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全城无烟:地热能开发有了“雄安模式”

2017-10-17 13:42:51

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  全城无烟:地热能开发有了“雄安模式”

  “地热+”的多能互补方案成为率先被提出的雄安新区供暖方案,

  “地热能”也成为雄安新区第一个得到确认的具体投资领域

  中国新闻周刊记者/李明子

  “雄县没有烟囱,你看,这里是无烟城。”中国石化绿源地热能开发有限公司(下简称“绿源公司”)技术总监孙彩霞骄傲地说。

  雄县位于河北省中部,距北京约110公里。中国北方城市取暖大多使用燃煤,致使华北、东北地区的冬季空气质量一直不佳,河北多个城市尤甚。但这个地处京津冀中心的小县城,由于从2009年开始大规模使用地热能集中供暖,形成在国内具有样板意义的地热开发利用“雄县模式”,彻底摆脱了冬季燃煤供暖带来的种种问题。

  如今,地热能供暖已覆盖全县95%以上的建筑。据绿源公司统计,2013年雄县地热供暖CDM(清洁发展机制)项目在联合国注册后,核证的二氧化碳年减排量为10万吨。以一棵树每年可吸收二氧化碳18.3千克计算,相当于种植了500多万棵树。

  今年4月,设立雄安新区的消息公布后,新区内雄县的热能开发备受关注。据公开资料,雄安新区启动区面积为30平方公里,将构建成“蓝绿交织、清新明亮、水城共融、多组团集约紧凑发展的生态城市”,“地热+”的多能互补方案成为率先被提出的供暖方案,配套补充能源也依然以天然气、太阳能、风能等清洁能源为主。

资料图:雄安新区。张帆 摄
资料图:雄安新区。张帆 摄

  国内公认最好的一块中深层地热田

  孙彩霞还记得,2009年10月28日公司与河北雄县人民政府签订《开发雄县地热资源合作协议》的那天,正好下着大雾。雄县位于白洋淀的东北方向,守着366平方公里的湖,下雾是常事。但她当时还不知道,此前冬天因为地热水直接排放到地表,县城水汽缭绕,比下雾还严重。

  在现年49岁的雄县县委宣传部副部长王金锁记忆中,雄县地热的发现,源于华北油田的勘探。这是上世纪70年代由时任全国科协副主席、中科院副院长李四光开启的全国“地热会战”成果之一。大约在1973年,雄县开始有“地热供暖”的概念。

  “所谓地热,就是岩石和地下水里面的热。”中国科学院地质与地球物理研究所地热资源研究中心主任庞忠和向《中国新闻周刊》解释。在所有地热形式中,水热型最容易开采利用,直接把热水抽上来利用;如果地下水不够,还可以人工注水,通过和岩石交换热量,注入凉水,抽出热水。

  太阳能、风能有不稳定性,天然气燃烧后仍会产生二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽等排放物,相比之下,地热是最稳定、最清洁的零排放绿色能源。

  “雄县水质好,地热水打上来直接就能用。很多人随便打口井,就弄个澡堂子经营。”王金锁对《中国新闻周刊》回忆说,不少澡堂附近居民接个管子把热水引到家里取暖,就成了“地热取暖”。那时开发不具规模,打井后地热水能自喷到地面以上十几米高。

  雄县所处地热田属于牛驼镇地热田。1988年出版的《华北地热》一书中记载了牛驼镇地热田的热储优势,“埋藏浅、水温高、储量大、水质好”。孙彩霞说,“这是国内公认最好的一块中深层地热田”,打到地下1500至2000米就有热水,而在中国其他地方,获得同样温度的地热资源通常要打到地下3000多米;雄县地热水的温度也很高,常年在60至80摄氏度之间,特别适合实现梯级利用;出水量平均为每小时50至70立方米,部分地区可达每小时120立方米;同时,地热水矿化程度低,基本可直接使用,不易对管道造成腐蚀。

  雄县的学校、医院甚至个人纷纷打井取暖。“地热能与其他矿产资源不同,不能直接买卖,时间长就冷了,没人觉得其中有经济价值。”绿源公司副总经理陈蒙辉说,因此最初开发时也没有过多限制。当时,县国土资源局下设专门的地热办,只要申请,一般都能得到批准。

  这种状况一直持续到2000年前后。房地产开发进入热潮,如果小区有地热供暖,价钱就高,全县的小区纷纷打热水井。当时没有回灌技术,地热水使用过后,就直接排到地表。

  雄县西南方有个巨大的“温泉湖”。雄县县委宣传部副部长王金锁说,这个湖本是个很小的自然湖,2000年前后,大量开采出的地热水无处排放,都排到湖里。湖面越来越大,谁也不知道水有多深。地热水排出后依然有三四十度,湖水冬季不结冰,蒸发后在地面五六米高的空中形成雾气带,整个县城如在仙境。有的小区随意挖个排水坑,坑里水满了,外溢到公路上,地面结冰后形成交通安全隐患。

  不只如此,雄县地下水位也在迅速下降。自2000年后,每年地下水位下降十米左右, 2008年11月,雄县副县长王育新刚一上任,就遇到了“大麻烦”――许多热水井不再自喷,很多小区冬季没有取暖的地热水了,开始有居民为此上访。王育新说,他当时感觉到这件事单靠政府不好管,“还是得由市场来”。

资料图:从高空俯瞰河北容城。 中新社记者 翟羽佳 摄
资料图:从高空俯瞰河北容城。 中新社记者 翟羽佳 摄

  西学中用

  早在2006年,为解决地热无序开发现状,雄县政府国土资源局就从国家开发银行贷款1000余万元,成立了专门开发雄县地热资源的绿泉公司。同时规定,县城规划区域内,不再允许新增私人地热井,今后将由绿泉公司统一负责地热供暖。绿泉公司打了6眼地热井,但很快就已经无法跟上房地产开发的速度了。

  取暖是北方冬季极重要的民生问题。雄县政府于是从2009年初起就组织研讨会,到北京各大院校和科研单位咨询相关专家,试图解决地热供暖的困境,最后明确,有两个环节必须解决:首先,必须引入地热水回灌技术,以解决水位下降和环境污染问题;其次,政府已经没钱了,要寻找充足的资金。更为迫切的是,一切要赶在当年供暖季到来前完成。

  雄县全县约六成土地蕴藏地热资源,一直吸引着国内外能源专家前来考察,中国石化集团(下称“中石化”)新星石油公司(下称“新星公司”)也在其中。新星公司是中国最早涉足地热开发业务的国有企业,旗下有一家专事地热开发的国有企业,其下属绿源公司是一家中冰合资企业,成立于2006年。

  冰岛是地热开发利用技术最先进的国家之一,其地热开采能力已可以开采深达地下4公里、高达374摄氏度以上的“超临界流体地热资源”,地热能取暖覆盖了全国约九成居民,约三分之一的电力来自地热发电。

  中国向冰岛学习地热开发技术可以上溯到上世纪。从1979年起,陆续有90多位中方人才前往冰岛接受地热方面的培训。今年56岁的庞忠和就是1988年赴冰岛联合国大学地热学院进修的第十批学生之一。“当年中国就我一个人去,全班只有6个人,都来自亚非拉国家。”

  王育新回忆说,这使他们想到,是否可以考虑与新星公司合作,既可利用国有企业的资金优势,又可以学习到冰岛的先进技术,一举解决两大难题。电话打过去,新星公司也正在寻找在中国中东部地区发展的机会,于是一拍即合。

  合作谈判结束时,王育新一算时间,还有不到3个月就要供暖了,但雄县政府、中石化新星公司、冰岛三方签约时间定在2009年10月28日,根本来不及。“得让他们先干”。

  8月26日,签合同前两个月,陈蒙辉带着6个人项目组入驻雄县。当时,雄县只有雄州路一条主干道,路上连公交车站都没有,不远处就是大片麦地。项目组以雄州路上一家三层楼的酒店为根据地,马路对面的小区还在建设施工,那里就是他们第一年试点供暖的地方之一。

  孙彩霞也在这时作为冰方代表来到雄县。之前,她也曾在联合国大学冰岛地热培训中心进修,之后一直在冰岛极地绿色能源公司任职。

  孙彩霞对《中国新闻周刊》介绍说,首先要解决的是地热水回灌问题,目前采用的技术,是将开采上来的地下水,通过换热器“取走”热量,之后再回灌到地下同一水层,以保持地下水位的平稳。这一过程被称为“同层回灌”,早在1988年之前,法国巴黎就采用了这种技术,他们称之为“对井采灌”。过去,一般采用一口生产井一口回灌井的“一采一灌”模式。在雄县,为了提高地热井的使用效率,陆续开发出“两采一灌”和“五采三灌”的地热井群模式。

  而“取走”热量,采用的也是取热不取水的间接换热法。简单说,先由生产井将地热水抽出,经软化处理降低腐蚀性后,流入板式换热器取热,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“热”从换热器上取走,经由错综蜿蜒的不锈钢管道送到千家万户,温度降低后,回到换热站重新取热,如此循环往复,达到“取热不取水”的效果。

  这个过程颇为类似人体内氧气在血液中的循环:肺泡从吸进的空气中获得氧气,之后废气被排出体外;与此同时,动脉血中的血细胞从肺泡里取走氧气,运送到身体各个部位,变成含氧量低的静脉血后,再回到肺部取氧。

  雄县地下水资源温度高也是巨大的优势。为了提高使用效率,新星公司采用的是梯级化利用技术。刚开采上来的地热水,温度高达70至80摄氏度,经过一级换热板后最先为散热器用户供暖;约50度的一级地热尾水进入二级换热板,之后为地板辐射用户供暖;约37度的二级地热尾水进入三级换热板后,再经热泵机组提温也可为地板辐射用户供暖;地热尾水利用到20度左右进行回灌。

  从2009年至今,雄县已开发90余口采热井和回灌井,供暖面积由40多万平方米增加到450万平方米,增长了10倍多,雄县95%的建筑实现了地热能供暖。

  在新星公司雄县一处换热站,《中国新闻周刊》记者看到,换热站占地约700平方米,在整个换热站内部,粗细不一的管道盘根错节,均由银色保温管包裹,电脑监控遍布全站,各项数据可直接在位于办公楼二层的“地热调控指挥中心”时时监测。从2009年至今,雄县已建成了36座换热站。

  孙彩霞介绍说,原本每个换热站配备了三四名值班人员,随着电子监控技术的广泛使用,即将采用无人值守模式,未来还将修建一座中央监控中心,可直接监控各个换热站的运转情况,甚至可以根据天气的变化调节输出的温度。“数据通过传感器传到系统上,报表直接输出,这是最先进、最直接、最高效的方式,也是未来要推广的方式。”

  技术提升了,但价格依然低廉。目前雄县取暖费为16元/平方米,比原来燃煤供暖时期还少了10元。

  如何复制“雄县模式”

  2011年8月18日,新星公司又与容城县政府签订地热开发协议。整套合同参考、复制了雄县模式。目前容城已开发了20口地热井,供暖面积达到200多万平方米。

  2014年2月,全国地热能开发利用现场交流暨地热能利用工作会议在雄县召开,黄河以北各省发改委的相关人员都来到雄县。在这次会议上,新星公司提出了地热开发的“雄县模式”:通过以地热为主的集中供热代替传统燃煤。他们总结,“雄县模式”的成功得益于“四个统一”:统一政策,由政府统一制定地热勘探、开发、运行维护、暖费贴费收取等方面的优惠政策;统一管理,成立地热管理办公室,对地热能的综合利用进行统一管理;统一规划,编制的地热发展专项规划,纳入城市建设和经济发展总体规划之中;统一开发,授予新星公司地热资源开发特许经营权,进行整体开发。时任国家发改委副主任、国家能源局局长吴新雄在考察了雄县的地热开发情况后,将“雄县模式”总结为“政府主导,政企合作,技术先进,环境保护,百姓受益”,认为可以作为一个样板在全国推广。

  庞忠和分析说,从管理角度看“雄县模式”,最大的优势是“一家主导,统一管理”。比如,以往的地热开发,地热井权属分散,没有形成规模,无法实现统一管理,各家分头行动,零敲碎打,大家比赛打井用热,却都不回灌,造成巨大的资源浪费和地下水位下降等环境风险。

  而雄县采用的模式是,政府将全县地热资源的特许经营权全部交给绿源公司,之后由绿源公司负责收购社会私井,改善供暖管网,最终形成了统一管理和调配,这时科研就发挥了最大作用。雄县地热开采形成规模之初,庞忠和受邀带领科研团队进入雄县,着重研究尾水回灌问题,用现场实验和数学模型技术,对地热储的温度分布、渗透性分布等指标提出专业化意见,以达到最优化可持续开发,支撑规模效益。

  雄县的地热开发模式,是否可以复制到中国更广大的北方地区?

  据估计,中国拥有全球约六分之一的地热资源,地热能发展潜力巨大。其中,以青藏高原为核心,北至新疆喀什,南到滇西、川西,蕴藏着极为丰富的高温地热。如西藏八井地热电站使用的地下热水,最高温度可达260度;四川西部的康定,地下200米就可达到218度的高温,特别适合开发出来用作高温发电;东部也有丰富的中低温地热资源,主要集中在松辽盆地、渤海湾盆地、江汉盆地等处,冬可供采暖,夏可供制冷。然而截至2015年,中国的地热发电量仅为冰岛的15%。

  庞忠和对《中国新闻周刊》说,根据中国现在的经济和技术水平,想要低成本、高效率地开发地热,应先到地热集中的地区,既要资源充足又要市场需求方可扩大规模,才能将“雄县模式”加以复制。

  对于资金问题,庞忠和持乐观态度。他说,现在已有越来越多的民营企业进入地热开发领域,未来将会有更多资本进来,并非只有国企才具有资源开发的实力,“只要有利可图,钱根本不是问题”。政府可以做的,是理顺矿权、环保等管理环节,加大资源勘查评价投入,降低企业的投资风险。

  雄安新区第一个具体投资领域

  根据国家发改委、国家能源局和国土资源部联合发布的《地热能开发利用“十三五”规划》,到2020年,河北计划新增“浅层地热能供暖/制冷面积”7000万平方米,新增“水热型地热能供暖面积”1.1亿平方米。

  目前,新星公司目前在全国开发的供热面积达2600万平方米,其中河北1200多万平方米,包括雄县、容城、霸州、辛集、故城、魏县、东光等地。今年4月,设立雄安新区的消息公布后,新星公司宣布,2017年计划在雄安新区新增清洁能源供暖面积1000万平方米。“地热能”成为雄安新区第一个得到确认的具体投资领域。

  2016年6月,京津冀协同发展专家咨询组组长、中国工程院主席团名誉主席徐匡迪专程到雄县参观地热开发情况,参观结束后,在新星公司雄县分公司的会议室开了个闭门会议。受到如此高度重视,公司上上下下都很激动,但孙彩霞说,“当时谁也想不到,未来这里会上升到雄安新区那么高的级别。”

  据庞忠和说,雄县考察结束后,徐匡迪回到北京,又参加了中国地热产业规划和布局战略研究座谈会。庞忠和也参加了会议,他回忆说,徐匡迪在会上用“不闹脾气”来形容地热能的连续性和稳定性,并要求大家积级向社会推广地热能源。庞忠和说,“当时感受到的是地热发展受到了国家的重视,现在看来,也和雄安新区的谋划相关。”

  根据规划,雄安新区将建成“蓝绿交织、清新明亮、水城共融、多组团集约紧凑发展的生态城市”,于是“地热+”的多能互补方案成为率先被提出的供暖方案,配套补充能源也依然以天然气、太阳能、风能等清洁能源为主。2017年6月14日,国土资源部中国地质调查局支撑服务雄安新区规划建设的地质调查工作正式拉开帷幕。地质调查提出四大目标之一就是“打造全球地热利用样板”。根据中国地质局8月23日公布的雄安新区地质调查第一阶段结果,起步区地热可满足3000万平方米建筑面积。

  雄县副县长吕伟介绍说,雄县地热自采自供仍有富余,曾有过远距离送热的计划,支援周边资源较少的地区,但目前,一切都要等雄安新区总体规划编制完成,再图发展。

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