地热资源是一种洁净的可再生资源。近年来，在能源革命、大气污染治理、北方清洁供暖的大背景下，地热能作为一种极具竞争力的清洁可再生能源，发挥着日益重要的作用。随着地热发电、供暖、热泵等技术越来越成熟，我国地热利用方式也发生了重要的变化，由单一应用向梯级利用、集成应用发展。目前，地热综合梯级利用技术已成为国内外地热能领域探索的热点方向。
龚宇烈
中国科学院广州能源研究所(以下简称广州能源所)以科技为先导，创新为突破，率先在我国南方地区建成地热资源综合梯级利用示范系统，有效提高了地热资源利用效率，助力地热能高质量发展。近日，广州能源所地热能研究室主任、研究员、博士生导师龚宇烈在接受记者采访时表示，地热综合开发、梯级利用是地热资源开发利用的最佳形式，可使地热资源得到最大程度的保护与开发。
龚宇烈认为，核心技术及装备是制约地热能开发利用的关键因素之一。从上世纪70年代起，我国地热发电经历了起起落落，目前我国地热发电技术及装备研发滞后于地热发电产业，除了亟需加大政策扶持外，同时地热发电产业还需要成熟稳定的装备，才能更好的在未来地热市场竞争中占据一席之地。
相知相伴，与地热17年的不解之缘
广州能源所在中科院的定位是新能源与可再生能源领域的应用基础研究与技术开发，目前形成了以生物质能、海洋能、太阳能、地热能、天然气水合物等为重点方向的学科布局，是国家可再生能源综合技术国际研发中心、国家能源生物燃料研发中心、中国科学院可再生能源重点实验室、中国科学院天然气水合物重点实验室和广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室的依托单位。
300kW地热闪蒸发电站
“广州能源所的前身是广东省地热研究室，是国内最早从事地热能利用技术研究的单位之一，在中低温发电、高温热泵和中低温制冷等技术研发方面具有国内领先优势。”龚宇烈介绍，广州能源所在上世纪70年代建成了国内首座地热电站，2002年建成了国内首套100kW地热吸收式制冷系统和高温地源热泵空调采暖供热三联供系统，2014年研发了国内首台立式涡轮ORC模块化发电机组和首台面向工业应用场景的热泵蒸汽机组，建成了国内首套地热资源高效梯级利用集成示范系统。
“40多年来，我们在地热能领域承担了10余项国家级科研项目，获国家级奖1项，省部级奖14项，授权发明专利近50件。”龚宇烈说，“十三五”以来，广州能源所在地热能研究领域不断向探索多学科交叉的前沿方向深入迈进，培育了储能式地热供暖、地热防垢除垢、中深层地热单井换热等技术领域，目前有些技术已取得了阶段性成果。
龚宇烈在上学时期，本科和硕士阶段就读于天津大学热能与动力工程系。天津大学作为国内地热能利用技术理论的发源地，他有幸参与到硕士生导师赵军教授的地源热泵课题组，地源热泵技术研究成为他的硕士论文研究方向。“我记得是2002年，我们在天津梅江给一栋办公楼做了地源热泵项目，我们分别对水平埋管、U型垂直埋管、桩埋管进行了应用研究探索，在国内首次成功将三种埋管方式集成应用于同一工程，取得了非常好的效果。这算是我第一次与浅层地热能结缘。”龚宇烈回忆道。入职广州能源所后，他对地热能的研究由浅及深，“17年的耕耘，与地热能算是有了不解之缘。”
龚宇烈主要从事地热能利用技术、热泵制冷技术以及建筑节能技术的研究开发工作。在热泵技术领域，他主持完成了国家863课题“低温地热压缩吸收式热泵系统及关键技术研究”，研制国内首套50kW压缩吸收式热泵试验装置，系统COP较压缩式热泵提升20%。自工作以来，龚宇烈共承担国家级科研项目7项，省、院级科研项目6项，先后获得广东省科学技术二等奖一项、广东省科学技术三等奖二项、以及联合国工业发展组织颁发的“蓝天奖”提名奖等诸多荣誉。
作为地热能行业发展的见证者和推动者，在龚宇烈眼里，最近这10年，地热能行业发展非常迅速。他说，“十二五”期间我国在中低温地热发电、地热综合梯级利用等方面实现了从装备研发到示范的突破;“十三五”以来国家在科研研发方面投入力度更大，包括深地计划重大专项、中科院先导专项、青海共和干热岩科技攻坚战等，这些国家重大专项都将支撑地热资源勘探、开发、利用新技术的突破。
同时，令龚宇烈感触颇深的是，这几年很多国企、民企纷纷介入地热能行业，对地热产业迅速发展起到了重要推动作用。“中石化引领了地热供暖产业迅速发展，中核在重点部署地热发电产业，中石油积极推动油田地热开发，还有很多大企业去国外竞争地热市场等等。”他说。
地热资源综合梯级利用示范工程现场图
龚宇烈是江西人，他对于南方冬季阴湿寒冷深有感触，“江西属于长江流域夏热冬冷地区，小时候真能感觉到那种刺骨的湿冷，现在过年回老家也会感觉很不适应，室内室外几乎一个温度。”关于最近几年不少专家学者提出的我国城市供暖线南移的建议，龚宇烈认为，“目前夏热冬冷地区的冬季供暖应该以大力推广分布式能源供应为主，而地热能，尤其是浅层地热能可以发挥主导作用，有效解决城镇冷热两端的清洁能源供应。”
不久前，由汪集暘院士领衔的研究团队承担的中国科学院学部咨询项目“长三角地区地热资源及其综合利用研究”在中科院召开了启动会。据悉，该项目旨在系统厘清长江三角洲地区地热资源家底及开发利用的现状与需求，梳理存在的问题，探索长三角地区地热开发利用发展道路，并在此基础上提出战略与对策，为长三角“一体化”和“高质量”发展提供支撑。
龚宇烈作为上述研究项目的课题四“长三角地区地热综合利用创新技术”负责人参与其中。他介绍，“研究团队将花两年的时间研究长三角地区地热能开发利用创新技术及产业发展创新模式，并向国家和当地政府提出相关建议。”龚宇烈认为，未来地热能在南方区域清洁冷热联供将发挥重要角色。
地热能梯级利用，提高资源利用效率
作为学科带头人，“十二五”期间，龚宇烈主持完成了国家科技支撑计划重点项目“地热资源利用技术”中的“地热资源综合梯级利用集成技术研究”这一课题，首次在南方地区建成地热资源综合梯级利用示范系统，地热资源利用率超过70%，节能减排效益显著。
丰顺邓屋电站大门口的历史印记
“这个课题主要是想探讨一下华南地区如何高效利用地热资源。”龚宇烈介绍，广东地热资源虽然很丰富，水质也非常好，但没有像北方清洁供暖这样的刚需，目前绝大部分是作为旅游资源开发温泉洗浴，资源利用率低，利用方式也很单一。“但我们都知道广东夏天空调需求很大，因此我们就想着围绕温泉旅游产业来构建一种新型的地热资源综合梯级利用模式。”他说。
何为地热资源综合梯级利用?龚宇烈告诉记者，地热资源综合梯级利用是根据资源能量品位的高低进行高效利用，不同品位的地热资源对应不同的利用方式，如果能结合需求侧因地制宜加以利用，将大大提高地热资源的利用效率。地热资源综合梯级利用有三大好处，一是有限资源利用的最大化，二是能量利用的合理化，三是面向需求的多元化。
龚宇烈介绍，“地热资源综合梯级利用集成技术研究”示范点选择在广东省丰顺县，丰顺邓屋电站发电后的尾水温度常年在70℃以上，目前仅仅提供温泉洗浴，利用效率低，形式单一，能源浪费严重。利用丰顺邓屋地热电站的尾水进行综合梯级利用，整个系统包括四级梯级利用。第一级是地热制冷，利用广州能源所自主研发技术—两级吸收式制冷技术进行制冷，目前可以做到65℃以上的热水用来给建筑提供夏季制冷负荷;第二级是地热干燥，用于烘干当地农副产品或酒店衣物;第三级是温泉洗浴;最后一级是利用高温热泵技术进行提升温度，以此来实现在有限的资源条件下提供更多的供热需求。
“通过上述四级梯级利用，实现地热资源利用率高达70%以上，如果再加上前端地热发电的话，资源利用率可实现80%以上。整个系统用的技术都是我们团队前期研发的相对成熟的技术成果，从创新角度来看应该更多的是技术集成方面的创新，这套系统得到了业内同行的高度评价，成为具有南方特色的‘丰顺模式’。”龚宇烈总结说道。
“在我国东南沿海几个省，地热资源都非常丰富，这套模式完全可以复制推广，当然模式不是一层不变的，需要结合当地需求因地制宜。”他进一步说，从总体上来看，地热资源开发应注重“能源属性”和“旅游属性”相结合，实现资源利用的最大化，也能为当地带来显著的社会经济效益。
地热综合梯级利用技术是国内外地热开发利用正在探索的热点方向之一。龚宇烈介绍，我国地热资源综合梯级利用主要有三种模式：一是以北方地区地热供暖为主的梯级利用模式，比如板式换热和热泵结合的地热梯级供暖模式，目前已经成熟应用;二是以南方地区地热制冷为主的梯级利用模式，这是我们正在探索并想推广的模式;三是以西部地区地热发电为主的梯级利用模式，地热发电后再结合当地需求实现供暖、温室、温泉疗养等。“这只是典型的模式，而模式往往要结合需求定制，这也是地热资源综合梯级利用的一大特点。”他说。
发电技术及装备滞后，亟待突破瓶颈
我国地热资源丰富，其中高温水热型地热资源主要分布在西藏、云南、四川和台湾地区，据不完全统计，已发现高温地热系统200多处。龚宇烈介绍，早在1999年，由北京大学地球和空间科学学院廖志杰老师领衔的研究团队对我国西南地区准高温、高温地热资源进行了发电潜力评估，发电潜力接近6000MW，“而目前只有西藏羊八井25MW和羊易16MW的装机在运行，这充分说明高温水热型资源的开发还远远不够”。
龚宇烈告诉记者，在可再生能源大家庭中，地热能最大的优势就是连续稳定，据世界能源署(WEC)统计，地热发电的利用系数是可再生能源中最高的，年平均利用系数高达73%，目前新建的地热电站利用系数已经达到了85%95%，所以地热发电可作为电网的基础负荷。
“地热发电同太阳能、风能做对比，如果用同样的装机容量来比较一年的发电量，则地热生产的电力是风电的3.5倍，是太阳能发电的5倍。”龚宇烈说，地热发电优势明显，但劣势也很突出，最大的风险来自资源本身，前期勘探存在不确定性以及开发成本高，这也是地热发电远远落后于风电和光伏的原因之一。
谈及近年来我国地热发电变化，龚宇烈表示，从上世纪90年代开始到2018年，地热发电产业几乎都是依靠西藏羊八井电站和丰顺邓屋电站在苦苦支撑，当然其中也有一些地方建了小规模发电试验，但大都是一试了之，有装机没有发电。
值得一提的是，广东丰顺邓屋电站于1970年12月发电成功，这是我国第一台中低温地热能发电机组的成功应用，填补了国内地热发电的空白，也使得我国成为世界上第5位地热发电国家。龚宇烈认为，50年过去了，丰顺邓屋电站在今天看来仍具有深远的启示意义。
“广州能源所的前身是广东省地热研究室，在上世纪70年代组建这个研究室的目的就是开展中低温地热发电技术研究并建设丰顺邓屋地热电站。”龚宇烈介绍，邓屋地热电站作为中低温地热发电的试验基地，实际上建有三套机组：1970年第一台试验用86kW单级闪蒸发电机组(1号机组)发电成功，该项技术成果1978年获得了全国科学大会奖状(国家科学技术奖前身)。1978年一台200kW双工质循环(中间介质法)发电机组(2号机组)发电试验成功，在国内首次采用异丁烷工质进行试验，该项技术成果1979年获得广东省科学大会奖和1980年中科院科技成果二等奖。为实现邓屋地热电站的长期运行，1982年建成300kW单级闪蒸发电机组(3号机组)，该项技术成果1986年获得广东省科技进步二等奖。3号机组一直稳定运行到2016年，是我国地热发电事业重要的里程碑。
“中低温地热发电的两种主流技术在上世纪70年代都已经试验过，现在地热界普遍存在一种错误的认识，就是觉得双工质发电是先进技术，而闪蒸发电是落后淘汰的技术。实际上丰顺和羊八井两座地热电站都采用闪蒸发电技术，稳定运行了40年。”龚宇烈表示，放眼全世界，闪蒸发电技术也占到了整个地热发电装机容量的60%以上。上世纪70-80年代地热发电实践证实了中低温地热发电技术的可行性。“50年过去了，我国地热发电技术及装备研发已经严重滞后于地热发电产业，我们需要成熟稳定的装备，这样才能在未来地热市场竞争中占据一席之地。”他特别强调。
核心技术及装备是制约地热能开发利用的关键因素之一，没有核心技术，巧妇难为无米之炊。“前几年，国内有家企业在国外拿到了地热发电项目，打电话来咨询，连问几个问题，中国有成熟设备吗?中国有设计单位吗?中国有施工队伍吗?”龚宇烈坦言，“我一个也答不上来，事实是确实没有。”
“当然这两年的情况还是略有好转，尤其是羊易地热电站的建设投产为我国地热发电产业积累了经验。”龚宇烈介绍，在发电技术及装备方面，国内最近也有一些利好消息，南京天加分别和美国联合技术(UTC)、意大利Exergy公司签订战略合作，目标就是生产ORC发电设备。东方电气集团下属东方汽轮机公司也在积极推动ORC发电设备的研发，今年将推出300kW的样机。他进一步说，“还有其他企业比如浙江开山、中船重工711所、北京华航盛世等等，他们的设备在余热发电已经得到应用推广。”随着地热技术的不断发展与进步，越来越多的企业加入了这一行列，龚宇烈相信“十四五”我国地热发电产业将会迈上新的台阶。
广州能源所研发的350kW立式涡轮ORC发电机组
2017年国家首次出台的《地热能开发利用“十三五”规划》，描绘了产业发展蓝图，地热能迎来了行业发展新时代。“有了‘十三五’的开局，我对地热能“十四五”发展充满期待。”龚宇烈认为地热产业全面发展的机遇已来临。他分析说，近几年国家对地热的科技投入有了大幅度增长，其次大型国企正在发挥引领产业发展的作用。我国地热能在城镇“冷热”两端的贡献已经非常突出，也创造了举世瞩目的成就。
面向北方地区清洁供暖，地热能发挥了重要作用，成功打造了“雄县模式”，应用于北京副中心、大兴机场等重大工程，期待地热在未来的“雄安新区”清洁能源规划中扮演重要角色。同时，随着南方地区供暖需求的日益迫切，期待未来能够围绕长三角一体化、粤港澳大湾区等国家重大战略，积极发挥地热资源的优势，探索高效梯级利用模式，助力南方清洁冷热联供。
地热能迎来可喜发展局面的同时，龚宇烈期待我国地热能对“电”的贡献能发挥支持区域发展的作用。以西藏为例，目前西藏的电力供应主要是水电和光伏为主，但水电的丰盈枯缺以及光伏全年不稳定特征明显，造成西藏电网运行稳定性较差，缺乏稳定的基础性电力负荷作为支撑，而西藏高温地热资源丰富，地热发电恰恰可以扮演基础负荷这个角色。“从去年底开始，我已经给国家和中科院分别提了这方面的建议，期待未来能有所作为。”他说。
在龚宇烈看来，地热能与其它可再生能源一样，其发展都离不开国家政策的支持。“以风电和光伏为例，正是国家财政这些年的不停的投入，使得产业技术水平不断提升，发电成本才降低到了目前的水平。”他介绍，市场经济主导下的地热发电产业在“十三五”刚刚起步，羊易地热电站已经运行了一年多，但比较遗憾的是错过了国家对可再生能源投入的第一波红利期，申请上网电价举步维艰，到现在还没有明确下来，这显然不利于我国地热发电产业的发展。
“反观计划经济时代的丰顺邓屋地热电站，都可以给到0.685元/kWh的补贴电价。所以，目前国家对地热发电产业的‘一事一议’的电价补贴方式很难适应产业发展的新态势，甚至有可能阻碍产业的发展。”龚宇烈指出，我国地热发电产业要往前发展，总体上离不开三方面的支持，一是降低资源勘探的风险和成本，二是低成本的成熟设备及工艺，三是适当的电价激励政策。
“地热能在新时代有了很好的开局，相信‘十四五’地热能产业必将迎来全面发展的新机遇。”龚宇烈说。
