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能源規劃

地熱能如何改變美國的能源結構

  假設我們能夠把埋藏在美國地下3000多米深的地熱資源充分利用起來(lái)，依照現今的使用數據來(lái)看，足夠滿(mǎn)足美國未來(lái)30000年的能源需求。但是，把能源完全利用起來(lái)的可能性幾乎為零，這既是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，也是一個(gè)經(jīng)濟問(wèn)題。然而僅僅從這部分能量中拿出5%，也足以制造出供應全美2. 6億人口的用電需求量。對于這個(gè)5%的目標，美國國家能源部可再生能源實(shí)驗室宣布到2050年就可以實(shí)現，屆時(shí)，通過(guò)地熱資源能發(fā)電2600億瓦，對煤炭資源的依賴(lài)會(huì )減少1/30開(kāi)發(fā)地熱資源要面對嚴峻的地熱學(xué)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，地熱發(fā)電是將地下的熱水或熱氣用管道輸送到地表，然后利用其驅動(dòng)渦輪機來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機產(chǎn)生電能。地下熱水的溫度決定了渦輪機的工作效率:水溫越高，工作效率越高;同時(shí)，地熱水最低溫度也需要達到93. 3 ℃。然而，地下只有有限的熱點(diǎn)有水存在并且能加以利用。
 
  美國的一個(gè)最好的例子是吉賽斯熱點(diǎn)。它位于圣弗朗西斯科以北72英里處的峽谷中，熱氣不斷地從地下翻滾到地表，排列整齊的金屬管將熱氣運送上來(lái)驅動(dòng)渦輪機，其發(fā)電量可達8. 5億瓦。
 
  蓋依塞斯高溫地熱田是世界最大的地熱發(fā)電廠(chǎng)所在。在14200英畝地熱區內鉆了38朋良地熱井，現有260眼生產(chǎn)井，共20個(gè)發(fā)電廠(chǎng)，裝機總容量2000兆瓦，生產(chǎn)電力3. 56億度。
 
  黃石國家公園是世界上第一個(gè)國家公園自然保護區，也是世界上最大的水熱對流系統的地表顯示區，有10000多處獨立的間歇噴泉、熱泉、噴汽孔、泥火山、沸泥池等景觀(guān)。美國法律規定其只作為自然景觀(guān)發(fā)展旅游而不得作為地熱資源開(kāi)發(fā)利用，近30年來(lái)，這里每年接待游客均在200萬(wàn)人上下。
 
  美國的中低溫地熱資源相對于上述高溫地熱田的世界知名度來(lái)說(shuō)，過(guò)去鮮為人知，在美國的地熱開(kāi)發(fā)史上也未予足夠重視，但近些年來(lái)從充分利用能源的角度考慮，均有一定的發(fā)展。
 
  如博依西市和圣貝納迪諾市地熱供熱系統都是1983年才開(kāi)始建設的，雖然規模還不大，但因地熱供暖的成本不足原汽油鍋爐供暖成本的一半，其新的供暖工程均在發(fā)展之中。
 
  克拉瑪斯福爾斯市有500多眼地熱井，熱儲為第四系玄武巖，裂隙強滲透性受盆地邊緣北西向斷裂帶控制。
 
  熱水井深40 ^- 600米，熱水溫度49 }-1100C，單井出水量每小時(shí)可達164立方米，主要用于家庭、樓房、教堂、學(xué)校等地熱供暖，地方法律規定利用地熱必須回灌。俄勒岡理工學(xué)院有3眼生產(chǎn)井，2眼回灌井，利用89℃地熱水，供校園11棟樓供暖，也可用于制冷。醫院的供熱和制冷系統己有一眼生產(chǎn)井，正擬自建回灌井，其余大部分是居民樓分散的井下熱交換器地熱供暖，有的也包括制冷，均不直接抽取地熱流體。
 
  博依西市低溫地熱田位于市東北近郊山前，熱儲是第四系玄武巖裂隙高滲透性含水層，埋藏百余米至千余米深，受東北一西南向斷裂帶控制，地熱水溫度770C，單井出水量每小時(shí)191立方米左右，雖然美國最早的地熱技術(shù)發(fā)展國家。
 
  供暖始于本市(1894年)，但發(fā)展不快。博依西市現建有市政、州議會(huì )、聯(lián)邦和溫泉村4個(gè)區域供暖系統，但使用溫泉村地熱供暖的住戶(hù)不足1%，其余3個(gè)系統均為辦公樓供暖，地熱回水部分回灌地下。
 
  圣貝納迪諾低溫地熱田位于市中心，熱儲層是夾在粘土層間的第四系沖積砂層，估計厚400米左右，己鉆10眼井，大部分是勘探井，僅2眼生產(chǎn)井，井深均300米，水溫在井底71℃，在井口600C，單井自流量每小時(shí)273立方米。為適應擴大地熱供暖系統，現第二生產(chǎn)井正改建，擬安裝抽量每小時(shí)1091立方米的大泵，現地熱管網(wǎng)展布于3平方英里的地域內，為市政廳、政府機關(guān)、血庫和旅館等供暖，供暖成本是原燃油鍋爐的一半。開(kāi)采地熱近10年來(lái)，圣貝納迪諾夏季枯水期水位降至6米，但冬季豐水期水位仍能自流，水質(zhì)滿(mǎn)足飲用水標準。
 
  加里佛尼亞、內華達、愛(ài)達荷、俄勒岡等州也有高溫熱點(diǎn)，其潛在的發(fā)電量可達用電需求量的很大的比例(如內華達的地熱發(fā)電可滿(mǎn)足60%的用電量)，但是這些州的地熱溫度很少能達到吉賽斯的熱度(可達204℃或更熱)。同時(shí)，大部分時(shí)間開(kāi)發(fā)者要在地下10千米處才能探尋到流動(dòng)的熱流體，因此找到合適的鉆探場(chǎng)所也是一個(gè)很大的難題。美國愛(ài)達荷州地熱公司在該州南部地區剛剛建成了一個(gè)1300萬(wàn)瓦的地熱發(fā)電廠(chǎng)，公司總經(jīng)理道·格拉斯比說(shuō)他希望具有X射線(xiàn)透視能力，“這樣，我就能發(fā)現地熱儲層的位置。這個(gè)工作最大的風(fēng)險就是尋找儲層。打一眼井花費200 }- 300萬(wàn)美元。如果打的是一眼廢井，你將一無(wú)所有?！贝送?，如果遇了一個(gè)好的熱點(diǎn)，公司就要建一個(gè)發(fā)電廠(chǎng)或加熱系統，這將需要很大的先期投入以及多眼鉆井。格拉斯比估計建立一個(gè)地熱發(fā)電站，“每兆瓦電要花費350 ^-400萬(wàn)美元?！?/div>
 
  地熱發(fā)電廠(chǎng)目前只有8%-V 15%的能效，還不到煤發(fā)電廠(chǎng)的一半。較高的先期投入加上較低的能效使得地熱發(fā)電的成本大約兩倍于煤發(fā)電的成本(煤電的銷(xiāo)售價(jià)格約為每千瓦時(shí)5美分)。然而，美國國家能源部可再生能源實(shí)驗室地熱技術(shù)經(jīng)理吉拉德.尼克斯卻認為勘探和鉆探技術(shù)的改進(jìn)能夠使地熱發(fā)電比煤發(fā)電便宜。當前，工程地熱體系(EGS)負責提高和改進(jìn)這些技術(shù)，該體系能夠從滲透性差、不利于水體循環(huán)或開(kāi)始時(shí)沒(méi)有充足水量的巖石熱點(diǎn)中將熱量擠壓出來(lái)。根據2006年題為“地熱能量的未來(lái)”的國家報告，截止到2050年，工程地熱體系向美國地熱發(fā)電量預案要貢獻至少1000億瓦的電量，可占美國總電力的10%0地熱能量并不僅僅局限于用來(lái)發(fā)電:如果地熱資源的溫度沒(méi)有高到有效發(fā)電的程度可以通過(guò)管內的水體循環(huán)為樓房供暖。美國有許多這種較低溫度的熱點(diǎn)。從北達科他州劃一條線(xiàn)到得克薩斯，該線(xiàn)以西的各州幾乎都有溫度至少達到93. 3℃的地熱源。
 
  即使沒(méi)有隨處可見(jiàn)的熱點(diǎn)，也可在地表鉆洞取熱以減輕對化石燃料的需求，美國所有的土地都適合進(jìn)行地熱熱泵技術(shù)的研究，即冬季將熱能從地下輸送進(jìn)家中制暖，而夏季進(jìn)行反方向的制冷操作。熱泵技術(shù)有能力為幾乎所有的美國家庭提供熱能和熱水。事實(shí)上，從地下獲得的用于制熱的熱能能量(超過(guò)10000億瓦)超過(guò)了用于發(fā)電的數量。然而，根據美國國家能源部可再生能源實(shí)驗室的數據，目前使用的地熱能量還不足可用數量的1%，其原因是缺乏研究投入。
 
  現在，美國的潮流似乎正在轉向朝著(zhù)有利于地熱能量開(kāi)發(fā)的方向發(fā)展。
 
  加利福尼亞州是美國最早開(kāi)發(fā)地熱能的州之一。隨著(zhù)經(jīng)濟的快速發(fā)展，西部的一些州也在積極開(kāi)發(fā)地熱資源，如內華達州、猶他州、愛(ài)德華州和俄勒岡州等。內華達州更是被稱(chēng)為“地熱的沙特阿拉伯”。
 
  據馬薩諸塞州技術(shù)研究院最近的研究發(fā)現，從深層鉆探可望回收的地熱能幾乎是美國目前消費能量的近3000倍。
 
  美國能源部也對地熱資源的巨大潛力做出肯定。目前，俄勒岡州的一家公司正在計劃開(kāi)發(fā)100兆瓦地熱發(fā)電裝置，可為10萬(wàn)人提供足夠的電力。
 
  從華盛頓州的圣海倫山和亞當山到俄勒岡州波特蘭東部的胡德山，地熱潛力足夠開(kāi)發(fā)1000兆瓦的電力，相當于3}-4座燃氣電站或一座大型核電站的產(chǎn)電量。
 
  從事可再生能源開(kāi)發(fā)的尤爾干電力公司于2008年2月中旬制定出G3電力計劃，計劃將利用位于內華達州西北部的天然蒸汽在加利福尼亞州的洛杉磯和拉斯維加斯建設1000兆瓦的清潔地熱電站。
 
  據專(zhuān)家估算，內華達州北部擁有地熱天然蒸汽量約2500兆瓦。己建有的24。兆瓦的地熱電站運行己達15年之久，所生產(chǎn)的電力由內華達州和加利福尼亞州公用設施希爾拉太平洋資源公司和南加州愛(ài)迪生公司分別購買(mǎi)。
 
  尤爾干電力公司認為，如果通過(guò)新的2077J綠色電網(wǎng)改造將使內華達州的蒸汽產(chǎn)量提高很多。
 
  多年來(lái)，美國的地熱能量研究一直處于資金匾乏的狀態(tài)。大部分地熱開(kāi)發(fā)技術(shù)始于上世紀70年代的石油危機。美國地質(zhì)調查局當時(shí)投入了大量的研究來(lái)確定地熱資源的范圍，一些大的石油和電力公司投資興建地熱發(fā)電廠(chǎng)(例如吉賽斯發(fā)電廠(chǎng))。20世紀90年代石油價(jià)格下降時(shí)，人們對各種再生能源的研究降溫，美國能源部對地熱科研的資金投入從上個(gè)世紀80年代的1億美元銳減到最近幾年的稍微超過(guò)2000萬(wàn)美元。美國地熱項目與石油、天然氣勘探項目相比很少得到政府的財政支持，因而其地熱發(fā)展相對比較緩慢。
 
  世界上的其他國家，富有進(jìn)取心的公共政策使得地熱開(kāi)發(fā)大獲成功。
 
  例如，冰島是利用地熱發(fā)電較早的國家之一。自20世紀70年代以來(lái)，冰島的能源政策就一直強調地熱利用。近年來(lái)，由于高耗能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對電的需求不斷增加，促使其地熱發(fā)電有了很大進(jìn)展。2005年冰島地熱發(fā)電總量占國家電網(wǎng)的19. 1%，加上水力發(fā)電，冰島可再生能源發(fā)電占總發(fā)電量的71%，居世界第一。如今，85%的冰島房舍用地熱取暖，5個(gè)地熱發(fā)電廠(chǎng)提供該國1/4的用電量，全國每年可因此節約燃料開(kāi)支上億美元。
 
  歐洲聯(lián)合“地中海氣候”地源熱泵供暖和制冷項目，也將在地中海沿岸國家和羅馬尼亞設立8個(gè)示范點(diǎn)，開(kāi)展地源熱泵技術(shù)更深入的研究。
 
  日本的地熱資源儲量位列世界第三，相當于15- 20個(gè)大型核電站的發(fā)電量。在能源緊缺和環(huán)境保護的雙重壓力下，日本經(jīng)產(chǎn)省開(kāi)始審視地熱這一寶貴資源，。日本政府制定了發(fā)展可再生能源的新目標，同時(shí)出臺新的相關(guān)補貼措施。新目標規定，到2020年，全國發(fā)電能力要提高1倍，在新增加的發(fā)電量中，大部分將來(lái)自生物質(zhì)發(fā)電、小水電和地熱發(fā)電。其中，太陽(yáng)能發(fā)電量達到2005年的20倍。到2030年，全國發(fā)電能力將提高至少3倍，而地熱發(fā)電量屆時(shí)要增加3倍。2010年初，日本政府公布了“新能源利用特別措施法(RPS)”，并敦促各電力公司購買(mǎi)“地熱發(fā)電”的電量，使之義務(wù)化、商業(yè)化。日前，日本政府為加快地熱發(fā)電站建設的速度。將新建地熱發(fā)電站的政府財政補貼率由20%提高到30%。
 
  印尼地處環(huán)太平洋地熱(地震、火山)帶，是世界上地熱資源最豐富的國家，擁有世界40%的地熱資源。目前，印尼地熱發(fā)電裝機容量雖然己達1197兆瓦，但只利用了其資源的4. 2%。近5年來(lái)，印尼新增地熱發(fā)電裝機容量400兆瓦，年增長(cháng)率在5%左右。
 
  據估計，至2025年，印尼將新建2885兆瓦裝機容量，使總裝機容量達到4000兆瓦，超過(guò)目前裝機容量3093兆瓦的美國。印尼首都雅加達以南古諾沙拉克地熱田的地熱電廠(chǎng)，其100平方公里的工作區位于海拔1000^-1500米的森林山區。該地熱田由總部在美國加州的雪佛龍公司開(kāi)發(fā)，分供氣廠(chǎng)和發(fā)電廠(chǎng)兩部分，現有地熱井82眼，其中生產(chǎn)井51眼，熱水回灌井13眼，冷凝水回灌井2眼，監測井2眼。該廠(chǎng)是印尼最大的一座地熱電廠(chǎng)，全廠(chǎng)6套機組的總裝機容量為37兆瓦，自動(dòng)化控制程度非常高，只需幾名操作人員，生產(chǎn)的電力被源源不斷地輸送給爪哇一巴厘電網(wǎng)。印尼巴厘島的巴度谷地熱田己鉆3眼地熱勘探井，井深2400米，最高溫度3250C，投資方準備依此建設一座裝機容量為175兆瓦的地熱電廠(chǎng)。由此可見(jiàn)，印尼的地熱開(kāi)發(fā)和利用正在迅猛發(fā)展。
 
  目前，每個(gè)人的心目中都對氣候因素、油價(jià)及能源安全充滿(mǎn)了憂(yōu)慮。
 
  2007年的美國能源條例授權能源部花費9500萬(wàn)美元進(jìn)行地熱研究，但遺憾的是，條例沒(méi)有列出對再生能源生產(chǎn)方的稅貸問(wèn)題，由于尋找地熱資源和建廠(chǎng)的初期投入很高，稅貸是巫待解決的問(wèn)題。
 
  現在美國的私人企業(yè)也開(kāi)始致力于地熱能量的開(kāi)發(fā)。去年美國西北部的再生能源開(kāi)發(fā)商花費數百萬(wàn)美元租地用于地熱開(kāi)發(fā)。美國巨大的未開(kāi)發(fā)地熱潛在資源也引起了國際的廣泛關(guān)注。 2007年9月北歐財團格里特爾聲稱(chēng)計劃在未來(lái)5年對美國地熱市場(chǎng)投資10億美元，就連大的石油公司也開(kāi)始對美國地熱資源虎視耽耽。據說(shuō)?？松梨?、殼牌、雪佛龍等石油公司的代表出席了最近的工程地熱體系工作會(huì )議。
 
  此外，建筑公司注意到熱泵技術(shù)使他們有錢(qián)可賺。雖然安裝一個(gè)熱泵的啟動(dòng)資金比安裝一個(gè)天然氣爐要高，但是熱泵在10年內就會(huì )收回成本。加里佛尼亞能源委員會(huì )估計一個(gè)平均規模的家庭所需熱泵的成本約為7500美元。目前美國已安裝了約100萬(wàn)個(gè)熱泵，并還在以每年5萬(wàn)一6萬(wàn)的數量遞加。
 
  總之，根據美國地熱能源協(xié)會(huì )的數據，現有超過(guò)34億瓦的地熱電量正處于開(kāi)發(fā)狀態(tài)。在政府強有力的支持下，我們腳下的熱能將會(huì )源源不斷地為人類(lèi)服務(wù)。