地熱資源是一種潔凈的可再生資源。近年來，在能源革命、大氣污染治理、北方清潔供暖的大背景下，地熱能作為一種極具競爭力的清潔可再生能源，發(fā)揮著日益重要的作用。隨著地熱發(fā)電、供暖、熱泵等技術(shù)越來越成熟，我國地熱利用方式也發(fā)生了重要的變化，由單一應用向梯級利用、集成應用發(fā)展。目前，地熱綜合梯級利用技術(shù)已成為國內(nèi)外地熱能領(lǐng)域探索的熱點方向。

龔宇烈

中國科學院廣州能源研究所(以下簡稱廣州能源所)以科技為先導，創(chuàng)新為突破，率先在我國南方地區(qū)建成地熱資源綜合梯級利用示范系統(tǒng)，有效提高了地熱資源利用效率，助力地熱能高質(zhì)量發(fā)展。近日，廣州能源所地熱能研究室主任、研究員、博士生導師龔宇烈在接受《地源熱泵》記者采訪時表示，地熱綜合開發(fā)、梯級利用是地熱資源開發(fā)利用的最佳形式，可使地熱資源得到最大程度的保護與開發(fā)。

龔宇烈認為，核心技術(shù)及裝備是制約地熱能開發(fā)利用的關(guān)鍵因素之一。從上世紀70年代起，我國地熱發(fā)電經(jīng)歷了起起落落，目前我國地熱發(fā)電技術(shù)及裝備研發(fā)滯后于地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)，除了亟需加大政策扶持外，同時地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)還需要成熟穩(wěn)定的裝備，才能更好的在未來地熱市場競爭中占據(jù)一席之地。

相知相伴，與地熱17年的不解之緣

廣州能源所在中科院的定位是新能源與可再生能源領(lǐng)域的應用基礎(chǔ)研究與技術(shù)開發(fā)，目前形成了以生物質(zhì)能、海洋能、太陽能、地熱能、天然氣水合物等為重點方向的學科布局，是國家可再生能源綜合技術(shù)國際研發(fā)中心、國家能源生物燃料研發(fā)中心、中國科學院可再生能源重點實驗室、中國科學院天然氣水合物重點實驗室和廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室的依托單位。

300kW地熱閃蒸發(fā)電站

“廣州能源所的前身是廣東省地熱研究室，是國內(nèi)最早從事地熱能利用技術(shù)研究的單位之一，在中低溫發(fā)電、高溫熱泵和中低溫制冷等技術(shù)研發(fā)方面具有國內(nèi)領(lǐng)先優(yōu)勢。”龔宇烈介紹，廣州能源所在上世紀70年代建成了國內(nèi)首座地熱電站，2002年建成了國內(nèi)首套100kW地熱吸收式制冷系統(tǒng)和高溫地源熱泵空調(diào)采暖供熱三聯(lián)供系統(tǒng)，2014年研發(fā)了國內(nèi)首臺立式渦輪ORC模塊化發(fā)電機組和首臺面向工業(yè)應用場景的熱泵蒸汽機組，建成了國內(nèi)首套地熱資源高效梯級利用集成示范系統(tǒng)。

“40多年來，我們在地熱能領(lǐng)域承擔了10余項國家級科研項目，獲國家級獎1項，省部級獎14項，授權(quán)發(fā)明專利近50件。”龔宇烈說，“十三五”以來，廣州能源所在地熱能研究領(lǐng)域不斷向探索多學科交叉的前沿方向深入邁進，培育了儲能式地熱供暖、地熱防垢除垢、中深層地熱單井換熱等技術(shù)領(lǐng)域，目前有些技術(shù)已取得了階段性成果。

龔宇烈在上學時期，本科和碩士階段就讀于天津大學熱能與動力工程系。天津大學作為國內(nèi)地熱能利用技術(shù)理論的發(fā)源地，他有幸參與到碩士生導師趙軍教授的地源熱泵課題組，地源熱泵技術(shù)研究成為他的碩士論文研究方向。“我記得是2002年，我們在天津梅江給一棟辦公樓做了地源熱泵項目，我們分別對水平埋管、U型垂直埋管、樁埋管進行了應用研究探索，在國內(nèi)首次成功將三種埋管方式集成應用于同一工程，取得了非常好的效果。這算是我第一次與淺層地熱能結(jié)緣。”龔宇烈回憶道。入職廣州能源所后，他對地熱能的研究由淺及深，“17年的耕耘，與地熱能算是有了不解之緣。”

龔宇烈主要從事地熱能利用技術(shù)、熱泵制冷技術(shù)以及建筑節(jié)能技術(shù)的研究開發(fā)工作。在熱泵技術(shù)領(lǐng)域，他主持完成了國家863課題“低溫地熱壓縮吸收式熱泵系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究”，研制國內(nèi)首套50kW壓縮吸收式熱泵試驗裝置，系統(tǒng)COP較壓縮式熱泵提升20%。自工作以來，龔宇烈共承擔國家級科研項目7項，省、院級科研項目6項，先后獲得廣東省科學技術(shù)二等獎一項、廣東省科學技術(shù)三等獎二項、以及聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織頒發(fā)的“藍天獎”提名獎等諸多榮譽。

作為地熱能行業(yè)發(fā)展的見證者和推動者，在龔宇烈眼里，最近這10年，地熱能行業(yè)發(fā)展非常迅速。他說，“十二五”期間我國在中低溫地熱發(fā)電、地熱綜合梯級利用等方面實現(xiàn)了從裝備研發(fā)到示范的突破;“十三五”以來國家在科研研發(fā)方面投入力度更大，包括深地計劃重大專項、中科院先導專項、青海共和干熱巖科技攻堅戰(zhàn)等，這些國家重大專項都將支撐地熱資源勘探、開發(fā)、利用新技術(shù)的突破。

同時，令龔宇烈感觸頗深的是，這幾年很多國企、民企紛紛介入地熱能行業(yè)，對地熱產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起到了重要推動作用。“中石化引領(lǐng)了地熱供暖產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，中核在重點部署地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)，中石油積極推動油田地熱開發(fā)，還有很多大企業(yè)去國外競爭地熱市場等等。”他說。

地熱資源綜合梯級利用示范工程現(xiàn)場圖

龔宇烈是江西人，他對于南方冬季陰濕寒冷深有感觸，“江西屬于長江流域夏熱冬冷地區(qū)，小時候真能感覺到那種刺骨的濕冷，現(xiàn)在過年回老家也會感覺很不適應，室內(nèi)室外幾乎一個溫度。”關(guān)于最近幾年不少專家學者提出的我國城市供暖線南移的建議，龔宇烈認為，“目前夏熱冬冷地區(qū)的冬季供暖應該以大力推廣分布式能源供應為主，而地熱能，尤其是淺層地熱能可以發(fā)揮主導作用，有效解決城鎮(zhèn)冷熱兩端的清潔能源供應。”

不久前，由汪集暘院士領(lǐng)銜的研究團隊承擔的中國科學院學部咨詢項目“長三角地區(qū)地熱資源及其綜合利用研究”在中科院召開了啟動會。據(jù)悉，該項目旨在系統(tǒng)厘清長江三角洲地區(qū)地熱資源家底及開發(fā)利用的現(xiàn)狀與需求，梳理存在的問題，探索長三角地區(qū)地熱開發(fā)利用發(fā)展道路，并在此基礎(chǔ)上提出戰(zhàn)略與對策，為長三角“一體化”和“高質(zhì)量”發(fā)展提供支撐。

龔宇烈作為上述研究項目的課題四“長三角地區(qū)地熱綜合利用創(chuàng)新技術(shù)”負責人參與其中。他介紹，“研究團隊將花兩年的時間研究長三角地區(qū)地熱能開發(fā)利用創(chuàng)新技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新模式，并向國家和當?shù)卣岢鱿嚓P(guān)建議。”龔宇烈認為，未來地熱能在南方區(qū)域清潔冷熱聯(lián)供將發(fā)揮重要角色。

地熱能梯級利用，提高資源利用效率

作為學科帶頭人，“十二五”期間，龔宇烈主持完成了國家科技支撐計劃重點項目“地熱資源利用技術(shù)”中的“地熱資源綜合梯級利用集成技術(shù)研究”這一課題，首次在南方地區(qū)建成地熱資源綜合梯級利用示范系統(tǒng)，地熱資源利用率超過70%，節(jié)能減排效益顯著。

豐順鄧屋電站大門口的歷史印記

“這個課題主要是想探討一下華南地區(qū)如何高效利用地熱資源。”龔宇烈介紹，廣東地熱資源雖然很豐富，水質(zhì)也非常好，但沒有像北方清潔供暖這樣的剛需，目前絕大部分是作為旅游資源開發(fā)溫泉洗浴，資源利用率低，利用方式也很單一。“但我們都知道廣東夏天空調(diào)需求很大，因此我們就想著圍繞溫泉旅游產(chǎn)業(yè)來構(gòu)建一種新型的地熱資源綜合梯級利用模式。”他說。

何為地熱資源綜合梯級利用?龔宇烈告訴記者，地熱資源綜合梯級利用是根據(jù)資源能量品位的高低進行高效利用，不同品位的地熱資源對應不同的利用方式，如果能結(jié)合需求側(cè)因地制宜加以利用，將大大提高地熱資源的利用效率。地熱資源綜合梯級利用有三大好處，一是有限資源利用的最大化，二是能量利用的合理化，三是面向需求的多元化。

龔宇烈介紹，“地熱資源綜合梯級利用集成技術(shù)研究”示范點選擇在廣東省豐順縣，豐順鄧屋電站發(fā)電后的尾水溫度常年在70℃以上，目前僅僅提供溫泉洗浴，利用效率低，形式單一，能源浪費嚴重。利用豐順鄧屋地熱電站的尾水進行綜合梯級利用，整個系統(tǒng)包括四級梯級利用。第一級是地熱制冷，利用廣州能源所自主研發(fā)技術(shù)—兩級吸收式制冷技術(shù)進行制冷，目前可以做到65℃以上的熱水用來給建筑提供夏季制冷負荷;第二級是地熱干燥，用于烘干當?shù)剞r(nóng)副產(chǎn)品或酒店衣物;第三級是溫泉洗浴;最后一級是利用高溫熱泵技術(shù)進行提升溫度，以此來實現(xiàn)在有限的資源條件下提供更多的供熱需求。

“通過上述四級梯級利用，實現(xiàn)地熱資源利用率高達70%以上，如果再加上前端地熱發(fā)電的話，資源利用率可實現(xiàn)80%以上。整個系統(tǒng)用的技術(shù)都是我們團隊前期研發(fā)的相對成熟的技術(shù)成果，從創(chuàng)新角度來看應該更多的是技術(shù)集成方面的創(chuàng)新，這套系統(tǒng)得到了業(yè)內(nèi)同行的高度評價，成為具有南方特色的‘豐順模式’。”龔宇烈總結(jié)說道。

“在我國東南沿海幾個省，地熱資源都非常豐富，這套模式完全可以復制推廣，當然模式不是一層不變的，需要結(jié)合當?shù)匦枨笠虻刂埔恕?rdquo;他進一步說，從總體上來看，地熱資源開發(fā)應注重“能源屬性”和“旅游屬性”相結(jié)合，實現(xiàn)資源利用的最大化，也能為當?shù)貛盹@著的社會經(jīng)濟效益。

地熱綜合梯級利用技術(shù)是國內(nèi)外地熱開發(fā)利用正在探索的熱點方向之一。龔宇烈介紹，我國地熱資源綜合梯級利用主要有三種模式：一是以北方地區(qū)地熱供暖為主的梯級利用模式，比如板式換熱和熱泵結(jié)合的地熱梯級供暖模式，目前已經(jīng)成熟應用;二是以南方地區(qū)地熱制冷為主的梯級利用模式，這是我們正在探索并想推廣的模式;三是以西部地區(qū)地熱發(fā)電為主的梯級利用模式，地熱發(fā)電后再結(jié)合當?shù)匦枨髮崿F(xiàn)供暖、溫室、溫泉療養(yǎng)等。“這只是典型的模式，而模式往往要結(jié)合需求定制，這也是地熱資源綜合梯級利用的一大特點。”他說。

發(fā)電技術(shù)及裝備滯后，亟待突破瓶頸

我國地熱資源豐富，其中高溫水熱型地熱資源主要分布在西藏、云南、四川和臺灣地區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計，已發(fā)現(xiàn)高溫地熱系統(tǒng)200多處。龔宇烈介紹，早在1999年，由北京大學地球和空間科學學院廖志杰老師領(lǐng)銜的研究團隊對我國西南地區(qū)準高溫、高溫地熱資源進行了發(fā)電潛力評估，發(fā)電潛力接近6000MW，“而目前只有西藏羊八井25MW和羊易16MW的裝機在運行，這充分說明高溫水熱型資源的開發(fā)還遠遠不夠”。

龔宇烈告訴記者，在可再生能源大家庭中，地熱能最大的優(yōu)勢就是連續(xù)穩(wěn)定，據(jù)世界能源署(WEC)統(tǒng)計，地熱發(fā)電的利用系數(shù)是可再生能源中最高的，年平均利用系數(shù)高達73%，目前新建的地熱電站利用系數(shù)已經(jīng)達到了85%95%，所以地熱發(fā)電可作為電網(wǎng)的基礎(chǔ)負荷。

“地熱發(fā)電同太陽能、風能做對比，如果用同樣的裝機容量來比較一年的發(fā)電量，則地熱生產(chǎn)的電力是風電的3.5倍，是太陽能發(fā)電的5倍。”龔宇烈說，地熱發(fā)電優(yōu)勢明顯，但劣勢也很突出，最大的風險來自資源本身，前期勘探存在不確定性以及開發(fā)成本高，這也是地熱發(fā)電遠遠落后于風電和光伏的原因之一。

談及近年來我國地熱發(fā)電變化，龔宇烈表示，從上世紀90年代開始到2018年，地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)幾乎都是依靠西藏羊八井電站和豐順鄧屋電站在苦苦支撐，當然其中也有一些地方建了小規(guī)模發(fā)電試驗，但大都是一試了之，有裝機沒有發(fā)電。

值得一提的是，廣東豐順鄧屋電站于1970年12月發(fā)電成功，這是我國第一臺中低溫地熱能發(fā)電機組的成功應用，填補了國內(nèi)地熱發(fā)電的空白，也使得我國成為世界上第5位地熱發(fā)電國家。龔宇烈認為，50年過去了，豐順鄧屋電站在今天看來仍具有深遠的啟示意義。

“廣州能源所的前身是廣東省地熱研究室，在上世紀70年代組建這個研究室的目的就是開展中低溫地熱發(fā)電技術(shù)研究并建設(shè)豐順鄧屋地熱電站。”龔宇烈介紹，鄧屋地熱電站作為中低溫地熱發(fā)電的試驗基地，實際上建有三套機組：1970年第一臺試驗用86kW單級閃蒸發(fā)電機組(1號機組)發(fā)電成功，該項技術(shù)成果1978年獲得了全國科學大會獎狀(國家科學技術(shù)獎前身)。1978年一臺200kW雙工質(zhì)循環(huán)(中間介質(zhì)法)發(fā)電機組(2號機組)發(fā)電試驗成功，在國內(nèi)首次采用異丁烷工質(zhì)進行試驗，該項技術(shù)成果1979年獲得廣東省科學大會獎和1980年中科院科技成果二等獎。為實現(xiàn)鄧屋地熱電站的長期運行，1982年建成300kW單級閃蒸發(fā)電機組(3號機組)，該項技術(shù)成果1986年獲得廣東省科技進步二等獎。3號機組一直穩(wěn)定運行到2016年，是我國地熱發(fā)電事業(yè)重要的里程碑。

“中低溫地熱發(fā)電的兩種主流技術(shù)在上世紀70年代都已經(jīng)試驗過，現(xiàn)在地熱界普遍存在一種錯誤的認識，就是覺得雙工質(zhì)發(fā)電是先進技術(shù)，而閃蒸發(fā)電是落后淘汰的技術(shù)。實際上豐順和羊八井兩座地熱電站都采用閃蒸發(fā)電技術(shù)，穩(wěn)定運行了40年。”龔宇烈表示，放眼全世界，閃蒸發(fā)電技術(shù)也占到了整個地熱發(fā)電裝機容量的60%以上。上世紀70-80年代地熱發(fā)電實踐證實了中低溫地熱發(fā)電技術(shù)的可行性。“50年過去了，我國地熱發(fā)電技術(shù)及裝備研發(fā)已經(jīng)嚴重滯后于地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)，我們需要成熟穩(wěn)定的裝備，這樣才能在未來地熱市場競爭中占據(jù)一席之地。”他特別強調(diào)。

核心技術(shù)及裝備是制約地熱能開發(fā)利用的關(guān)鍵因素之一，沒有核心技術(shù)，巧婦難為無米之炊。“前幾年，國內(nèi)有家企業(yè)在國外拿到了地熱發(fā)電項目，打電話來咨詢，連問幾個問題，中國有成熟設(shè)備嗎?中國有設(shè)計單位嗎?中國有施工隊伍嗎?”龔宇烈坦言，“我一個也答不上來，事實是確實沒有。”

“當然這兩年的情況還是略有好轉(zhuǎn)，尤其是羊易地熱電站的建設(shè)投產(chǎn)為我國地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)積累了經(jīng)驗。”龔宇烈介紹，在發(fā)電技術(shù)及裝備方面，國內(nèi)最近也有一些利好消息，南京天加分別和美國聯(lián)合技術(shù)(UTC)、意大利Exergy公司簽訂戰(zhàn)略合作，目標就是生產(chǎn)ORC發(fā)電設(shè)備。東方電氣集團下屬東方汽輪機公司也在積極推動ORC發(fā)電設(shè)備的研發(fā)，今年將推出300kW的樣機。他進一步說，“還有其他企業(yè)比如浙江開山、中船重工711所、北京華航盛世等等，他們的設(shè)備在余熱發(fā)電已經(jīng)得到應用推廣。”隨著地熱技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，越來越多的企業(yè)加入了這一行列，龔宇烈相信“十四五”我國地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會邁上新的臺階。

建言獻策，期待地熱能未來全面發(fā)展

廣州能源所研發(fā)的350kW立式渦輪ORC發(fā)電機組

2017年國家首次出臺的《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，描繪了產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍圖，地熱能迎來了行業(yè)發(fā)展新時代。“有了‘十三五’的開局，我對地熱能“十四五”發(fā)展充滿期待。”龔宇烈認為地熱產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展的機遇已來臨。他分析說，近幾年國家對地熱的科技投入有了大幅度增長，其次大型國企正在發(fā)揮引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用。我國地熱能在城鎮(zhèn)“冷熱”兩端的貢獻已經(jīng)非常突出，也創(chuàng)造了舉世矚目的成就。

面向北方地區(qū)清潔供暖，地熱能發(fā)揮了重要作用，成功打造了“雄縣模式”，應用于北京副中心、大興機場等重大工程，期待地熱在未來的“雄安新區(qū)”清潔能源規(guī)劃中扮演重要角色。同時，隨著南方地區(qū)供暖需求的日益迫切，期待未來能夠圍繞長三角一體化、粵港澳大灣區(qū)等國家重大戰(zhàn)略，積極發(fā)揮地熱資源的優(yōu)勢，探索高效梯級利用模式，助力南方清潔冷熱聯(lián)供。

地熱能迎來可喜發(fā)展局面的同時，龔宇烈期待我國地熱能對“電”的貢獻能發(fā)揮支持區(qū)域發(fā)展的作用。以西藏為例，目前西藏的電力供應主要是水電和光伏為主，但水電的豐盈枯缺以及光伏全年不穩(wěn)定特征明顯，造成西藏電網(wǎng)運行穩(wěn)定性較差，缺乏穩(wěn)定的基礎(chǔ)性電力負荷作為支撐，而西藏高溫地熱資源豐富，地熱發(fā)電恰恰可以扮演基礎(chǔ)負荷這個角色。“從去年底開始，我已經(jīng)給國家和中科院分別提了這方面的建議，期待未來能有所作為。”他說。

在龔宇烈看來，地熱能與其它可再生能源一樣，其發(fā)展都離不開國家政策的支持。“以風電和光伏為例，正是國家財政這些年的不停的投入，使得產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平不斷提升，發(fā)電成本才降低到了目前的水平。”他介紹，市場經(jīng)濟主導下的地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)在“十三五”剛剛起步，羊易地熱電站已經(jīng)運行了一年多，但比較遺憾的是錯過了國家對可再生能源投入的第一波紅利期，申請上網(wǎng)電價舉步維艱，到現(xiàn)在還沒有明確下來，這顯然不利于我國地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“反觀計劃經(jīng)濟時代的豐順鄧屋地熱電站，都可以給到0.685元/kWh的補貼電價。所以，目前國家對地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的‘一事一議’的電價補貼方式很難適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新態(tài)勢，甚至有可能阻礙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”龔宇烈指出，我國地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)要往前發(fā)展，總體上離不開三方面的支持，一是降低資源勘探的風險和成本，二是低成本的成熟設(shè)備及工藝，三是適當?shù)碾妰r激勵政策。

“地熱能在新時代有了很好的開局，相信‘十四五’地熱能產(chǎn)業(yè)必將迎來全面發(fā)展的新機遇。”龔宇烈說。

(注：本文刊登于《地源熱泵》2020年8月刊，本文圖片由受訪者龔宇烈主任提供)