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行業資訊

慕尼黑地熱發展條件對比雄安新區發展現狀

慕尼黑地熱產業發展現狀

慕尼黑地區的中深層地熱能開發起步于上世紀90年代,早期以淺層溫泉洗浴為主。在政府可再生能源激勵計劃政策的激勵下,2008年進入爆發式增長階段。慕尼黑市政公用事業公司(SWM, Stadtwerke München GmbH)是德國最大的市政能源供應商,2012年該公司制定了積極的地熱發展計劃。在過去的十幾年里,盡管存在區域和全球經濟不確定性影響,慕尼黑地熱產業一直保持了較強的發展勢頭。該區中深層地熱資源開發深度從幾百米到大于5000米,利用溫度從20℃到160℃,利用方式從也從早期的洗浴轉變到供暖發電等規模開發利用為主(圖1)。目前,慕尼黑地區共運行66個地熱項目,其中有21個供暖項目,地熱能目前為大約一半的市政區域供熱網絡供熱地熱供能約200MWth,并計劃在2035年翻一番到達400MWth。慕尼黑地區地熱田屬于中低溫地熱田供暖項目規劃服務期50年,投資回報期在15年左右,因此,地熱供熱項目不需要依賴于政府補貼現有6家地熱發電廠運營,裝機容量30MW,并計劃新建的地熱廠可能多達12個。2019年11月霍爾茨基興熱電聯產地熱發電廠正式落成,提供3.4MW的清潔電力和24MW的熱力供應。地熱發電項目初期經濟性則依賴于德國政府的固定上網電價和補貼政策

 

慕尼黑地熱產業快速發展因素分析

慕尼黑地熱產業的快速發展得益于該區豐富的地熱資源基礎和政府積極的能源轉型戰略規劃。適度的財政刺激政策帶動了企業開發地熱資源的積極性,推動了地熱能勘探開發技術的快速發展。這一過程中,在政府積極宣傳和引導下,民眾對地熱資源的認可度越來越高。


豐富的地熱資源基礎

阿爾卑斯北側的磨拉石盆地是典型的前陸盆地,是德國三大地熱構造區之一。該盆地的形成與阿爾卑斯山的演化密切相關,磨拉石沉積以阿爾卑斯山碎屑巖為主。盆地從西南部的瑞士到東部的奧地利,綿延300多公里,主要由第三紀磨拉石沉積、白堊紀、上侏羅統(Malm馬爾姆)至中侏羅統(Dogger多格)和三疊紀沉積物充填構成。北側地層埋深淺,向南呈楔狀埋深逐漸加深。慕尼黑占據了前陸盆地的最有利的熱儲發育位置。上侏羅統Malm巖溶裂縫儲層是該區最具潛力的地熱含水層,具有分布面積廣、構造單一、厚度適中的特征。熱儲產水量大、礦化度低、水質腐蝕性小的特征使Malm熱儲成為該區地熱能開發利用的主要目標。其次,白堊紀砂巖也可用于地熱能的利用,古近紀熱儲層由于埋藏淺溫度低則主要用于溫泉洗浴


慕尼黑地熱發展條件對比雄安新區發展現狀-地熱開發利用-地大熱能

慕尼黑-雄安地熱井深度-溫度圖


Malm熱儲巖性以塊狀或厚層狀分布的石灰巖和白云巖組成,熱儲厚度普遍超過600m。孔隙以溶洞和溶縫為主,近平行于阿爾卑斯山分布的多條正斷層形成良好的運移通道。熱儲溫度隨埋深增加而增高,從北部的40℃增加到盆地南部深處的160℃以上。因此,溫泉洗浴及區域供熱廠一般分布在盆地北部,熱電聯產廠則分布于地熱溫度更高的南部地區。

 

積極的政策扶持

慕尼黑地熱產業的快速發展產生于德國能源結構轉型的宏觀背景下。德國國內整體上能源緊缺,同時作為歐盟主要成員也是應對氣候變化領域的積極倡導者,主客觀兩方面的因素促成了德國成為較早重視可再生能源利用的國家之一。2000年,德國《可再生能源法》出臺后,每隔2—4年就會根據應用情況針對性的進行一次調整,這種頻繁的修訂成為德國可再生能源立法的一個顯著特點。該法規定政府通過項目融資、市場激勵、信貸優惠以及提供地熱發電上網電價等多種方式支持地熱能源開發


2004年,聯邦政府資助開展了大量地熱資源勘查工作,并發布了慕尼黑地區地熱資源潛力評價報告,闡明了該區地熱能開發的巨大潛力。2012年慕尼黑市政公用事業公司制定了積極的地熱發展計劃,提出到2025年實現100%可再生能源電力,2040年以中深層地熱為主100%可再生熱力的雙百計劃,同年修訂的可再生能源法,提出地熱發電補貼0.25€/kWh,EGS發電0.05€/kWh的具體補貼政策。對于深層地熱供暖發電廠,提供了最多每家熱廠200萬歐元和400米以上的鉆井成本的補償金。2021年進一步提出了在現有200MWth的地熱供暖的基礎上,2035年翻一番達到400MWth的規模的計劃。


2013年慕尼黑西南部Geretsried探井的失利以及大規模地熱開發的計劃促使在政府支持下,由DMT公司于2015-2016年實施了全球范圍最大規模的城市三維地震,主要范圍是慕尼黑城市南部的潛力區,總面積達170km2。由于采用了城市適用的可控震源,并未引起明顯的強烈振動,從而避免了城市地下設施的損壞。大范圍三維地震的實施提高了該區的勘探程度,降低了地熱勘探開發的風險。慕尼黑地區從最初的幾個地熱礦權發展到現在超過50個地熱勘探/開采礦權,單個礦權的平均面積約為80km2,地熱能開采權證首次授予50年,到期后可以優先延長,目前地熱礦權幾乎覆蓋了整個慕尼黑地區。


持續的技術進步

政府的支持下,隨著供暖和發電利用市場規模的快速增長,進一步帶動了地熱相關科研活動。萊布尼茨應用地球物理研究所(LIAG)對慕尼黑地熱資源勘探起到關鍵作用。2016年由慕尼黑工業大學、埃爾朗根-紐倫堡大學和拜羅伊特大學聯合組成巴伐利亞地熱聯盟對地熱能領域的研究和實踐問題進行聯合深入研究。2020年以來,該聯盟又加入了慕尼黑應用科技大學等多所研究機構,創建了一個在科學、商業和政治之間傳遞知識和數據的平臺。


采用大井筒分支井、水平井等施工技術提高地面作業管理效率。采用大井筒高排量電潛泵組合,單井產量由開發初期的50~80m3/h提高到現階段的大于300m3/h,大大提高了地熱能的單井產出效率。


由于有機朗肯循環和卡琳娜循環技術上的不斷成熟,地熱發電廠能夠從大于90℃的低品味熱源中提取熱量發電,這種技術降低了能夠發電的地熱資源門檻溫度,提高地熱能發電的利用效率,而德國Adoratec公司、Maxxtec公司等均掌握這方面的核心技術,發電效率接近20%,用于熱電聯產有效提高地熱能的綜合利用率。


產學研的結合促進了地熱鉆井等相關技術的提升,千米進尺鉆速從2008年的20天提高到2016年的11天,通常占項目總開支的40%左右的鉆井費用從1500歐元/米降低到1100歐元/米。不斷提高的鉆井效率進一步降低了地熱能開發利用的成本,提高項目的整體收益。


政府積極引導民眾接受度高

2006年至2009年,在國家地質調查局支持下,萊布尼茨應用地球物理研究所(LIAG)開發并負責運維開放式“德國地熱信息系統”(GeotIS),該項目的重點是德國三大盆地的中深層地熱資源。GeotIS以矢量地熱地圖為基礎,集成了熱儲溫度、深度、厚度和導水率等多項參數。可以由互聯網通過該系統方便地訪問德國許多地區的地熱地質和地球物理數據。通過GeotIS的建立有助于規劃部門、投資者和審批部門等形成對地熱資源潛力的統一認識,同時也提高了民眾對地熱資源的接受程度。


自2009年慕尼黑東南部的Unterhaching地熱項目用于發電后,由于在Unteraching項目井場檢測到了微地震事件,隨后,研究人員建立了一個有五個臺站的監測網絡對熱電廠進行地震監測。在后續將近兩年的觀察期內,測量儀器共記錄了101個微震事件,僅一次達到2.1級,評估認為可能與該區延伸至基底結晶巖層深處的斷層有關,不會對地表附近的建筑物造成損壞性影響,科學的評估消除了民眾對地熱開發的擔憂。


2016年,德國聯邦網絡管理局建立全國性的能源轉型數據平臺SMARD并負責運維,以展示可再生能源融入能源供應系統演變進程。平臺可以實時查詢可再生能源生產利用數據。從地熱產品到服務平臺的智能升級,進一步提高了民眾對地熱能開發利用的接受度。


慕尼黑地熱發展條件對比雄安新區發展現狀-地熱開發利用-地大熱能

慕尼黑地區地熱地質簡圖


雄安新區地熱發展現狀及存在問題

雄安新區地熱發展歷程

雄安新區構造上處于渤海灣盆地冀中坳陷的中部凸起區,主要由容城凸起、牛駝鎮凸起、霸縣凹陷、保定凹陷、高陽低凸起、饒陽凹陷等構造單位組成。區內被牛東斷裂、容東斷裂和牛南斷層分割為雄縣、容城和高陽3個地熱田地熱田面積覆蓋新區80%以上,地熱田以新生界為蓋層,薊縣系霧迷山組熱儲埋藏頂面埋深600~4000m不等,具有溫度高,連通性,礦化度低等特點,是我國東部中深層地熱資源最有利的地區之一。根據新區地熱資源的勘探、開發、利用的規模及技術特征可以劃分為四個階段,早期粗放型開發階段、科學開發階段以及2017年雄安新區成立后向高質量開發過渡階段與2025年之后全面引領發展期。


上個世紀70年代至2009年之前為粗放型開發階段,以小規模粗放型自然開采為主,實現了該區中深層地熱利用從無到有的轉變。尤其是“六五”期間,華北地熱研究項目揭示了牛駝鎮凸起、容城凸起的地熱資源開發的巨大潛力,并得出碳酸鹽巖是本區主要熱儲層的基本結論。隨著地熱井開采規模逐年增大,由于缺少地熱尾水回灌工作地下水位迅速下降,地熱井不再自流,且地熱尾水的地表排放對土壤與淺層地下水形成干擾。


慕尼黑地熱發展條件對比雄安新區發展現狀-地熱開發利用-地大熱能

雄安新區地熱地質簡圖


2009年,以雄縣政府與中石化新星公司簽訂地熱開發合作協議為標志,該區的地熱資源利用進入科學開發階段,政企合作共同推進雄縣地熱資源的科學開發利用。通過科研攻關形成了該區適用的熱儲評價技術、采灌均衡技術、定向鉆井技術、間接換熱技術、高效集輸技術、梯級利用技術、動態監測與高效運營技術等一系列從地熱資源勘探、評價、鉆完井、尾水回灌梯級利用的完整技術體系,提高了地熱利用率,降低了運營成本,地熱尾水的大范圍回灌減緩了地下水位快速下降的趨勢,初步實現了采灌平衡下的可持續開發。截至目前,新星公司在雄安新區建成供熱能力700萬平米。通過政企合作、統一規劃建成全國首座“無煙城”,形成了經驗可推廣、技術可復制的“雄縣模式”。


2017年隨著雄安新區的成立,千年雄安高質量建設規劃的逐步落實,新區的地熱產業發展由高速開發進入向高質量開發的過渡階段,2025年之后地熱利用技術先進,進入全面引領發展期。地熱資源的開發有效支撐了雄安新區綠色低碳之城的建設,地熱影響力持續提升,雄安模式引領行業高質量發展。

 

基于上述對慕尼黑地熱發展條件的對比分析結合雄安新區發展現狀,可有如下結論及認識:

(1)加大基礎勘探工作投入,適當補充高精度地震工作量,強化地熱地質勘查基礎工作。發展利用探井、地震與非震勘查資料相結合,開展裂縫精細刻畫與地層漏失層位預測技術,準確定位資源、預報風險,提高雄安新區地熱勘探開發精度和效益。

(2)堅持科學可持續開發,打造地熱產業高質量開發的“雄安模式”,通過持續的監管、技術革新、管理升級促進由“雄縣模式”進一步創新發展形成政府有業績、企業有效益,居民有實惠的高質量發展的“雄安模式”。

(3)實時引導建立地熱發電示范項目,引領地熱產業高質量發展。堅持供暖利用為主其它方式為輔的地熱產業發展方向的同時,建立地熱發電示范項目,積累技術經驗。

(4)加強地熱礦業權建設管理,制定積極、可預期的地熱管理政策。保證企業的基本權益,促進行業健康可持續發展。充分發揮地熱在碳中和目標中的作用。