来自地球深处的能量，为千年大计雄安提供源源不断的清洁能源
撰文 | Penn
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第144篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：地热能具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，并逐渐引起了全球的注意。我国雄安新区在地热资源高效开发利用中成功探索出了“雄安模式”，成功跻身于2021年国际可再生能源署全球推广项目名录。在“雄安模式”的带领下，中国的地热资源发展将走上快车道，大力推动地热能开发利用将成为做好碳达峰碳中和工作，助力构建绿色低碳安全高效能源体系的重要抓手。
图说：地热能发电厂
来源：互联网
随着气候问题日益突出，全球都在寻找可以替代化石燃料的能源。地热能具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，因此也逐渐引起了世界的注意。
人类很早以前就开始利用地热能，例如在旧石器时代就有利用温泉沐浴、医疗，在古罗马时代利用地下热水取暖等、近代有建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶，目前，地热则更多地被用来发电。
在地热能发电方面，根据 Think GeoEnergy Research 的数据，到 2021 年，有五个国家的地热能发电量超过了1吉瓦。这些国家包括美国、印度尼西亚、菲律宾、土耳其和新西兰。
在地热能直接利用方面，根据世界地热大会数据，2000 年起中国地热能直接利用量一直稳居世界第一，其中2020 年直接利用量占世界总量43.4%，地热供暖面积累计达14 亿平方米，年替代标煤近2800 万吨。美国、瑞典、德国、土耳其直接利用量分别位列二至五位。
在国内，雄安新区则是地热能利用的标杆。从2009年开始，中国石化新星公司就在雄县开发地热能，并与雄县政府合作打造地热能开发利用“雄县模式”， 利用地热能将雄县打造成为了全国首座地热供暖“无烟城”。
随着雄安新区的开发建设，2017~2019年供暖季，先后在雄安完成11个自然村地热代煤改造工程，建成雄县农村地热代煤示范项目，为5000余户村民提供清洁地热供暖，“雄县模式”升级发展为地热能开发利用“雄安模式”，为新区建设提供了清洁能源开发利用的成功案例。在2021年7月，雄安新区地热开发项目被国际可再生能源署（IRENA）列入全球推广项目名录，成为了当年全球仅有的5个推广项目之一。
01
什么是地热能
地热能（geothermal energy）是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，能量来源主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能，其以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。
图说：地球内部结构及温度分布示意图
来源：中国地热能网，华泰证券研究所
地球内部的温度高达摄氏6500度以上，而在80至100公里的深度处，温度会降至摄氏650度至1200度。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。
02
地热能的开发利用
地热资源的开发利用可分为发电和直接利用两个方面。高温地热资源主要用于发电；中温和低温地热资源则以直接利用为主；对于25℃以下的浅层地热能，可利用地源热泵进行供暖和制冷。
图说：不同温度地热资源最适宜的开发利用方式
来源：华泰证券研究所
图说：地热资源和应用的多样性
来源：[4]
地热能资源主要包括：浅层地温能、水热型地热资源及干热岩地热资源等类型。浅层地热能是指在太阳能和地心热的综合作用下，在大地表层（一般400 米以内）形成的相对恒温层中的土壤、砂岩和地下水所蕴含的低温热能，浅层地能储量较大、再生迅速、分布广泛、温度四季适中，并且不存在永久消耗问题，是大型的“绿色能源宝库”。水热型地热资源是以蒸气为主的地热资源和以液态水为主的地热资源的统称，也就是我们常见的温泉和地热井，随着热泵技术、钻井技术的不断发展，水热型地热能已成为地热供暖的重要来源。干热岩型地热能是未来地热能发展的重要领域，是指浅藏在地壳表层的熔岩或尚未冷却的岩体，可以人工方法造成裂隙破碎带，再钻孔注入冷水使其加热成蒸汽和热水后将热量引出，其开发方式尚在研究中。
03
雄安地热利用模式
雄安新区及其周边地区地理位置上属于环渤海湾盆地冀中坳陷，区内古潜山地热资源非常丰富，热储主要为中上元古界蓟县系雾迷山组和长城系高于庄组裂缝—溶洞型白云岩，热储厚度大，储量丰富（4 000 m 以浅地热资源量为378.3×109 GJ，热水总量为526×108 m3），开发利用潜力巨大。
自然资源部中国地质调查局2020年发布的雄安新区综合地质调查系列成果显示，雄安新区地热资源丰富，储量大、温度高、水质好、易回灌，技术、经济、环境可行条件下适宜规模化开发利用，可为打造绿色生态宜居新城区提供稳定安全的清洁能源供给。调查成果显示，雄安新区浅层地热能广泛分布于地下0～200米，适合地埋管地源热泵的利用，可利用资源量折合标准煤400万吨/年，能满足约1亿平方米建筑物供暖、制冷需要。中深层地热主要是地下热水，集中分布在雄县、容城、高阳三个大中型地热田地下600～4000米，热储层温度60℃～130℃，在采灌均衡条件下地下热水可利用资源量为4亿立方米/年，折合标准煤346万吨/年，可支撑供暖面积超过1亿平方米。
历史上雄县与中国大部分冬季需燃煤供暖的北方地区一样，每到供暖季环境污染十分严重，因取暖年排放二氧化碳16.87 万吨，二氧化硫0.43 万吨，煤尘1.06 万吨。当时的雄县，虽坐拥“温泉之乡”的美誉，但由于对地热资源缺乏统一规划和有效管理，私人及部分房地产开发商“直供、直排”的掠夺性开发方式，造成了地热资源的严重浪费。
直到2009年，雄县政府拿出“壮士断腕”的决心，联手中国石化，开创形成了“政企合作、市场运行、统一开发、技术先进、环境保护、百姓受益”地热资源开发的“雄县模式”，成功打造了我国第一个地热供暖“无烟城”，助力雄县走出了一条可持续发展的新路子。
图说：雄安新区人才家园换热站
来源：[5]
“雄县模式”的主要内涵：一是政府制定相应的扶持政策和服务措施，制定地热能开发专项规划和地热资源管理办法。二是加强组织领导，雄县成立地热资源开发领导小组和地热管理办公室，统一地热资源管理、服务、协调解决开发中出现的问题。三是政府将地热资源授予企业整体开发，进行整体规划，实现统一的、可持续开发。四是由企业“一体化”投资、建设、经营管理。
在“统一政策、统一管理、统一规划、统一开发”的框架下，在雄安新区设立前，雄县县内已拥有地热井68 口（其中回灌井24 口），换热站35座，建成供暖能力450 万平方米，城区95%以上的建筑实现地热供暖，基本实现了城区地热集中供热全覆盖以及二氧化碳、二氧化硫、粉尘“零”排放。
图说：雄安新区地热清洁能源综合利用示意图
来源：[6]
在2017年4月1日中央决定成立雄安新区，且将雄县、容城、安新划归雄安新区之后，雄安新区开始了“地热+多种清洁能源” 集成利用探索，并将“雄县模式”发展成了“雄安模式”。在“雄安模式”下，浅层地温能、水热型地热资源及干热岩地热资源三中类型的地热资源通过直接利用和地热发电两种方式，以“地热+多种清洁能源” 集成利用的形式高效地应用于供暖、建筑用能、种植、养殖等多个场景。
其中水热型地热资源利用技术的核心是“取热不取水”，从开采井将地热水抽出后，通过换热器取热，然后由回灌井将冷水重新注回地下水层。与此同时，另一套自来水循环系统将经过加热的水通过供暖管道送入千家万户，这样实现“采灌平衡”。这种“取热不取水”的方式开发利用地热资源，真正做到了取热之后100%回灌地下水。
图说：雄安新区地热供暖原理图
来源：[7]
目前，围绕智慧热田建设，雄安已建成了第一个深层地热结合浅层制冷的“冷暖双制”换热站——容城城南行政中心换热站；并建立了地热井动态数据自动化采集监测系统，实现了地热开发自动化采集监测、无人值守、自动调节。此项智能监控及数据采集技术(SCADA System)。在地热能规模开发中实现了四大目标：一是区域信息全覆盖，将雄县地区地热井、换热站的所有关键参数进行采集监测。二是自动报警，供暖过程中出现的如停电、管道渗漏等问题，系统自动弹窗报警。三是可以根据室外天气温度自动调节井口水量，控制水温。四是实现远程监控、无人值守。
2020~2021年供暖季，在雄安平稳运行换热站64座、地热井134口，为7万多户居民提供清洁地热供暖。目前在雄安新区供暖面积已经达到700万平方米。而在2021供暖季雄安新区已建成清洁地热供暖供热站超过百座，敷设供热管网约540公里，供暖能力超1000万平方米，供暖面积700余万平方米，年可替代标准煤16万吨，减排二氧化碳40万吨，相当于植树22万棵。雄安新区政府表示，地热资源的整体利用为当地减少了相当于超过200万吨的二氧化碳排放量。
未来，地热能仍将为雄安新区这座世界瞩目的未来之城构建 “蓝绿交织、清新明亮、水城共融”的生态城市持续助力。
04
未来发展及挑战
地热能源作为一种环保和可持续的能源，其具有有能源供应稳定可全天候提供能量、减少碳排放、土地使用密集度低等优点，还能与其他能源相互结合应用，节省相当大比率的其他燃料消耗，达到高温高效率的利用价值。
与此同时，地热资源的开发，受环境先决条件之限制颇多，且开发过程中易造成环境污染，存在以下缺点：开发初期的探勘、钻井成本高，技术要求高：例如抗腐蚀的管线会提高投资成本；环境副作用，地热热井将破坏地表自然景观并影响生态，钻探地热资源可以释放储存在地球表面下的气体；安全管理风险高，可能会发生与地热活动相关的地震活动。
虽然未来的发展面临着挑战，但地热资源的开发正越来越多地成为了许多国家在清洁能源转型之路上的新选项。英国广播公司援引国际地热协会前主席亚历克斯·里希特的话说，全球约有 600 座地热发电厂正在运营或正在建设中，另有600座正在规划中。“欧洲所有主要的公用事业公司都在以一种或另一种方式看待地热，”里希特说。
与此同时，在拜登政府领导下的美国对利用地热资源的兴趣正在增加，美国能源部(DOE)宣布为地热钻探技术项目提供 2000 万美元的资金，并为从废弃的油气井中获取地热潜力提供 840 万美元的资金，并在近日发布了《2022-2026地热能开发多年期计划》。报告中指出，地热能作为一种稳定、可靠的清洁能源，能够在美国能源低碳转型、应对气候变化和实现碳中和愿景等发展目标中发挥关键作用。预计到2050年，美国地热发电装机容量有潜力增加26倍（相比2019年水平），达到60 吉瓦装机规模。
近年来，中国也高度重视地热能资源的科学开发利用。《地热能开发利用“十三五”规划》成为了中国历史上第一个地热开发利用计划。2021年9月，国家能源局发布《关于促进地热能开发利用的若干意见》，提出地热能供暖（制冷）面积比2020年增加50%，在资源条件好的地区建设一批地热能发电示范项目，全国地热能发电装机容量比2020年翻一番；到2035年，地热能供暖（制冷）面积及地热能发电装机容量力争比2025年翻一番。
目前，我国的地热供暖的“地热城市”已基本建立，河北、陕西、山西、河南、山东、湖北、天津和13个省，自治区，直辖市，供热能力近5000万平方米。可替代142万吨标准煤，减少二氧化碳排放370万吨。预计到2023年，整体地热供暖能力将达到1亿平方米。未来，在“雄安模式”的带领下，中国的地热资源发展必将走上快车道，大力推动地热能开发利用将成为做好碳达峰碳中和工作，助力构建绿色低碳安全高效能源体系的重要抓手。
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参考资料：
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_energy
[2]https://www.thinkgeoenergy.com/geothermal/an-overview-of-geothermal-resources/
[3]Lund and, John W.; Boyd, Tonya L., Direct Utilization of Geothermal Energy 2020 Worldwide Review, Proceedings World Geothermal Congress 2020, April 2020
[4]https://www.energy.gov/eere/geothermal/downloads/geovision-harnessing-heat-beneath-our-feet
[5]中国石化新星地热：助力雄安打造供热“无烟城市”[J].中国环境监察,2021(10):98-101.
[6]王贵玲,张汉雄,张薇,马峰.雄安新区地热资源的开发利用[J].中国高新科技,2021(01):46-47.
[7]https://mp.weixin.qq.com/s/Kwx-SI4P4EByexjWqO7l0g
[8]https://global.chinadaily.com.cn/a/202110/29/WS617b30bba310cdd39bc71f84.html
[9]https://www.thinkgeoenergy.com/geothermal-energy-part-of-drive-for-green-city-approach-for-xiongan-hebei-china/
[10]https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Events/2021/Sep/Clean-heating-in-cities-using-geothermal-energy-Lessons-from-China.pdf?la=en&hash=35E4A929E4D1425E411B1791B1B9D84254733A6B
[11]https://irena.org/newsroom/articles/2021/May/How-Cities-Can-Take-Action-to-Drive-the-Energy-Transition
[12]https://www.energy.gov/eere/geothermal/geothermal-technologies-office-multi-year-program-plan
[13]20170414-华泰证券-机械设备行业雄安新区草根调研报告：地热，或成“雄安”重要能源选择
[14]当好产业领先者 落子10座“地热城”[N]. 中国石化报,2021-12-23(002).DOI:10.28130/n.cnki.ncshb.2021.004119.
[15]https://www.world-energy.org/article/24340.html
[16]罗宁,张军,李健敏,辛守良.雄安新区及其周边古潜山地热资源开发利用前景[J].天然气工业,2021,41(07):160-171.
[17]黄嘉超,梁海军,谷雪曦.中国地热能发展形势及“十四五”发展建议[J].世界石油工业,2021,28(02):41-46.
[18]高小荣.打造“地热+清洁能源集成”样板[J].中国石化,2021(08):47-48.
[19]http://www.xiongan.gov.cn/2021-11/09/c_1211438690.htm
[20]https://www.cgs.gov.cn/xwl/ddyw/202011/t20201121_659053.html
END
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