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中国地热资源潜力评价

来源：知库网

2017年7月

第38卷第4期: 449-459

www.cagsbulletin.com

地球学报 Acta Geoscientica Sinica

Jul. 2017

Vol.38No.4: 449-459

中国地热资源潜力评价

王贵玲, 张薇, 梁继运, 蔺文静, 刘志明, 王婉丽

中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061

摘要: 中国地热资源分布广泛, 资源种类繁多, 分布具有明显的规律性和地带性。针对中国不同类型的地热资源, 采用不同的评价方法分别对浅层地热能、水热型地热资源和干热岩资源进行了潜力评估, 并对地热资源的开发利用现状及地热资源开发利用的经济环境效益进行了分析。我国地热资源量相对较为丰富, 出露温泉2 334处, 地热开采井5 818眼。水热型地热资源量折合标准煤12 500亿吨, 每年可开采量折合标准煤18.65亿吨; 336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨; 干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。目前我国地热资源每年利用量折合标准煤0.21亿吨, 其中水热型地热资源开采率仅为0.2%, 浅层地热能开采率仅为2.3%, 地热资源开发利用潜力巨大。在现有技术条件下科学开发利用地热资源, 每年可节煤10亿吨, 其中336个地级以上城市浅层地热能资源高效利用每年可节煤2.5亿吨; 地下热水资源高效利用每年可节煤7.5亿吨, 地热资源节能减排效果显著, 能有效缓解雾霾。关键词: 浅层地热能; 水热型地热资源; 干热岩; 地热资源评价

中图分类号: P314; P964 文献标志码: A doi: 10.3975/cagsb.2017.04.02

Evaluation of Geothermal Resources Potential in China

WANG Gui-ling, ZHANG Wei, LIANG Ji-yun, LIN Wen-jing, LIU Zhi-ming, WANG Wan-li

Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061

Abstract: China’s geothermal resources are widely distributed and characterized by multiple types. They are distributed with obvious patterns and along certain geographies. Based on China’s geothermal resources of different types, this paper assesses the potential of shallow geothermal resources, geothermal resources of hydrothermal type and geothermal resource of hot dry rocks type and analyzes their exploitation and utilization status as well as the economic and environmental benefit of geothermal resources. China’s geothermal resources are relatively abundant with 2 334 hot springs and 5 818 geothermal exploitation wells. Geothermal resources of hydrothermal type are equivalent to 1.25 trillion tons standard coal. Annual exploitable amount is equivalent to 1.865 billion tons standard coal. The annual exploitable shallow geothermal resources of 336 cities above prefecture-levels are equivalent to 700 million tons of standard coal. The amount of hot dry rocks of prospective areas is equivalent to 856 trillion tons of standard coal. Currently, China’s annual utilization of geothermal resources is equivalent to 21 million tons, of which only 0.2% geothermal resources of hydrothermal type and only 2.3% of shallow geothermal resources have been exploited. Therefore, geothermal resources have a tremendous exploitation and utilization potential. Thanks to the existing technology, scientific exploitation and utilization of geothermal resources can save 1 billion tons of coal annually. The efficient utilization of shallow geothermal resources in 336 cities above prefecture-levels can save 250 million tons of coal annually. The efficient utilization of underground geothermal resources can save 750 million tons of coal annually. Geothermal resources can efficiently cut emissions and save energy. They can also effectively reduce dust haze.

Key words: shallow geothermal resources; geothermal resources of hydrothermal type; hot dry rocks; geothermal resources evaluation

本文由国家自然科学基金青年基金项目(编号: 41302189)和中国地质调查局国土资源大调查项目(编号: 12120113078100; 1212011120064)联合资助。

收稿日期: 2016-08-23; 改回日期: 2016-12-21。责任编辑: 张改侠。第一作者简介: 王贵玲, 男, 1964年生。研究员, 博士生导师。主要从事水文地质、地热地质及环境地质相关研究。E-mail: guilingw@163.com。

地球学报第三十八卷

随着经济社会的发展, 以气候变化为核心的全球环境变化, 正在广泛而深刻地影响着人类社会的方方面面。气候变化所导致的气温增高、海平面上升、极端天气与气候频发等, 对自然生态系统和人来生存环境产生了严重影响。石油、煤炭和天然气等化石燃料燃烧是温室气体产生的主要来源。扩大能源来源、改善目前我国严重依赖煤炭和石油的能源结构, 是减少温室气体排放量、解决全球气候变化问题的根本途径。而作为新型能源之一的地热资源的开发利用, 越来越受到人们关注。它以低成本、可持续利用和环保而具有其他能源不可比拟的独特优点。大力推进地热资源开发利用, 改善能源结构, 对于解决日趋严重的全球环境问题具有重要的意义。“十二五”期间, 国土资源部中国地质调查局组织全国60多家单位3 000多名技术人员, 投入中央财政资金4.16亿元, 完成了336个地级以上城市浅层地温能调查, 31个省(区、市)地下热水资源调查, 启动了干热岩资源调查, 基本查明了我国地热资源赋存条件、分布特征与开发利用现状, 评价了全国地热资源量, 本文为“十二五”期间地热资源调查评价工作成果的总结, 为地热资源的可持续科学开发利用提供了技术支撑。

热资源开发潜力最大的地区。其中, 沉积盆地型地热资源主要分布于我国的东部地区、琼雷盆地、松辽盆地和环鄂尔多斯断陷盆地等地区, 均为中低温地热资源。隆起山地型地热资源主要分布于我国的东南沿海、台湾、藏南、川西、滇西和胶辽半岛等地区(陈墨香等, 1994; 陈墨香和汪集旸, 1994)。

浅层地热能资源的分布遍及全球, 世界大陆的浅部地下都分布着浅层地热能资源。虽然, 基岩(除灰岩外)的导热系数要比第四系松散岩层的高, 其比热容要比第四系松散岩层的低, 但由于其难以钻进, 回灌也相对困难, 其浅层地热能资源较第四系松散岩层的要难以开发利用。第四系松散岩层是开发浅层地热能资源的理想场所。第四系松散岩层的地层松软, 易于钻进, 有利于竖直地埋管热泵的应用, 又因第四系松散岩层的富水性一般较基岩(除灰岩外)强, 也有利于地下水源热泵的应用。基岩中的灰岩, 由于其岩溶裂隙发育, 富含岩溶水, 水量大, 虽然钻进困难, 但由于地下水源热泵所需的井孔数量较少, 易于回灌, 因此也可作为地下水源热泵的应用场所。

干热岩的分布几乎遍及全球, 世界各大陆地下都有干热岩资源。不过, 干热岩开发利用潜力最大的地方, 还是那些新的火山活动区, 或地壳较薄的地区, 这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。我国西部的滇西地区及东部台湾中央山脉两侧, 分别处于印度板块与欧亚板块、欧亚板块与菲律宾板块的边界及其相邻地区, 都是当今世界上构造活动最强烈的地区之一, 具有产生强烈水热活动和孕育温水热系统必要的地质构造条件和热背景。我国西南部的地热活动呈南强北弱、西强东弱; 东部区的地热活动呈东强西弱之势, 明显地反映了这一特点。根据我国区域地质背景, 高热流区均处于板块构造带或构造活动带, 在藏南、滇西、琼北、长白山等地区分布有范围较大的火山岩体, 说明我国具备干热岩地热资源形成的区域构造条件。 1.2 中国地热资源特征

1.2.1 水热型地热资源特征

大地热流与地温梯度和地表温度可以推算出地下一定深度范围的热储层温度条件, 一般来说, 构造活动越强烈或构造-热事件年龄越小的地区, 大地热流值越高; 构造稳定的古老块体大地热流值较低。根据收集及补充测量的全国大地热流值(973个), 中国大地热值分布很不均匀, 总体上藏南地滇西、东部沿海最高, 平均值为90~150 mW/m2, 区、

个别地区高达304 mW/m2; 其次为藏北地区、台湾地区, 平均值为80~90 mW/m2; 中部鄂尔多斯盆

1 地热资源分布规律及特征

地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分, 目前可利用的地热资源主要包括: 天然出露的温泉、通过热泵技术开采利用的浅层地热能、通过人工钻井直接开采利用的地热流体以及干热岩体中的地热资源。

我国地热资源种类繁多, 考虑地质构造特征、热流体传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素, 我国地热资源可分为浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩资源三种类型。 1.1 中国地热资源分布

我国水热型地热能资源分布具有明显的规律性和地带性, 但受构造、岩浆活动、地层岩性、水文地质条件等因素的控制总体分布不均匀(图1)。我国有高温地热资源, 但以中低温地热资源为主。其中, 高温地热资源主要分布在藏南、滇西、川西和台湾地区, 已发现高温地热系统200多处(廖志杰和赵平, 1999); 中低温地热资源主要分布于大型沉积盆地和山地的断裂带上。分布在山地的断裂带上的地热一般规模较小, 分布在盆地特别是大型沉积盆地的地热资源储集条件好、储层多、厚度大、分布广, 热储温度随深度增加, 地热资源储量大, 是地

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地、四川盆地, 南方沿海盆地, 东部的华北南部、松辽盆地北部、苏北、渤海湾盆地以及北部的海尔盆地, 平均值在55~80 mW/m2; 新疆的塔里木盆地、准噶尔盆地、四川盆地北部以及松辽盆地北部与三江盆地等, 其平均值为30~50 mW/m2, 为冷盆(廖志杰, 1985; 胡圣标等, 2001; 多吉, 2003; 龚育龄等, 2003; 王良书等, 2005)。

中国沉积盆地平均地温梯度在1.5~4.0℃/m, 平均值约为3.2℃/m。地温梯度由地核热变和地层介质热导率控制。地温梯度与大地热流相比, 其受该地区的大地构造影响, 同时也与地层岩性及其结构密切相关, 导致地温梯度与大地热流呈现不同规律。沉积盆地地温梯度最高值主要分布在云南腾冲、北部湾盆地、厦门与汕头、华北平原(南部)大部分地区、渤海最南端与天津地区、海拉尔盆地、柴达木盆地西边与松辽盆地, 其值为3.0~4.0℃/m, 大概占全国沉积盆地面积的1/10。大部分沉积盆地梯度分布在2.0~3.0℃/m, 其余低于2.0℃/m, 其主要分布在塔里木盆地、准噶尔盆地部分地区与四川盆地西北地区。

1.2.2 浅层地温场特征

浅层地温场是指浅部地层内温度在地层中的分布和变化情况, 地层的温度与开发利用的方式有直接关系。通过横竖四条剖面可反映我国的浅层地温场分布特征(图2)。

我国由北向南(I-I’剖面)从中温带、暖温带、亚

热带到热带, 从平原区到丘陵山地, 平均气温和恒温带温度逐渐升高, 恒温带顶板埋深与温度变化趋势相反。

由北向南(II-II’剖面)从中温带、暖温带到亚热带, 从高原地区到西南岩溶丘陵地区。总体上从北向南平均气温和恒温带温度逐渐升高, 恒温带顶板埋深基本一致, 稳定在20 m左右。

中温带到由西向东(III-III’剖面)从青藏高寒区、暖温带, 从西北盆地区到黄土高原, 大部分位于华北平原地区。气温多为14℃左右, 恒温带埋深基本位于15~20 m之间。

由西向东(IV-IV’剖面)从青藏高寒区到亚热带, 从高原盆地区到长江三角洲地区, 大部分位于丘陵山地区, 恒温带埋深15 m左右(图3)。

我国恒温带温度与近五年平均气温两者温度变化趋势十分相近(图4), 总体都表现出随纬度的升高而降低, 同一纬度西部大于东部的特点。说明在我国陆区范围内, 恒温带温度受太阳辐射影响最大。气候条件控制了恒温带温度在全国范围内的整体变化趋势。我国陆区恒温带温度平均比当地年平均气温高1.85℃, 二者呈线性正相关关系。在小范围区域内,恒温层温度也受各种因素的影响而表现出不同的区域性特征。断裂的存在一般会使局部地温增大, 地下水的影响则较复杂, 会使地温向水温方向变化。在一定程度上, 基岩浅埋区的地温略大于深埋区。

从总体上来说, 中温带(高寒区)气温低、恒温带

图2 浅层地温场剖面位置图

Fig. 2 Section position of shallow geothermal fields

图3 恒温带特征典型剖面

Fig. 3 Typical section of characteristics of constant temperature zones

据砂厚比计算。隆起山地型地热资源, 山西、内蒙古、山东、江苏、浙江、重庆及贵州勘察程度较高地区均分热储层计算, 其他省份按每个温泉、地热井单点评价地热资源量。热储体积如可由控热断裂构造圈闭, 则由地质构造来圈定, 如热储范围界线模糊, 则考虑地热异常点1 km3范围作为储量计算范围(Muffler and Cataldi, 1978)。水热型地热资源可开采量采用回灌条件下地热流体可开采热量(蔺文静等, 2012, 2013)。中低温地热资源中, 沉积盆地型

图4 我国陆区恒温带温度-年平均气温

相关曲线图

Fig. 4 Correlogram between temperature of constant temperature zone and annual average temperature of

China’s mainland

地热资源按回灌条件下开采100 a, 消耗15%的地热储量, 根据热量平衡计算, 隆起山地型地热资源按泉(井)流量法计算地热流体可开采热量的2倍进行计算。高温地热资源也是按已探明地热流体可开采热量的2倍进行计算。

浅层地热能资源在适宜性分区的基础上分别进行浅层地热能容量和浅层地热能换热功率计算。地源热泵系统总换热功率的计算是在浅层地热资源开发利用适宜性区划的基础上, 综合地埋管地源热泵换热功率计算和地下水地源热泵换热功率计算的成果得出的。其中, 对于地埋管地源热泵系统适宜或较适宜而地下水地源热泵不适宜的区域, 按地埋管地源热泵换热功率计算总换热功率; 对于地埋管地源热泵系统不适宜而地下水地源热泵系统适宜或较适宜的区域, 按照地下水地源热泵换热功率计算总换热功率; 而对于地埋管地源热泵系统和地下水

顶板埋深大、深部温度高, 供暖周期长, 可视地质条件用深孔; 南方地区气温高, 地层上部温度低, 以夏季排热利用为主, 可施浅孔。

2 中国地热资源潜力

2.1 地热资源潜力评价方法

水热型地热资源量采用热储法。沉积盆地型地热资源, 热储面积由4 000 m以浅热储层温度大于25℃、单井出水量大于20 m/h且盖层平均地温梯度大于2.5℃/100 m圈闭的范围, 将各地热田及地热异常区分界线、热储温度等值线和热储厚度等值线计算机数字化, 计算各分区的面积, 热储厚度根

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地源热泵系统均适宜或较适宜的区域, 则按照地埋管地源热泵换热功率的2/3和地下水地源热泵换热功率的1/3进行折算。根据计算的浅层地热能换热功率, 结合当地的土地利用规划以及供暖、制冷削峰负荷, 计算当地的可供暖和制冷面积, 进行浅层地热资源潜力评价。

干热岩资源储量采取体积法进行估算, 根据干热岩开发利用的温度要求及目前的钻探技术, 估算范围定为地下3—10 km范围内。开展干热岩资源量估算的参数包括: 大地热流值, 岩石热导率, 岩石生热率, 放射性元素集中层的厚度, 地表温度, 深部地温等, 若分别计算深部温度形成的沉积贡献及基底贡献, 还需要大陆壳幔热流比例等数据(蔺文静等, 2012, 2013)。 2.2 中国地热资源潜力

中国地热资源丰富, 其中水热型地热资源每年

滇西水热活动密集带, 其高温地热资源发电潜力为712万千瓦, 占全国的84.1%, 热储温度高于150℃的共139处, 其中藏南34处、川西56处、滇西 49处; 东南沿海地区高温地热资源发电潜力为 70万千瓦, 占全国的8.27%, 热储温度高于150℃的共14处。关中盆地、新疆塔什库尔干地区及吉林长白山地区也有高温地热系统分布。充分开发利用高温地热资源, 积极推进西南地区高温地热发电, 因地制宜建立多能互补的发电格局, 符合我国当前能源革命需求, 也是可再生能源重要组成部分。 2.2.2 浅层地热能

全国336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨, 可替代标准煤 11.7亿吨/年, 节煤量4.1亿吨/年。从浅层地热能开发利用方式来看, 地埋管热泵系统适宜区占总评价面积的29%; 较适宜区占53%; 地下水源热泵

可开采量折合标准煤18.65亿吨, 相当于我国系统适宜区占总评价面积的11%, 较适宜区占

2015年煤炭消耗的50%; 336个地级以上城市浅层地27%。比较适合应用地下水地源热泵系统的地区主热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨, 相当于我国2015年煤炭消耗的19%; 干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨, 潜力巨大, 属国家战略能源。 2.2.1 水热型地热资源

要分布在我国的东部平原盆地及富水性较好的地区。不适宜建立地下水地源热泵系统的地区主要位于我国西部的缺水区域以及部分炎热、寒冷的区域。地埋管地源热泵系统在具有较好的适宜性, 不

我国水热型地热资源非常丰富, 出露温泉适宜区主要是从地埋管的施工难度和建设成本上2 334处, 地热开采井5 818眼。水热型地热资源量考虑。综合考虑, 浅层地热能开发利用的影响因素, 折合标准煤12 500亿吨, 每年地热资源可采量折合标准煤18.65亿吨, 有高温地热资源(≥150℃), 但以中温地热资源(90~150℃)和低温地热资源(<90℃)为主。其中, 水热型中低温地热资源量折合标准煤12 300亿吨, 每年地热资源可采量折合标准煤 18.5亿吨, 发电潜力150万千瓦; 水热型高温地热资源量折合标准煤141亿吨, 每年地热资源可采量折合标准煤0.18亿吨, 发电潜力为846万千瓦。

水热型中低温地热资源主要分布于华北平原、河淮平原、苏北平原、松辽盆地、下辽河平原、汾渭盆地等15个大中型沉积盆地和山地的断裂带上, 分布在山地的断裂带上的地热一般规模较小, 分布在盆地特别是大型沉积盆地的地热资源储集条件好、储层多、厚度大、分布广, 热储温度随深度增加, 地热资源储量大, 是地热资源开发潜力最大的地区。15个大中型沉积盆地地热资源量折合标准煤10 600亿吨, 每年可开采量折合标准煤17.0亿吨。其中地热资源可开采量最多的为四川盆地, 折合标准煤5.44亿吨(表1)。其次为华北平原, 折合标准煤 4.22亿吨, 与山东省、河北省中低温沉积盆地型地热资源量丰富相一致(中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 2015a, b)。

高温地热资源(表2)主要分布在藏南—川西—

我国适宜开发浅层地热能的地区主要分布在中东部省份, 包括北京、天津、河北、山东、河南、辽宁、上海、湖北、湖南、江苏、浙江、江西、安徽等13个省(市)。

浅层地热能换热功率为在浅层岩土体、地下水中单位时间内的热交换量。我国336个地级以上城市地下水地源热泵系统夏季换热功率为7.49×108 kW, 冬季换热功率为3.68×108 kW; 地埋管地源热泵系统夏季换热功率为2.69×109 kW, 冬季换热功率为1.91×109 kW。地源热泵系统总的换热功率夏季为3.14×109 kW, 冬季为2.10×109 kW。336个地级以上城市浅层地热能资源热容量为 1.11×1017 kJ/℃, 每年可开采量折合标准煤7亿吨(表3)。

目前, 浅层地热能资源主要用于建筑物供暖和制冷, 采用单位面积可利用量的供暖和制冷面积表示浅层地热能资源潜力。336个地级以上城市80%的土地面积适宜利用浅层地热能, 可实现建筑物夏季制冷面积3.26×1010 m2, 冬季供暖面积3.23×1010 m2。其中, 地下水地源热泵系统夏季可制冷面积为5.59×109 m2, 冬季可供暖面积为3.61×109 m2; 地埋管地源热泵系统夏季可制冷面积为3.56×1010 m2, 冬季可供暖面积为3.75×1010 m2(表4)。

Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.表1 主要沉积盆地中低温地热资源评价表 Table 1 Evaluation table of moderate- and low-temperature geothermal resources of main sedimentary basins 地热资源可采量地热流体件下地热流体可开采量/(m3/a) 可开采热量/(kJ/a) 1.24×1016 9.02×10 9.20×10 2.01×10 7.52×1013 3.86×1015 10151415地热资源量地热流体可可开采热量开采量/(m3/a) 地热流体可开采热量/(kJ/a) 5.96×1014 2 030.00 520.00 620.00 166.00 7.88 1 170.00 308.00 2 370.00 127.00 527.00 717.00 18.50 23.30 5.46 437 15地热流体可开采热量折合标准煤/(万吨/年) 6.84×1010 4.05×10 7.15×10 8.45×10 9.35×108 1.95×1010 1.73×10 8.39×10 1.94×109 5.28×109 5.36×109 7.14×10 – – – 9 050.00 2.59×10 118109910考虑回灌条考虑回灌条件下地热流体折合标准煤盆地名称折合标准煤/亿吨2 470.0 1 820.0 230.0 422.0 13.5 749.0 503.0 3 280.0 85.1 225.0 320.0 45.7 163.0 165.0 104.0 106.0 5.29×10 18地热资源可采量/kJ 1.46×1018 498.00 314.00 5.13×10 1.88×10 1.92×10 5.68×1010 3.87×1012 1.84×10 6.68×10 6.76×1011 1.26×1011 1.51×1012 1.17×10 1.78×10 3031×1010 1.74×109 3.87×10 1311111212121212折合标准煤/亿吨1.34×1013 7.74×10 1.98×10 2.17×10 2.84×107 1.75×109 5.66×10 3.43×10 2.03×108 6.29×108 7.45×108 1.76×10 1.78×10 3.31×106 8.80×106 1.44×10 107798898储存量/m 3.99×109 1.52×10 1.82×10 4.86×10 2.31×1012 3.44×1014 9.03×10 6.93×10 3.73×1013 1.54×1014 2.10×1014 5.43×10 6.84×10 1.60×1012 1.28×1014 2.65×10 121214131314143地热资源量/kJ 18454

/(亿吨/年) 4.22 3.08 0.31 0.69 0.03 1.32 华北平原 9.20×10 1.52×10 1.24×10 3.95×1015 1.35 149.00 72.00 493.00 17.00 56.40 79.10 4.57 8.16 8.26 10.40 1 800.00 4.38×1017 2.11×10 1.44×10 4.99×1016 1.65×1017 2.32×1017 1.34×10 2.39×10 2.42×1016 3.04×1016 16161817171717177.23×1018 51.90 42.20 河淮平原 185.33×10 苏北平原 6.75×10 松辽盆地 181.24×10 下辽河平原 183.95×1016 汾渭盆地 182.20×10 鄂尔多斯盆地 1.48×10 2.68×10 1.59×10 3.64×1014 9.59×1014 1.43×1015 2.09×10 – – – 4.98×10 161416150.92 5.44 0.12 0.33 0.49 0.07 – – – 17.00 四川盆地 9.62×10 江汉盆地 172.49×1017 河套盆地 176.61×1017 银川平原 179.37×10 西宁盆地 1.34×10 准噶尔盆地 4.78×10 塔里木盆地 194.83×1017 柴达木盆地 3.04×1017 总计 3.11×10 地球学报

第四期

王贵玲等: 中国地热资源潜力评价

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表2 隆起山地型主要水热活动密集带地热资源评价表

Table 2 Evaluation of geothermal resources in the main hydrothermal activity zones of uplifted mountains

中低温地热资源

主要水热活动密

集带

地热资源量

/kJ 3.16×1017 1.17×10 2.69×10 4.88×1017

1417

高温地热资源

地热流体可开采热量地热流体可开采热量/(kJ/a) 3.61×1013 3.22×10 1.27×10 9.40×1012 7.90×1013

1213

折合标准煤 /亿吨 108.000 0 58.500 0 0.091 8 167.000 0

地热流体可开采量

/(m3/a)

2.26×108 2.04×10 5.37×10 3.78×106 4.73×108

折合标准煤/(亿吨/年) 0.012 300 0.011 000 0.000 434 0.003 210 0.027 000

热储热能/kJ 3.37×1017 3.56×10

30年发电潜力 /万千瓦 712 70

藏南—川西—滇西东南沿海地区胶辽半岛台湾合计

3.72×1017 782

表3 浅层地热能热容量、换热功率计算汇总表(考虑土地利用系数)

Table 3 Summary of the calculation of heat capacity and heat transfer rate of shallow geothermal resources (land-use coefficient)

城市青海西藏黑龙江内蒙古新疆吉林辽宁宁夏甘肃北京天津山西陕西河南山东河北云南贵州江苏四川浙江湖南湖北安徽江西上海重庆福建广西广东海南合计

评价面积/km2

624 514 2 203 2 601 2 201 2 985 9 377 1 587 2 130 6 130 11 250 5 817 2 615 7 785 7 936 2 460 1 083 1 414 26 610 3 960 12 914 17 012 5 606 11 488 2 584 1 980 2 432 3 411 2 942 6 735 499 168885

200 m以浅热容量/(kJ/℃) 3.97×1013 1.85×1014 9.27×1014 1.07×1015 4.13×1016 1.37×1015 4.76×1015 6.96×1014 3.41×1014 1.94×1015 5.59×1015 1.93×1015 1.15×1015 3.95×1015 2.50×1015 8.78×1014 4.90×1014 6.79×1014 1.10×1016 1.80×1015 6.88×1015 7.27×1015 3.04×1015 4.15×1015 9.93×1014 9.94×1014 3.81×1014 5.38×1014 1.49×1015 2.56×1015 2.82×1014 1.11×10

地下水源热泵系统换热功率

/kW

夏季制冷冬季供暖 2.68×106

0 6.56×106 8.99×106 2.54×107 1.23×106 5.48×107 3.73×106 2.86×107 1.47×107 8.03×105 1.44×106 2.51×107 4.21×108 6.86×107 3.02×106 6.91×105 2.23×106 1.22×107 7.33×106 5.00×106 2.17×106 4.65×106 6.15×106 5.41×106

0 0 5.96×105 3.59×107 4.07×105 2.58×104 7.49×10

地埋管热泵系统总换热功率

/kW

夏季制冷冬季供暖 7.65×105

0 1.51×107 2.04×108 2.53×107 6.31×107 8.78×107 2.50×107 4.87×107 7.17×107 1.01×108 7.00×107 6.00×107 8.37×107 1.17×108 6.99×107 1.18×107 5.20×107 2.72×108 4.20×107 9.11×107 1.72×108 8.43×107 2.74×108 2.20×108 6.89×107 2.15×108 1.18×107 9.68×107 3.56×107 2.52×106 2.69×10

地源热泵系统换热功率/kW 夏季制冷 3.45×106

0 1.54×107 1.39×108 3.55×107 5.94×107 1.34×108 2.15×107 4.44×107 8.64×107 1.01×108 5.10×108 5.49×107 8.21×107 1.17×108 5.46×107 1.04×107 4.47×107 2.21×108 4.17×107 8.36×107 1.55×108 8.27×107 2.69×108 1.43×108 6.89×107 2.15×108 1.03×107 7.60×1072.57×108 2.47×1063.14×10

冬季供暖 1.40×106 1.19×106 5.66×106 5.76×107 2.03×107 2.24×107 7.90×107 6.91×106 1.73×107 4.33×107 6.70×107 3.24×107 3.21×107 6.80×107 8.63×107 3.43×107 1.02×107 2.93×107 1.66×108 3.70×107 5.80×107 1.12×108 6.76×107 1.46×108 1.15×108 6.99×107 2.33×108 1.06×107

04.73×108

02.10×109

7.23×105 1.05×106 2.07×106 4.49×106 1.44×107 5.31×105 3.32×107 1.87×106 1.43×107 7.35×106 4.02×105 9.15×105 1.26×107 2.13×108 3.43×107 1.58×106 3.45×105 1.11×106 6.44×106 3.68×106 2.50×106 1.08×106 2.33×106 3.08×106 2.70×106

0 0 1.12×106

0 9.65×105

0 3.68×10

6.73×105 2.70×105 5.86×106 8.39×107 1.45×107 2.35×107 5.00×107 5.81×106 1.90×107 3.59×107 6.70×107 3.34×107 3.96×107 7.01×107 9.35×107 4.35×107 1.18×107 3.42×107 2.15×108 3.85×107 6.32×107 1.16×108 7.02×107 1.49×108 2.38×108 6.99×107 2.33×108 1.21×107

0 6.89×107

0 1.91×10

2.2.3 干热岩资源

我国干热岩资源潜力巨大, 开发前景广阔, 高于美国干热岩资源的估算结果(570万亿吨标准煤)。经初步测算, 地下3—10 km范围内干热岩资源折合标准煤860万亿吨(表5), 利用其中2%, 即相当

于全国能源总消耗量的4 040倍。尤其是位于 3.5—7.5 km深度的干热岩资源温度介于150~250℃之间, 资源量巨大, 折合标准煤215万亿吨。干热岩资源是最具有潜力的战略接替能源, 但是开发难度较大。

地球学报

第三十八卷

表4 浅层地热能潜力评价结果计算汇总表

Table 4 Summary of the calculation of potentials evaluation results of shallow geothermal resources

地下水源热泵供暖和制冷面积/m2 夏季制冷 4.58×107

1.15×108 1.38×108 4.18×108 1.54×107 6.36×108 5.40×107 8.89×108 2.72×108 1.01×107 3.16×107 2.69×108 1.12×109 9.79×108 3.47×107 1.30×107 3.17×107 9.29×107 9.16×107 5.00×107 3.17×107 5.83×107 8.77×107 3.15×107

0 0 7.45×106 5.74×107 5.81×10 2.86×105 5.59×109

地埋管热泵供暖和制冷面积/m2 夏季制冷 1.65×107

2.52×108 3.13×109 3.89×108 7.89×108 1.02×109 4.08×108 7.84×108 1.33×109 1.26×109 1.20×109 6.80×108 2.88×109 1.67×109 8.11×108 2.26×108 7.43×108 2.85×109 5.22×108 9.11×108 2.51×109 1.05×109 3.79×109 2.75×109 4.64×108 2.15×109 1.47×108 2.83×108 5.08×10 2.82×107 3.56×1010

地源热泵供暖和制冷面积/m2 夏季制冷 6.23×107

2.56×108 2.15×109 5.75×108 7.43×108 1.55×109 3.12×108 7.13×108 1.60×109 1.26×109 1.13×109 6.65×108 1.12×109 2.58×109 6.35×108 1.53×108 6.39×108 2.31×109 5.17×108 8.36×108 2.28×109 1.03×109 3.72×109 2.44×109 4.64×108 2.15×109 1.28×108 3.35×108 1.98×10 2.75×107 3.26×1010

冬季供暖 9.20×106 1.76×107 2.59×107 9.99×107 2.34×108 8.84×106 5.23×108 3.63×107 3.94×108 1.63×108 8.04×106 1.76×107 1.87×108 8.46×108 6.23×108 2.60×107 7.70×106 2.22×107 6.64×107 5.53×107 3.57×107 3.12×107 3.99×107 6.14×107 2.10×107

0 0 2.24×107

0 2.41×10

0 3.61×109

冬季供暖 9.64×106 4.50×106 7.32×107 1.87×109 2.23×108 3.17×108 7.88×108 1.89×108 2.76×108 7.96×108 1.34×109 6.50×108 6.11×108 3.51×109 1.70×109 7.58×108 2.35×108 6.84×108 2.97×109 6.42×108 1.03×109 3.34×109 1.20×109 3.02×109 3.97×109 1.45×109 3.89×109 2.43×108

0 1.72×10

0 3.75×1010

冬季供暖 1.88×107 2.00×107 9.01×107 1.28×109 3.30×108 2.85×108 1.25×109 1.47×108 2.48×108 9.59×108 1.34×109 5.28×108 5.41×108 1.30×109 2.29×109 5.99×108 1.80×108 5.86×108 2.59×109 6.16×108 8.29×108 3.27×109 1.16×109 2.97×109 2.56×109 1.45×109 3.89×109 2.11×108

0 7.36×108

0 3.23×1010

表5 我国陆区3—10 km深处干热岩资源

Table 5 Dry hot rock resources at the depth of 3–10 km in China’s mainland

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

计算层位深度/km

3.0—4.0 4.0—5.0 5.0—6.0 6.0—7.0 7.0—8.0 8.0—9.0 9.0—10.0 3.0—10.0

干热岩资源量

资源量/J 1.9×1024 2.5×1024 3×1024 3.6×10 4.2×10 4.7×1024 5.3×1024 2.52×1025

2424

干热岩可开采量(按2%可提取) 资源量/J 3.8×1022 5×1022 6×1022 7.2×10 8.4×10 9.4×1022 1.06×1023 5.04×1023

2222

折合标准煤/万亿吨

64.8 85.3 102.0 123.0 143.0 160.0 181.0 860.0

折合标准煤/万亿吨

1.30 1.71 2.05 2.46 2.87 3.21 3.62 17.20

3 中国地热资源开发利用

据史料记载, 我国开发利用地热与温泉已有 5 000多年的悠久历史, 是世界上利用地热资源较早的国家之一。解放后, 国家重视人民的医疗保健

事业, 从20世纪50年代起, 先后建立温泉疗养院 160多家, 20世纪70年代后, 地热资源的开发利用进入快速发展阶段, 尤其是20世纪90年代以来, 在市场经济需求的推动下, 地热资源的开发利用得到更加蓬勃的发展。

王贵玲等: 中国地热资源潜力评价

457

地热资源主要用途包括发电和直接利用。其中150℃以上的高温地热主要用于发电, 发电后排出的热水可进行梯级利用(Duchane, 1996; Lund and Boyd, 2016)。90~150℃的中温和25~90℃的低温地热以直接利用为主, 多用于工业、种植、养殖、供暖制冷、旅游疗养等方面。25℃以下的浅层地温, 可利用地源和水源热泵供暖、制冷。目前全国地热资源开发利用的基本格局是: 西南、华南发电; 华北、东北供暖与养殖, 华东、华中、西北地区洗浴与疗养(王贵玲等, 2000)。

目前我国地热资源每年利用量折合标准煤 0.21亿吨, 其中水热型地热资源利用量折合标准煤415万吨, 开采率为0.2%, 浅层地热能利用量折合标准煤1 600万吨, 开采率为2.3%, 地热资源开发利用潜力巨大。水热型地热资源利用方式中, 地热发电占0.5%, 供热采暖占32.70%, 医疗洗浴与娱乐健身占32.32%, 养殖占2.55%, 种植占17.93%, 工业利用占0.44%, 其他占13.56%(图5)。浅层地热能资源开发利用方式主要为供暖制冷。 3.1 地热发电

我国适于发电的地热资源主要分布在西南和东南沿海地区, 总发电潜力996万千瓦。高温地热资源发电潜力为846万千瓦, 中低温地热资源发电潜力为150万千瓦。目前, 每年发电量可达800亿度, 相当于我国2015年电力消耗的1.5%。20世纪70年代以来, 我国先后在西藏羊八井、朗久、那曲建设商业性地热发电站, 总装机容量28.18 MW。其中羊八井地热热电站装机容量25.18 MW, 利用每年1.095×107 m3流量、温度130~170℃的水汽, 其2005年、2006年、2007年和2008年的发电量分别为1.154、1.261、1.158和1.436亿kWh, 屡创历史

1970年广东丰顺建成第一座地热试验电站, 机组功率0.01万kW, 随后在河北后郝窑、广东邓屋、湖南灰汤、江西遂川、广西象州、山东招远等地建立了地热试验电站, 单机容量50~300 kW, 总装机容量1.55 MW。而70年代后期, 我国的中低温地热发电厂中有5个陆续关停, 虽然技术上并未出现较大障碍, 但经济效益不佳是导致关停的主要原因; 邓屋电厂和灰汤电厂直到2008年, 才因机组老化而停止运行。现仅剩广东丰顺300 kW的一个地热试验电站仍在运行。 3.2 地热直接利用

我国是一个以中低温地热资源为主的国家, 近10年来地热直接利用均以每年10%速率增长, 目前以直接利用设备装机容量的产量居世界之首, 多用于供暖制冷、工业、种植养殖、旅游疗养等方面。

建筑物供暖是地热资源利用的主要方式。目前, 利用水热型地热资源供暖面积8 875万m2, 利用浅层地热能供暖面积4.3亿m2。浅层地热能资源主要用于供暖制冷。我国浅层地热能资源开发利用起步较晚, 热泵技术的研究始于20世纪80年代。90年代中期在北京、宁波等地实施了第一批地源热泵工程应用项目。进入21世纪后, 地源热泵技术形成了产、学、研结合利用浅层地温的研究方法。2000年, 我国地源热泵的工程应用面积达10万m2, 2004年应用面积达767万m2, 至2009年沈阳市供暖面积达5 462万m2, 北京2 100万m2, 全国总利用面积1.007亿m2, 相当于热功率5 210 MWt, 中国在世界43个应用国家中跃居第二。2015年底, 全国地源热泵总利用面积达4.3亿m2, 其利用浅层地热能的装机容量已超过12.85 GWt, 2010年以来的平均年累

最高记录, 羊八井电厂到2014年累计发电量进增长率约28%, 远高于世界增长速度。我国地源31.1亿kWh, 并为拉萨市提供大量电力资源, 热泵所利用的浅层地热资源量已超过常规地热, 成曾占拉萨电网全年供电量的40%, 冬季超过60%。

为地热直接利用的最大部分(58%), 在我国“十二五”和四部委《指导意见》所指定的5亿m2地热供暖面积中, 地源热泵的贡献将超过80%。

利用地热进行旅游疗养几乎遍及全国各省(区、市)。在已经开发利用的地热田中, 全部或部分用于洗浴的估计占热田总数的60%以上。全国现有公共温泉浴池和温泉游泳池1 600处。利用地热进行水产养殖, 北京、天津、福建、广东等地起步较早, 现已遍及20多个省(区、市)的47个地热田, 建有养殖

图5 水热型地热开发利用方式

Fig. 5 Exploitation and utilization methods of

geothermal resources of hydrothermal type

场约300处, 鱼池面积550万m2。将地热能用于水产养殖的方式在西北地区最多, 占33%, 华南占26%, 华东占19%, 华中占17%, 西南占3%, 华北占2%。

地球学报第三十八卷

4 地热资源开发利用的经济环境效益分析

地热资源是清洁稳定安全高效的能源, 节能效果明显。在现有技术条件下, 每年可节煤10亿吨, 其中336个地级以上城市浅层地热能资源高效利用每年可节煤2.5亿吨; 地下热水资源高效利用每年可节煤7.5亿吨。地热资源减排效果显著, 可在减少温室气体排放中发挥重要作用。每年可减少CO2排放24亿吨, 其中浅层地热能利用每年可减少CO2排放6亿吨, 地下热水资源利用每年可减少CO2排放18亿吨, 约占2014年我国CO2排放总量的30%。目前, 我国每年已开发地热资源量折合标准煤0.21亿吨, 每年减少二氧化碳排放0.5亿吨。如河北雄县利用地热供暖满足了县城90%以上的供热需求, 年替代标准煤9万吨, 减排CO2 22.5万吨, 创建了地热利用的“雄县模式”。

开发利用潜力巨大。

(4)地热资源是清洁稳定安全高效的能源, 节能效果明显。在现有技术条件下, 每年可节煤10亿吨, 其中336个地级以上城市浅层地热能资源高效利用每年可节煤2.5亿吨; 地下热水资源高效利用每年可节煤7.5亿吨。地热资源减排效果显著, 可在减少温室气体排放中发挥重要作用。

致谢: 感谢全国地热资源调查评价计划项目各省相关地勘单位及科研院所数据资料方面提供的帮助, 并感谢中国地质科学院水文地质环境地质研究所陆川研究员、王婉丽助理研究员、朱喜助理研究员及其他同事在文章润色及图件方面的帮助。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41302189), and China Geological Survey (Nos. 12120113078100 and 1212011120064).

5 结论

(1)我国地热资源分布广泛, 资源种类繁多, 分布具有明显的规律性和地带性, 但受构造、岩浆活动、地层岩性、水文地质条件等因素的控制总体分布不均匀。我国有高温地热资源(≥150℃), 但以中温地热资源(90~150℃)和低温地热资源(<90℃)为主。其中, 高温地热资源主要分布在藏南、滇西、川西和台湾地区; 中低温地热资源主要分布于大型沉积盆地和山地的断裂带上, 分布在山地的断裂带上的地热一般规模较小, 分布在盆地特别是大型沉积盆地的地热资源储集条件好、储层多、厚度大、分布广, 热储温度随深度增加, 地热资源储量大, 是地热资源开发潜力最大的地区。

(2)我国地热资源量相对较为丰富, 出露温泉 2 334处, 地热开采井5 818眼。水热型地热资源量折合标准煤12 500亿吨, 每年可开采量折合标准煤18.65亿吨, 相当于我国2015年煤炭消耗的50%, 西南地区高温地热资源发电潜力为712万千瓦, 占全国高温地热资源发电潜力的84.1%, 充分利用高温地热资源优势, 推进西南地区高温地热发电; 336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨, 相当于我国2015年煤炭消耗的19%; 干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨, 潜力巨大, 开发前景广阔。

(3)我国开发利用地热与温泉已有5 000多年的悠久历史, 是世界上利用地热资源较早的国家之一。目前我国地热资源每年利用量折合标准煤 0.21亿吨, 其中水热型地热资源利用量折合标准煤415万吨, 开采率仅为0.2%, 浅层地热能利用量折合标准煤1 600万吨, 开采率仅为2.3%, 地热资源

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