技经观察丨美国大力推动增强型地热系统发展

业界作者：全球技术地图 2022-12-08 19:58:52

当前，世界能源面临严重危机，环境问题也日益严峻，发展储藏量大且环境友好的新型替代能源受到了各国重视。地热资源以其蕴含丰富、高清洁性、运行稳定和空间分布广泛，已成为世界各国加速研究和开发的新型清洁能源。美国是全球最先提出运用增强型地热技术发电的国家，也是全球开展增强型地热系统（EGS）工程数量最多的国家。2022年9月9日，美国能源部又宣布启动新的“能源攻关计划”（Energy Earthshots），大力推动EGS发展，目标是2035年将其成本降低90%，达到每兆瓦时45美元。我国是地热资源丰富的国家，但相关研究和实践起步较晚，我应高度关注这一重要的科技动向，充分吸取国外先进的地热开发经验，加强我国地热资源探勘和地热能应用，制定相关扶持政策，为我国清洁能源转型提供更有力的支撑。

一、增强型地热系统的简况

美国能源部（DOE）将增强型地热系统（EGS）定义为：“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探层热能的人工地热系统”。EGS技术由三个部分组成：分别是注入井、采出井、发电和输电系统。其工作原理首先是钻注入井，通过打出的注入井向地下储层内注入高压水（压裂技术），迫使岩石开裂从而形成具有渗透性的网状结构；其次，工作人员根据压裂的网状结构确定采出地热的位置，钻探采出井；一般采取一注一采、一注多采或多注多采等开发模式。水、二氧化碳等低温介质通过注入井注入地下网状结构后，低温介质吸收高温岩体热能并从采出井采出，然后经过地面发电系统将热能转化为电能，通过输电系统输送给用户。据统计，美国、英国、法国、日本、德国和澳大利亚等国家均开展了EGS研究，并建立了一批研究试验基地，目前全球在建及投入运行的EGS工程已达30个，正在运行的有5个，总装机容量为12.2兆瓦。

整体来看，EGS尚处于起步阶段，还未实现规模化、商业化运行，主要原因是受技术和成本限制，还有一定的路要走。技术方面，一是缺乏可控人工造缝调控技术，导致地下网状结构差，采热效率低；二是对地下渗流、传热、介质变形、水岩反应等机理的认识还不够明确，缺乏地热储层数值模拟技术；三是缺乏井筒热介质高效提取技术，热介质进入采出井时的温度较高，采出井底部和地面发电系统压力差大，导致介质发生闪蒸相变现象，极大影响井内热介质的高效提取；四是地上发电模式众多，但具体适用EGS的并不明晰，现有装备仍存在热电转换效率低的问题。成本方面，DOE测算，EGS发电成本每兆瓦时约500美元，与核电30美元、光伏32美元、煤电36美元等相比，发电成本高昂。

二、美国EGS研发现状

美国是全球开展EGS工程数量最多的国家，早在1973年，美国便在Fenton Hill建立了EGS示范研究场地。截至目前，美国已开展了Raft River项目、Newberry项目、Northwest Geysers项目、Milford项目、Coso项目、Bradys项目、Desert Peak项目、Southeast Geysers项目等。其中Raft River项目在采热发面，Newberry项目在压裂技术方面都走在世界前列，起到了示范作用。

Raft River项目位于美国西部爱达荷州与犹他州交界地区，是美国增强型地热系统示范工程。在20世纪70年代，美国在该地区建立了世界上第一个双循环地热发电站，装机容量为7兆瓦。该地热发电站在1982年成功运行了近8个月，净输出功率为4兆瓦，但由于成本太高无法满足商业生产要求而被迫关闭。2002年，美国地热公司（Geothermal）获得Raft River地热田的开发使用权，对原有的井进行清理、加深及变道工作，并安装了新的双循环地热发电站，装机容量13兆瓦。该地热发电站于2007年进行商业发电并运行至今，采热深度1719-1725米，热储温度约150℃，该项目通过储层压裂，使注入量增加了约28倍，达到了商业化运行规模。该项目得到DOE“地热能研究前沿瞭望台”（FORGE）支持，DOE还向桑迪亚国家实验和犹他大学投资2900万美元，进行EGS尖端技术研究。未来，Raft River地热田或作为美国EGS尖端研究、钻井和技术测试的“实验田”，其成功经验将被推广，实现工业化规模EGS开发。

Newberry项目位于美国Origon州Bend市以南，2010年，在DOE的授权下，AltaRock能源公司与Davenport Newberry合作开展了Newberry EGS示范工程。在开发阶段，研究人员使用水力压裂进行了超过200次微震工作，震级在0-2.5级之间。通过使用最先进的微震监测技术和TZIM压裂技术，可以准确地判断储层内裂隙的分布情况，为后续工作提供重要支持。TZIM压裂技术使用一种热降解区域隔离材料，通过对已有裂隙进行暂时封堵，达到降低压裂液的漏失、维持井内压力和增强剪切压裂的效果，同时在压裂结束后，地层的高温会逐渐将封堵材料降解成较小的碎块随液体排出，维持原来地层中裂隙的连通性，从而更加高效、环保。Newberry项目也为美国EGS发展起到了重要示范作用。

三、美国推出一系列EGS计划，加速EGS发展

近期，美国强化推动EGS计划，其对EGS高度重视值得关注。

2022年4月19日，DOE向公众发布信息，请求公众为拜登政府《两党基础设施法案》投资8400万美元建设4个EGS项目提供支持。

2022年7月28日，DOE启动“石油和天然气示范工程下的地热能源”（GEODE）计划，拟投资1.65亿美元推动地热能发电项目。DOE希望利用石油和天然气行业的专业知识解决开发地热能的困难，使美国摆脱对化石燃料的依赖，到2050年使地热能发电装机量60吉瓦、占美国总发电量的8.5%以上。DOE将提供1000万美元组建一个研究地热能问题的专家联盟，在未来四年再提供1.55亿美元用于地热能发电的研究。

2022年8月15日，DOE在FORGE计划下，向EGS及相关5个领域的17项技术提供4400万美元支持，推进相关技术创新。其中5个领域分别是：地震活动监测、新型储层增产技术、EGS排热效率实验、维持EGS储层中流动的介质，以及可在隔离井筒内区域承受高温的工具。

2022年9月9日，DOE再宣布启动新的“能源攻关计划”，大力推动EGS发展，计划到2035年使其成本降低90%，达到每兆瓦时45美元。DOE表示，美国拥有5太瓦的地热能资源，可满足全球电力需求，只是受技术和成本等限制，目前地热能仅生产了3.7吉瓦电力。除发电外，EGS还可广泛应用于地热供暖和制冷等。“能源攻关计划”是美国能源部重要的创新计划，DOE后续还将推出一系列新计划，实现“能源攻关计划”设立的目标。

四、美国大力推动EGS发展对我的启示

我国地热发电技术的探索起步不算晚，在计划经济时代曾建立了一些地热电站，但近30年来发展缓慢，在主要国家中处于落后的局面。目前，阻碍我国地热能发展的主要问题包括：（1）我国对地热资源开发利用重视程度低，勘查投入不足造成我国地热资源数据积累较差，现有资源分布的数据十分缺乏；（2）我国地热能产业发展扶持政策不明朗、不充分，地热发电的电价政策优惠力度不足，需要国家制定有效引导和激励政策。

我国地热资源丰富，发展前景广阔，地热能的利用对我国实现“双碳”目标具有重要作用。因此，建议：（1）与重视和扶持风能、太阳能等其他可再生能源一样重视地热能发电技术，参照其他可再生能源产业发展政策给予地热发电上网电价补贴，鼓励和吸引更多企业和资金投入到地热发电项目的研究和开发中来；（2）我国石油工业的历史比较悠久，技术很成熟，我应组织石油工程领域的成熟经验和技术应用在EGS开发中，推动地热能发展；（3）矿山资源开发和工程建设中常遇到高温“热害”，与地热运用相同，我应积极发展热害资源化利用技术，推动“矿-热共采”及工程建设中的“热害资源化”利用。

参考文献：

[1]许天福,胡子旭,李胜涛,姜振蛟,侯兆云,李凤昱,梁旭,冯波.增强型地热系统:国际研究进展与我国研究现状[J].地质学报,2018,92(09):1936-1947.

[2]巩亮,韩东旭,陈峥,汪道兵,焦开拓,张旭,宇波.增强型地热系统关键技术研究现状及发展趋势[J].天然气工业,2022,42(07):135-159.

作者简介

张宇麒 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室，三级分析员

研究方向：能源领域前沿技术研究跟踪及产业、政策研究

联系方式：1055791136@qq.com

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编辑丨郑实

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