浅析新型清洁能源的高效开发利用

浅析新型清洁能源的高效开发利用

苏文斌 1 沈思远 2

1. 中电建地热开发有限公司 河南郑州 450000

2.开封市新宋风建设投资有限公司 河南开封 475000

【摘要】：步入21世纪，能源问题与环保问题逐渐成为世界性的共同问题，人类在大规模城镇化、大力发展自身工业能力的同时不可避免地要面对随之而来的能源短缺问题和环境污染问题。所以我们要统筹兼顾，将绿水青山和金山银山有机结合在一起，实现可持续发展，因此，如何将风能、地热能、太阳能等能源完美利用有机结合在一起，使之成为一套清洁高效并且可以稳定运行的供能系统，就成为了我们亟需解决的一个问题。

【关键词】：地源热泵、地热能、储能技术

引言：随着科技进步，人类对于能源问题的认知和对于各种能源利用的研究越发深入。风能、水能、太阳能、核能等各种新能源在科研人员孜孜不倦地探索下，其自身巨大的利用价值和发展潜力正在被不断地发掘，世界各国都掀起了一股新能源开发的浪潮。地热能作为一种新型清洁能源，其知名度远远不及风电与光伏，但是随着技术的不断改进，地热能开始逐步成为大众化的能量来源，以地热能驱动的发电机组、中央空调、甚至农林畜牧等各行各业已经开始为社会的生产、人们的生活提供便利。伴随着越来越多的应用实例给予的反馈，以及党和国家政策的指引作用，利用浅层地源热泵驱动中央空调的供冷、暖模式得以快速发展，但是中深层地热能的研究程度还不够深入，普及程度还有较大的提升空间。本文主要从地热供暖方面，尤其是中深层地热能的利用方面进行分析和阐述。
一、基本概论
地热能的能量来自于地幔中流淌的熔岩，是一种利用当前技术和经济条件，能够从地壳内开发出来的天然热能，并以热力形式存在，其中蕴藏着足以点燃火山、撼动大地的巨大能量。地球内部的热量通过热辐射、热传递等方式传递至地壳下方1-5KM处，热力得以被转送至较接近地面的地方。流动的地下水与滚烫的熔岩发生热交换，最终到达地表。而效率最高、操作最简单的利用地热能的方法，就是直接取用地下水资源，并提取出其中蕴含的地热能。我国地热资源相对丰富，其中环太平洋地热带通过我国台湾地区，喜马拉雅-地中海地热带经过西藏南部和云南、四川西部，在不同的地形地貌以及地质条件的综合影响下，一般来讲，对浅层地热资源的开发，尤其是处在地下200m 左右的地热资源的利用，主要体现在地源热泵技术方面，而深层的亚经济型地热资源主要应用在电力、供冷（暖）、洗浴、农林渔等方面。

二、工艺原理

地热+系统是以地源热泵循环系统为核心的一套供冷暖系统，通过一级和二级板式换热器作为能量交换的主要场所，以“取热不取水”的理念，采取分层次开发的方法，大幅度提高地热资源利用效率，当从水井中提取的地热水经旋流除砂器处理后，进入一级板式换热器后即可为用户端供热了，释放热能后由末端循环泵抽至一级板式换热器中，随后温度略微降低的热水经二级板式换热器换热后进入水源热泵机组，继续为用户端供热，这便是阶梯开发模式；而在供冷时，地热水通过两级换热器后进入热泵机组+冷却塔的系统，换热后为用户端供冷。在上述的循环中，冷却塔等设备需要外来能量驱动，所以我们设置了分布式风光互补系统，大幅度提高冷却塔耗能占比中来自于风电和光伏所产生的清洁能源的比例，与农业生产中的“桑鱼系统”有异曲同工之妙。

而分布式风光互补系统获得的能量不仅可以为供冷暖循环系统提供外来的能源驱动，还可以在其他地方继续发光发热。由于风能和太阳能的能量获取与天气情况关联很大，如太阳能就有能量密度低和不稳定的特点，而风能具有典型的随机性和间歇性，大规模接入电网甚至会成为扰动源破环电网的稳定性。为了让风能和太阳能成为连续、稳定的能源，就必须解决储能的问题，即将晴朗白天以及风力资源充沛时期的能量储存起来供夜间、阴天以及风力资源不足时使用。蓄电池组就能很好的应对这一问题，利用储能系统动态吸收能量并在适当时机释放的特点，有效弥补太阳能和风能的间歇性、波动性的特点，改善太阳能和风能发电设备输出功率的可控性，最终实现提高电能质量和用电效率的目的。而储存的电能不仅可以为用户提供稳定的能量来源，还能方便使用新能源汽车的职工或用户，利用蓄电装置为智能充电桩提供能量，为新能源汽车提供充电服务，全方位践行“低碳运行”的环保理念。

综合来看，类似地热+系统几乎完全使用清洁能源，能量利用效果好、效率高，积极响应党中央的长远规划，坚决贯彻“绿水青山就是金山银山”的国家政策，全面执行“可持续发展”的发展战略，为我国在应对能源危机和接下来的各种挑战中提供了可靠的思路。

三、优点与不利因素
1、优点：
能源热力行业中，地热能是一种清洁无污染、效能比很高并且可以再生的能量来源；日新月异的科学技术将会进一步降低整个供冷暖系统所需的包括设备、材料在内的启动成本，这会使地热能项目在今后的社会建设中更加普及；更多的应用实例带来了更多的使用经验，为保证相关费用的收取和项目投资的营收，人们推出了更为成熟的供热计量制度；得益于清洁能源巨大的开发潜力和优良的环境友好程度，各国相关部门和研究机构都在探索如何进一步推广地热能在城市建设和开发中所占的比重，并给予各种各样的政策优惠与财政补贴。

2、不利因素：
以浅层低温热泵为主要供暖手段的方式可以匹配北方很多地区的供暖需求。而要利用并发挥深层地热资源的供暖效力，我们必须着眼和依靠于地热带这种蕴含大量地热资源的地理位置进行开发利用，才能更加凸显其优势；近几年来，国家不断出台新的政策来支持方兴未艾的新能源行业，并陆续给出了相关的指导意见和建议，但是新能源企业和相关管理部门也要尽快落实和完善具体的施工细节和管理细则；地热供暖的整体效果与地热井的回灌技术息息相关；同时，我们必须因地制宜，在不同的施工条件和地理条件下尝试和验证不同的回灌技术和施工方法，达到循环使用地热资源，保护环境的最终目的。

四、实例分析
1、项目概况
该项目拟建于某地区地热田的核心地带。该地热田是该地区规划内的地热田之一，同时也是该地区唯一的中温地热田（90℃≤T＜150℃），该地热田地热流体最高温度超过130℃，最低温度大于100℃，含有丰富的地热资源。
地热供暖需具备3 个条件，分别为能量来源、供暖需求和施工。
能量来源：3口出水温度在100摄氏度以上的出水井（暂时）。
根据目前100万㎡的供热面积，继续钻探3 眼回灌井便可满足需求。
供暖需求：该热田区域在未来5年内仅建筑供热一项供暖缺口就高达1500万m2，在以地热田核心区为圆心，半径10km的范围内，未来5年的供热需求大约为5000 万m2；此外还有巨大的制冷、蒸汽、工业烘干等供应需求。本拟建项目首期工程供暖需求约为100 万m2，规划仅开发供暖用途。

工程施工：热田位置靠近城镇中心，建设用地、绿化用地和一般农田中有广泛地热资源分布，具备地热井集中钻凿、地热水输送管网集中建设等条件。本工程主要建设内容包括地热井工程、地热水输送工程、集中热力站工程、供暖水输送工程等内容。
2、投资预估
首期工程供暖面积为100 万m2，项目总投资为1.52 亿元，其中工程建设费用为1.34 亿元，工程建设其他费用为1075 万元，预备费672 万元。
3、效益展望
地区发展与改革委员会的财政补贴和供暖运行费用等为本项目主要收益。本项目按总投资1.5 亿元测算，通过市发改委财政补助一次性收益7500 万元。供暖运行收益参考该地区热力集团的供热价格，居民类按24 元/m2.采暖季收取，非居民类由33 元/m2.采暖季收取，考虑到本项目使用清洁能源，居民类按20 元/m2.采暖季测算，非居民类按30 元/m2.采暖季进行测算，如果按照85%的收取率测算，通过供暖运行年收益为1135万元。
通过上述分析可知，本项目在获取该地区发改委地热开发利用资金支持的前提下，静态投资回收期为6.6 年。如考虑建设期贷款利息、利税上缴、动态投资等因素，预计8 年左右收回投资应该可行，项目投资收益率较高。在开发后续供冷、供暖、温泉等用途后，项目建设成本会继续摊薄，能更加彰显项目的投资收益效果。
4、综合效益分析
经济效益：根据上述估算分析，项目经济效益较高。
社会效益：本项目建成后将成为全国首个地热资源整装勘查与综合开发项目，该地区首个中温地热资源综合开发项目，项目建设能够为建设单位带来巨大的社会效益。
环保效益：本项目节能减排效果明显，经估算仅供暖用途一项便可实现年减少耗煤量14450吨，减少向大气排放二氧化碳3.78万吨、氮和硫化合物231 吨。若按每吨标煤900元计算，可直接节约费用1300 万元。

结语：地热能作为一种高效、储量丰富的可再生清洁能源，会在今后的社会发展中扮演越来越重要的角色，满足人民群众地供冷暖需求。虽然在实际施工和应用中地热供暖仍然有很大的提升空间，但若能做到统筹规划、有序开发、高效利用和规范管理，在能效交易、合同能源管理等节能创新机制的基础上，再结合其他节能环保技术，就能将地热供暖的优势尽数发挥出来，让我们的生产过程和生活环境更上一层楼。在能源矛盾日渐紧张的当今社会，地热能在减轻能耗压力和治理环境污染方面，也将扮演越来越重要的角色。

参考文献
[1] 张永胜.世界能源形势分析[M].经济科学出版社，2010年.
[2] 郑克棪、潘小平、董颖.中国地热资源开发与保护[M].地质出版社，2007 年.
[3] 朱永强.新能源与分布式发电技术[M].北京大学出版社，2010 年.

[4] 黄志高、林应斌、李传常.储能原理与技术[M].中国水利水电出版社.2018年.

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