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中国未来能量三巨星——干热岩、页岩气、可燃冰

河南省武陟县第一中学 454950 张思中
  传统的三大化石能源煤、石油、天然气,一方面面临资源枯竭,另一面日益严峻的环境问题,都迫使人们开发新能源。中国的经济改革已经进入深水区,无论从资金还是技术都为新能的开发利用提供保证。干热岩、页岩气、可燃冰将成为中国未来能源三巨星。
一、干热岩
  干热岩有时被称为“热干岩”,其英文名称为“Hot Dry Rock”,是一种没有水或蒸汽的热岩体,主要是各种变质岩或结晶岩类岩体,埋藏于距地表 2 km~6 km 的深处,其温度范围很广,在 150℃~350℃之间。干热岩的热能赋存于岩石中,较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。一般干热岩上覆盖有沉积岩等隔热层,是一种地热资源。
1. 干热岩的用途
  干热岩可用于发电。目前,人们对干热岩的开发利用,主要是发电。利用干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响,且不受季节、气候制约。而且将来利用干热岩发电的成本仅为风力发电的一半,只有太阳能发电的十分之一。干热岩发电的基本原理是:通过深井将高压水注入地下 2000 m~6000 m 的岩层,使其渗透进入岩层人工压裂造出的缝隙并吸收地热能量;再通过另一个专用深井(相距约 200 m~600 m 左右)将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面;取出的水、汽温度可达 150℃ ~200℃,通过热交换及地面循环装置用于发电;冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。因为干热岩发电既不像火电那样,向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物;而且也不像水电那样,因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害。因此,干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。目前,已有部分国家建设了试验性干热岩发电厂,但规模普遍较小,因此尚未形成商业规模。
干热岩用于供暖。干热岩因其得天独厚的较高温度,一旦成功开采出来,将是冬季供暖的良好热源。但因其造价较高,对于面积较小的建筑供暖,高昂的成本是一般人难以承受的。因此,用干热岩技术来进行集中供暖是比较合适的选择。如我国陕西四季春清洁热源股份有限公司的干热岩供热技术,目前已成功在陕西省内进行了商业应用。据其施工安装的干热岩供热示范项目———长安信息大厦 2013 年供暖季的运行数据表明,干热岩供热这一技术在该项目的住宅及商业供热面积共计 3.8 万平方米中的供热效果良好。
2.我国干热岩的分布及开发利用进程
  我国地热资源丰富,经科学测算,中国大陆3 km~10 km 深 处 干 热 岩 资 源 总 计 为 2. 09 ×10 17 EJ,合 7.149×10 14 t 标准煤,若按 2%可开采资源量计算,相当于中国大陆 2010 年能源消耗总量的 4400 倍。从区域分布上看,青藏高原南部占中国大陆地区干热岩总资源量的 20.5%,温度也最高;其次是华北(含鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑)和东南沿海中生代岩浆活动区(浙江、福建、广东),分别占总资源量的 8.6%和 8.2%;东北(松辽盆地)占 5.2%;云南西部干热岩温度较高,但面积有限,占总资源量的 3.8%。根据初步测算,地壳中 3 km~ 10 km 深处干热岩所蕴含的能量极其可观,相当于全球石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的数十倍。央视新闻 2017 年 9 月 6 日报道:日前我国科学家在青海共和盆地 3705 m 深处钻获 236℃的高温干热岩体。这是我国首次钻获温度最高的干热岩体,实现了我国干热岩勘查的重大突破。专家认为,地热资源已成为新能源中的佼佼者,而干热岩又是其中最具应用价值和利用潜力的清洁能源。
二、页岩气
  页岩气(shale gas)是赋存于富有机质泥页岩及其层中,以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气,成分以甲烷为主,与“煤层气”、“致密气”同属一类。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气很早就已经被人们所认知,但采集比传统天然气困难,随着资源能源日益匮乏,作为传统天然气的有益补充,人们逐渐意识到页岩气的重要性。《凤凰资讯》2017年 9 月 15 日报道中国页岩气取得,勘探突破:我国页岩气资源量位居世界前列,技术突破:在摔碎的“瓷盘”里“闻味识气”,产业突破:“千帆竞发”撬动“沉睡”的巨量资源。中国的页岩气储量超过其它任何一个国家,可采储量有 36 万亿立方米。按当前的消耗水平,这些储量足够中国使用300 多年。2017 年 9 月,国土资源部宣布,中国成为与美国、加拿大鼎足而立的页岩气生产大国!这是一次具有战略意义的重大能源变革———从2010 年前后实现“零”的突破,到目前全国年产能超过 100 亿立方米、累计产气超过 100 亿立方米,中国迈入“全球三甲”。
三、可燃冰
  国土资源部中国地质调查局今天(5 月 18日)宣布,我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功,这也标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。可燃冰,是天然气和水在高压低温的条件下形成的类冰状的结晶化合物。从外形上看上去,可燃冰就像是白色或浅灰色的冰雪晶体。这时候如果有火源,它就可以像固体酒精一样被点燃,所以被称为“可燃冰”。天然气水合物储量巨大,仅我国海域预测远景资源量就达到 800 亿吨油当量,世界资源量约为 2100 万亿立方,可供人类使用 1000 年。据估算,在世界可燃冰总资源量大约相当于全球已知煤、石油和天然气总资源量的两倍。由于含有大量甲烷等可燃气体,可燃冰极易燃烧。如果将同等体积的固体酒精和可燃冰同时点燃,可燃冰的燃烧时间远远长于同体积的固体酒精。事实上,1 m 3 可燃冰可以分解释放出 160 m 3 以上的天然气。同等条件下,可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍,而且燃烧后不产生任何残渣和废气,避免了最让人们头疼的污染问题。科学家们如获至宝,把可燃冰称作“属于未来的能源”。与现有能源相比,可燃冰的最大特点就是能量密度高。它占用体积小,却蕴含大量的能量。例如,一辆使用天然气为燃料的汽车,一次加 100 L 天然气能跑300 km的话,那么加入相同体积的可燃冰,这辆车就能跑50000 km。全球海底可燃冰的甲烷总量大约是地球大气中甲烷总量的 3000 倍,如果开采不慎导致甲烷气体的大量泄漏,将可能引发强烈的温室效应。如何安全、经济地开采可燃冰,并且从中分离出甲烷气体,依然是目前各国研究和利用可燃冰的核心难题。
  目前在 能 源 结 构 中 石 油 占 19%,煤 炭 占70%,天然气占 5%,其他占 6%。如果干热岩,页岩气、可燃冰得到开发利用,不仅能尽快改变的能源结构,而且更有利于环境保护,并拉动相关经济增长。

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