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增强型地热系统开发深层地热资源技术在澳大利亚的利用简述


增强型地热系统开发深层地热资源技术在澳大利亚的利用简述

图 1 在低渗透性结晶质基岩体内,双井式增强型地热系统的概念性示意图。

图 2 南澳大利亚州 Cooper 盆地 Habanero 3 钻孔流动试验(2008 年 3 月)。

地层水温 208 ℃,出水速率 8 kg/s,流动压力 27.5 大气压,固定节流

器直径 12.5mm。 认识增强型地热系统 增强型地热系统(EGS—Enhanced Geothermal Systems)是指在干热岩(Hot Dry Rock)技术基础上提 出来的。美国能源部的定义是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出相当数量深层 热能的人工地热系统。 增强型地热系统通过注入井注入水在地下实现循环,进入人工产生的、张开的连通裂隙带,水与岩体 接触被加热,然后通过生产井返回地面,形成一个闭式回路(图 1)。这个概念本身是一个简单的推断,是 模仿天然发生的热水型地热循环系统——即现在在全世界大约 71 个国家, 商业生产电能和直接利用热能所 采用的系统。 建立增强型地热系统的第一步是进行勘探,以鉴别和确定最适宜的开发区块。然后施工足够深度的孔 钻,达到可利用的岩体温度,进一步核实和量化特定的资源及相应的开发深度。如果钻遇低渗透性岩体, 则对其进行水压致裂,以造成采热所需的大体积储水层,并与注入井-生产井系统实现适当的连通。如果钻

遇的岩体在有限的几何界限内具有足够的自然渗透性,采热工艺就可能采用类似于石油开采所采用的注水 或蒸汽驱油的成熟方法。其他的采热办法,包括井下换热器或热泵,或交替注入和采出(吞吐)的方法。 EGS 电站在运行中没有温室气体排放、土地使用适度、总的环境影响小,成本低廉,技术也较成熟, 具有深度开发的潜力。 澳大利亚发展 EGS 的有利因素 澳大利亚有 3 个特殊的地质因素,使之拥有世界级的干热岩资源。 首先,澳大利亚具备异常高的、放射性的元古代花岗岩。最著名的例证就是澳大利亚南部的平均大地 热流为 92±10 毫瓦/平方米,而全球平均仅为 51~54 毫瓦/平方米。其次,在板块尺度上,澳大利亚正逐 步靠近印度尼西亚,引起水平方向上的挤压,通常,也会自然地产生近水平裂缝及断层。因此澳大利亚具 有广泛的干热岩分布。 第三个特殊地质因素是沉积岩盆地占了澳大利亚陆地的绝大部分。世界上最大的自流盆地,下伏了大 约 22%的澳大利亚陆块。井口处地下水出水温度为 30-100℃。盆地是开发地热能最具吸引力的地方,因为 这些地方不仅能提供天然的阻断深部热的盖层,还能形成渗透性的含水层。 2007 年,澳大利亚地球科学家对澳大利亚 5Km 以浅地壳内高于 150℃的地热能做了估算。按照 2005 年 澳大利亚电能的消耗,使用 5Km 以浅地壳内 1%的能量,可供澳大利亚使用 26000 年,这还是基于不考虑 地壳能的可再生性及不利用大于 5Km 深度能量的前提。尽管 EGS 项目地区的重要性潜力尚需进一步完全验 证,但发展地热能的倡导者相信有足够的信息来证明:仅地球动力学公司在澳大利亚南部 Cooper 盆地地热 能产区的热湿裂隙花岗岩就蕴含着巨大的能量潜力, 在将来或可支持零排放标准下大于 10,000 兆瓦的发电 能力(图 2)。而位于澳大利亚南部的 Paralana 项目区平均温度 200℃、覆盖面积仅 20Km2、厚 1Km 的干 热岩,就能够支持向全国电能市场提供 520 兆瓦/年的电量达 25 年之久。深层地热能具有成为澳大利亚重 要基础能源的潜力。 目前 EGS 发电成本为 45 美元/兆瓦时,核电为 60 美元/兆瓦时,而在温室气体减排的压力之下,化石 能源发电在进行二氧化碳的捕集之后的成本大幅增加,其中燃气-蒸汽联合循环发电约为 66 美元/兆瓦时、 煤电约为 56 美元/兆瓦时。另外,根据美国麻省理工学院和澳大利亚 MMA 得出的结论,EGS 发电的成本也 要比其它形式的可再生能源低,因此,EGS 发电在成本上具有很强竞争力。 澳大利亚政府保证能源安全和减轻气候变化风险的政治愿望、对低放射性可再生能源研发的鼓励和深 层地热能广泛分布产生的优势市场认同,以及地热资源场地的申请许可制度等方面诸多因素都成为刺激澳 大利亚 EGS 发展的动力。 澳大利亚政府对 EGS 工程和研究的支持 澳大利亚政府在 2004 年发布的《保证澳大利亚未来能源安全》的白皮书中将 EGS 列为以澳大利亚为市 场领导的技术,并承诺对地热勘探(研究)、评估(概念验证)、示范工程进行支持。截止到 2008 年 4 月, 澳大利亚政府已经向地热工程及其研究投入了 3200 万美元。 进一步的政府财政支持对 EGS 发电进入能源市 场也至关重要,澳大利亚政府正准备确定资金支持的敏感性与有效性。

澳大利亚 EGS 工程的发展 自 2001 年澳大利亚第一个勘探许可证颁发,截至 2008 年 4 月,已有 33 家公司通过审批,加入到可再 生、零排放的地热能开发行动中来,取得的项目投资达 8.32 亿美元(2002~2013 年),主要用于证实和开 发深层地热能,尤其是深层地热能资源,这 33 家公司包括 10 家专门的 EGS 公司。在面积近 18.7 万 km2 的 204 个获得许可证的地区对地热资源进行调查后得出的结论显示,目前地热利用大部分集中于 EGS 电站项 目,其中约 80%位于南澳大利亚州。 澳大利亚联邦政府正准备制定一个自 2011 年起开始实施的国家减排计划,目标是到 2020 年使用可再 生能源达 6 万吉瓦时,即澳大利亚 2020 年全部能耗的 20%。为实现这一计划,未来 5 年内 EGS 工程将迅 速实施。一些成功的研究(勘探)和概念验证工程,到 2011 年至少达 10 项;一些位于不同的地质构造中 的地热发电示范工程,到 2012 年至少达 3 项,地热发电示范工程取得的巨大成功将使投资团体确信地热能 的存在。到 2030 年,对 EGS 的需求至少达到全国总装机容量的 6.8%(5 吉瓦时),到 2050 年将超过 10%。 EGS 发电市场将会非常广阔。 来源:科学时报 作者:杨丰田 庞忠和


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