度，開(kāi)發(fā)地下斷層三次元可視化技術(shù)；利用地面高壓注水維持投產(chǎn)后蒸汽量；提高地熱發(fā)電利用率等。截至2021年8月，JOGMEC與NEDO已為90個(gè)地熱開(kāi)發(fā)項目提供了援助。
 

同時(shí)，民間企業(yè)也在進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。三菱綜合材料公司等共同研發(fā)了帶有增強刀片的鉆頭，可減少10%的鉆井時(shí)間與成本。
 

2021年8月，地熱技術(shù)開(kāi)發(fā)公司與大成建設公司共同研發(fā)出“碳循環(huán)二氧化碳地熱發(fā)電”技術(shù)。該技術(shù)是對增強性地熱系統（EGS）技術(shù)的升級，用高溫二氧化碳代替熱水驅動(dòng)渦輪發(fā)電，最后將降溫后的二氧化碳注入地下循環(huán)。計劃最早于2026年現場(chǎng)試驗，2036年實(shí)現實(shí)際應用。

2022年6月，東京電力可再生能源部門(mén)與三井石油開(kāi)發(fā)公司聲稱(chēng)，已掌握將開(kāi)發(fā)周期縮短至5年的地熱開(kāi)發(fā)技術(shù)，計劃2028年在關(guān)東地區實(shí)現商業(yè)化。
 

三是打造地域循環(huán)共生圈。結合區域內“六次產(chǎn)業(yè)創(chuàng )造”，促進(jìn)居民接受地熱開(kāi)發(fā)，實(shí)現地產(chǎn)地消和二次利用，建設環(huán)境友好的地域循環(huán)共生圈。
 

例如，湯澤市定期舉辦“地熱資源活用協(xié)議會(huì )”，構建了開(kāi)發(fā)人員與當地居民之間的對話(huà)平臺；八丁原發(fā)電廠(chǎng)將發(fā)電后的剩余蒸汽無(wú)償提供給周邊居民，用于供暖和洗??；宮城縣大崎市菅原旅館利用鳴子溫泉實(shí)現了65千瓦小規模發(fā)電，供旅館運營(yíng)之外每月還可獲得100萬(wàn)日元售電收益；菅原二進(jìn)制式地熱發(fā)電廠(chǎng)向當地支付蒸汽使用費；巖手縣八幡平市的高橋一行成立了地熱染色研究所，利用地熱蒸汽硫化物染色，成為吸引游客振興地域經(jīng)濟的手段；松山發(fā)電廠(chǎng)利用地熱建立藍莓溫室等。

四是積極參與海外地熱發(fā)電項目。例如，2022年，住友商事公司與國際石油開(kāi)發(fā)帝石控股公司追加了針對印度尼西亞的地熱開(kāi)發(fā)投資，計劃2025年建成發(fā)電裝機2.2萬(wàn)千瓦、世界最大規模的地熱發(fā)電廠(chǎng)；同年8月，東芝能源公司與肯尼亞電力公社簽訂備忘錄，將合作運營(yíng)東非地區的地熱發(fā)電廠(chǎng)；10月，日本中部電力公司宣布向加拿大初創(chuàng )公司“曾經(jīng)技術(shù)（EVER TECHNOLOGIES）”投資數十億日元，希望活用該公司“利用熱水將低沸點(diǎn)物質(zhì)汽化”技術(shù)，在缺乏足夠水分和蒸汽的地域開(kāi)發(fā)地熱發(fā)電。

（劉云系中國現代國際關(guān)系研究院副研究員、時(shí)事出版社副社長(cháng)；徐玥供職于南開(kāi)大學(xué)日本研究院）

來(lái)源：2022年12月28日出版的《環(huán)球》雜志 第26期