日本地热发电现状及技术进展研究

第9期2022年3月江苏科技信息

Jiangsu Science &Technology Information

No.9March,2022

作者简介:李前喜(1970 ),男,河南商丘人,博士;研究方向:物流发展战略,供应链管理,社会可持续

发展㊂

日本地热发电现状及技术进展研究

李前喜

(贵州财经大学工商管理学院,贵州贵阳550025)

摘要:地热发电是有效减少CO 2排放的可再生能源利用手段㊂文章根据日本能源协会以及经济产业省资源能源厅等相关文献资料,从物质能源流角度分析地热能源发电的现状㊁技术革新动向㊂结果表明,当前碳中和大背景下可再生能源利用逐步得到重视,地热发电的各种规章制度执行得到保证,从成熟的水汽循环地热发电系统,向低温温泉双循环㊁深部干热岩层㊁二氧化碳循环等地热发电技术层面创新㊂

关键词:碳中和;地热发电;水汽循环;CO 2地热循环中图分类号:TK529㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言

㊀㊀众所周知,日本处于环太平洋火山带,是一个地震灾害多发的国家,拥有较多的温泉地热资源㊂从表1所示的世界地热能源分布状况来看,日本仅次于美国和印度尼西亚居全世界第3位,其地热发电站主要分布在火山以及地热储藏地域,东北与九州等地区集中度较高㊂国内最大的发电设施是大分县八丁原发电站,标准发电量为11MkW,国内最初商用

发电的是岩手县松川地热发电站,约有50年以上的运营历史㊂据2019年9月的数据,日本全国地热发电站有66座㊁87个设施,设备容量合计约54MkW,

发电能力约为2472GW ㊃h,计划在2030年发电容量

扩大3倍[1]㊂

表1㊀世界主要国家地热资源量与发电设备容量(单位:MkW)

国名地热资源量地热发电设备容量

美国

3000

309.3印度尼西亚

2779

119.7日本2347

54.0

菲律宾600190.4墨西哥60095.8冰岛58057.5新西兰36562.8意大利

327

84.3㊀㊀注:资料来源为日本资源能源厅㊂

1㊀日本地热发电的历史

㊀㊀日本战后面临着恢复经济以及电力供给不足的巨大课题,政府在推动水力和大型火力发电设施建设的同时,也致力于地热实用化调查和技术研究开发㊂1966年日本建设的第一座热蒸气型发电站,在岩手县的松川开始运转,紧接着第二年大分县的蒸汽热水混合型的大岳发电站也开始投入运营㊂也正是由于这两座发电站的成功运行,日本地热开发与利用有了良好的开端㊂特别是20世纪70年代,在以两次石油危机为契机的石油替代能源政策的推动下,地热资源开发也迅速扩大㊂地热发电也是国家的支援对象,逐步形成以东北㊁九州地区为中心,相继建成了很多地热发电站,1996年获得地热设备认可输出量就达到了50MkW㊂但是,随着世界石油价格的稳定,从

1997年开始能源政策发生变化,对于地热发电的政府预算也开始减少,导致长时间不能进行开发,地热发电项目也进入了停滞期㊂

改变这种状态的是2011年东日本大地震,福岛核电厂爆炸导致全国核电厂关停安检引发严重能源危机,地热发电也再次受到关注㊂2012年,各种各样的可再生能源成为政府固定价格收购对象,地热发电也纳入了收购范围㊂通过达到收购制度认可条件后,

就可享受政府规定的电力收购价格,这也极大地促进扩大可再生能源产能的机会;同时,政府相关部门为了促进地热资源开发,放宽了一部分地热资源开发的限制条件㊂也正是在这种对地热发电期待日益高涨的情况下,时隔22年之后于2019年1月,岩手县八幡平市的地热发电站开始运行,其标准发电能力为7499kW㊂

2㊀地热资源发电及其特点

2.1㊀地热发电的种类

㊀㊀地热发电是指通过地质勘探钻井,将火山地热地带深处1500~3000m存在的高温150~300ħ热水或蒸汽,从地热存储层中取出上升到地面,推动蒸汽涡轮发电的方式㊂实际上由于钻井深度㊁地热流体性质㊁温度等因素,需要有不同的发电系统装置来对应㊂现在,日本运转的地热发电系统中,所使用的主要发电方法有如表2所示的4种类型[2]㊂其中,干蒸汽发

电是单纯的气体发电系统,多见于日本早期的地热开发㊂水汽分离法又包括两种,即一次和二次分离的方式进行发电,现在日本地热发电站采用最多的是一次分离发电方式,水汽分离法最后把从生产井取出的能源流体,取尽能源之后再将冷却后的水注入还原井,以促进地下水循环再利用㊂而低温双循环发电是用于温度低于150ħ的能源流体,通过热交换器加热沸点低的媒介物质,使之沸腾的蒸汽推动汽轮机发电,这种方式也逐步应用于普通温泉发电方式,既能发电也不影响温泉旅游的经济性㊂所以,双循环地热发电是日本政府相关部门认定的新能源㊂

表2㊀日本地热发电方式

发电方式特点

干蒸汽发电在地热产生的水蒸气几乎不含热水的情况下使用,进行简单的除湿处理后,以蒸汽推动涡轮的方式发电单纯水汽分离在地热发电的循环中,通过汽水分离机将热水和蒸汽分离一次的方式,这是日本最普遍的一种地热发电站

复式蒸汽分离将汽水分离器分离出的热水用减压器进一步取出蒸汽,利用高压蒸汽和低压蒸汽旋转涡轮的方法,这种采用高温高压的地热流体,比单纯分离的发电输出增加10%~25%

低温双循环发电地热流体在150ħ以下分离出来的蒸汽不能直接转动涡轮,利用热交换器加热㊁蒸发比水沸点低的氨气等介质,用其蒸汽转动涡轮发电的方式,这种发电方法扩大了地热发电的可能性,中小规模发电站年年增加

㊀㊀注:资料来源为日本地热开发协会等㊂

2.2㊀地热发电的特点

㊀㊀地热发电作为可再生能源,在其发电站建成之后,可以不分昼夜24小时稳定发电,能有效利用纯国产地热能源,不需要消耗地下的化石燃料,可以认为是半永久性稳定利用的可再生清洁能源[3]㊂现在,相对于世界各国主要能源的石油和煤炭等化石燃料,地热㊁生物质㊁风力㊁太阳光㊁水力等都是可以持续利用的 可再生能源 ㊂虽然这些再生能源在大功率化方面仍存在可研究课题,但发电和热利用时几乎不排出导致地球变暖的CO2㊂由于地热能源不依赖外国进口,从而也提高了日本国内能源的自给率㊂

另外,现在推进的可再生能源中,风力发电和太阳光发电等自然能源的发电方式,有效发电的时间段有可能被限制,如因天气㊁季节㊁昼夜等因素而导致发电量大幅度变动㊂统计资料表明,太阳光设备利用率约为12%,风力也约为20%㊂与之相比,地热发电具有每年定量发电的稳定性,设备利用率也高达70%,被日本政府定位为基本电源系列㊂

3㊀日本国内地热开发的困境与对策

3.1㊀地热资源开发周期长风险大

㊀㊀有关地热发电的开发建设,多由石油和矿山等资源开发的企业运作,地热发电是带有 地下风险 的投资㊂也就是说,需要在前期调查的基础上试探挖掘,正确地把握资源量和地下状况㊂总之,地热发电是技术链融合的风险企业,克服挖掘失败和回收初期投资是根本原则,不习惯这类风险投资的企业是很难涉足地热发电行业的㊂另外,地热发电从地表调查㊁挖掘调查开始到发电设备设置为止,要进行