文／本刊記者 陸曉如

以“地?zé)?”的思維和應(yīng)用，以科學(xué)的頂層設(shè)計，讓地?zé)嵩诂F(xiàn)代能源體系中發(fā)光發(fā)熱。

●“地?zé)岽蠹摇蓖艏瘯菏空J為：“在未來的能源體系中應(yīng)重視‘地?zé)?’的思維及應(yīng)用。 ” 攝影/陸曉如

專 家 簡 介

汪集暘，1935 年生人。中國科學(xué)院院士、國家地?zé)崮芗夹g(shù)委員會名譽主任。曾承擔(dān)國家重點基礎(chǔ)科學(xué)前沿研究的“973”項目、國家科技攻關(guān)項目等，獲中國科學(xué)院、國家部委獎勵6 項?，F(xiàn)從事地?zé)豳Y源評價、地?zé)崮荛_發(fā)利用及環(huán)境保護等研究工作。

曾任國際地?zé)釁f(xié)會（IGA）主席團成員、水文同位素技術(shù)應(yīng)用國家委員會主席，現(xiàn)任自然資源部巖溶動力學(xué)重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任等。

《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》明確提出了“十四五”時期現(xiàn)代能源體系建設(shè)的主要目標(biāo)。其中包括能源低碳轉(zhuǎn)型要取得顯著成效——單位 GDP 二氧化碳排放五年累計下降18%；到 2025 年，非化石能源消費比重提高到20%左右，非化石能源發(fā)電量比重達到 39%左右，電氣化水平持續(xù)提升，電能占終端用能比重達到30%左右。

在此目標(biāo)下，地?zé)崮茏鳛榉腔茉?，如何在未來的能源體系中發(fā)揮更大作用？就此，本刊記者采訪了長期從事地?zé)岷退牡刭|(zhì)研究的中國科學(xué)院院士汪集暘。

重視地?zé)?

中國石油石化：汪院士，您好！您認為地?zé)崮茏鳛榉腔茉?，如何在未來的能源體系中發(fā)揮更大作用？

汪集暘：在非化石能源大家庭里，地?zé)崾堑厍虮就聊茉?、清潔能源、可再生能源、非碳基能源，有獨特的?yōu)勢。但從資源總量來看，跟太陽能、風(fēng)能等相比要小得多，而且分布不均勻。因此，在未來的能源體系中發(fā)揮更大作用，應(yīng)重視“地?zé)?”的思維及應(yīng)用?？梢詫⒌?zé)徇@種地球本土的能源和來自太陽系的其他新能源、可再生能源，諸如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能等，結(jié)合起來一并加以開發(fā)利用。不爭老大老二、不分你我，綜合利用，真正做到“多能互補、一能多用”，在北方清潔取暖、南方制冷空調(diào)等工作中發(fā)揮更大的作用，解決實際的民生問題。

為方便敘述，可將“地?zé)?”的內(nèi)涵概括為“天地合一、動靜結(jié)合”?！疤臁敝柑柲?，“地”即地?zé)崮埽弧皠印敝革L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能，“靜”指地?zé)崮堋嶋H上，目前建筑行業(yè)中大力推廣的“近零能耗建筑”和供暖行業(yè)中的“區(qū)域能源網(wǎng)（站）”等都是“地?zé)?”概念的延伸或應(yīng)用。

應(yīng)用的實例也有。比如，意大利國家電力公司ENEL 在美國內(nèi)華達州斯蒂爾沃特（Stillwater）地?zé)犭娬緦嵤┝寺?lián)合發(fā)電。2009 年組合了太陽能光伏，2015 年又組合了太陽能熱發(fā)電。目前地?zé)岚l(fā)電33兆瓦，光伏發(fā)電26 兆瓦，光熱17 兆瓦，給地?zé)岚l(fā)電因中午環(huán)境溫度增高而導(dǎo)致的效率降低實現(xiàn)了很好的發(fā)電增效。

中國石油石化：據(jù)悉，從“地?zé)?”概念里引申，您提出了“地球充電/熱寶”。這具體是一種什么樣的概念？

汪集暘：所謂“地球充電/熱寶”（earth charger），是指以地球介質(zhì)為載體的“地?zé)?”多能互補儲/供能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將各種形式的能量儲存于地下，并按需求取出加以利用，是地?zé)衢_發(fā)利用的一條新途徑。

地球是一個龐大的熱庫，地?zé)崮苁且环N不可多得的綠色本土能源。但它的明顯劣勢是分布極不均勻，往往在有需求的地方?jīng)]有足夠的資源，在沒有需求的地方資源又很豐富，存在供需矛盾的問題，必須加以調(diào)節(jié)。

另外，在新能源和可再生能源大家庭中，中國西北、東北、華北地區(qū)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象十分嚴(yán)重，有些地區(qū)高達50%以上，造成了能源大量浪費。據(jù)報道，2017 年棄光、棄風(fēng)的能量約為三峽水庫全年的發(fā)電量。而且城市中有大量的余熱、“廢”熱沒有被有效利用，同樣是能源的浪費。如何將這些廢棄的能量儲存起來并加以充分利用，是擺在地?zé)峤缒酥琳麄€新能源和可再生能源界的大問題。

目前，國際上已經(jīng)開始注意這些問題，并提出了“地球電池”（earth battery）的概念。認為將地球上各種多余的能量儲存到地下是一種把取能/儲能相結(jié)合的能源開發(fā)利用新途徑。但“地球電池”的提法不夠準(zhǔn)確，因為地球是一個可反復(fù)充電、用電的“電池”，就像現(xiàn)在大家廣泛使用的手機充電寶。因此，我認為將這種儲能技術(shù)取名為“地球充電/熱寶”更為貼切，也更為通俗易懂。

讓地球來儲能

中國石油石化：與傳統(tǒng)的儲能技術(shù)相比，“地球充電/熱寶”有什么優(yōu)勢？

汪集暘：與傳統(tǒng)的儲能技術(shù)相比，“地球充電/熱寶”至少具有以下優(yōu)點。

第一，規(guī)模大。一般水箱儲熱的容量均小于105立方米，而“地球充電/熱寶”利用地下含水層儲熱的容量可大于106立方米。

第二，應(yīng)用廣?！暗厍虺潆?熱寶”可以利用無法消納而剩余下來的風(fēng)能、太陽能，也可將城市中的廢熱、余熱集中起來加以儲存和利用，比如發(fā)電廠、污水處理廠的余熱。

第三，跨季節(jié)。風(fēng)力、光伏的資源總量雖然大得多，但存在時間、空間上供需不匹配的問題。在中國諸如長三角等冬冷夏熱的地區(qū)，可將夏季酷暑難熬時的多余熱量存儲于地下含水層中，供冬季嚴(yán)寒時取出來加以利用。

第四，成本低。據(jù)初步估算，水箱儲熱的成本為40~100 元/千瓦時。若用“地球充電/熱寶”儲熱，則成本大幅度降低，可降至0.1~20 元/千瓦時。

中國石油石化：您看好“地球充電/熱寶”的應(yīng)用前景嗎？

汪集暘：當(dāng)然。這種儲能技術(shù)已有不少成功應(yīng)用的實例。例如，德國2004 年就在Kiel 地區(qū)建立了基于地下含水層的跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)。該項目的冷井工作溫度在10℃左右，利用1000 平方米的屋頂太陽能集熱器作為熱源，使熱井工作溫度達到50℃左右，為108 棟公寓共計7000 平方米的社區(qū)進行供暖。

瑞士計劃在首都伯爾尼地區(qū)將發(fā)電站的廢熱存儲在地下砂巖含水層，以實現(xiàn)在冬季為該市舊城區(qū)提供供暖。該項目利用發(fā)電廠生產(chǎn)過程中廢物、木材和天然氣等焚燒產(chǎn)生的熱量加熱地下水，并將其泵入地下200~500 米深的砂巖層中進行存儲，預(yù)計可存儲熱容量為3~12 兆瓦的廢熱。

結(jié)合當(dāng)前中國的實際情況來看，北方地區(qū)清潔供暖是擺在全國地?zé)峁ぷ髡呙媲暗囊粋€大問題。無論是北京城市副中心、雄安新區(qū)，還是京津冀地區(qū)，地球充電/熱寶都大有用武之地。

舉例來說，雄安新區(qū)自2004 年大規(guī)模開采深部震旦系霧迷山組大型巖溶熱儲的地下熱水進行全縣供暖以來，水位從2004 年的地下42 米急速下降至2012 年的地下81 米。8 年間下降了39 米，平均每年下降近5 米。可以想象，這部分采出的地下熱水空間若加以回灌補充，可儲存巨大的熱水體積，從而增加雄安地區(qū)的地?zé)豳Y源潛力。而且回灌后，可補充地?zé)崽锵陆档臒醿毫?，也有助于恢?fù)地下水位。

《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》在“地?zé)崮荛_發(fā)與利用技術(shù)”板塊的“應(yīng)用推廣”部分中提出，推廣含水層儲能、巖土儲能等跨季節(jié)地下儲熱技術(shù)利用，因地制宜推廣集地?zé)崮馨l(fā)電、供熱（冷）、熱泵于一體的地?zé)峋C合梯級利用技術(shù)。在“集中攻關(guān)”部分提出，開展高溫含水層儲能和中深層巖土儲能關(guān)鍵技術(shù)研究，實現(xiàn)余熱廢熱的地下儲能。

這進一步明確了“地球充電/熱寶”儲能技術(shù)在我國的應(yīng)用。比如，發(fā)展含水層儲能技術(shù)，以地下水為介質(zhì)，以100%原水同層對井回灌為手段，利用含水層的地質(zhì)熱慣性進行開發(fā)。冬冷夏用，夏熱冬用，冷熱聯(lián)供，是中央空調(diào)系統(tǒng)的最佳冷熱源。與燃氣供熱和電制冷的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)比較，供暖節(jié)能50%、制冷節(jié)能80%，同時可解決國內(nèi)地下水源熱泵地下水不能有效回灌的瓶頸，讓地下水源熱泵起死回生。

做好頂層設(shè)計

中國石油石化：在現(xiàn)代能源體系建設(shè)中促進我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展，您有什么建議？

汪集暘：發(fā)展地?zé)岙a(chǎn)業(yè)，一定要有頂層設(shè)計，要有總的規(guī)劃。規(guī)劃怎么做？首先要看資源條件。

我國地?zé)豳Y源比較豐富?！吨袊稍偕茉窗l(fā)展報告（2020）》的數(shù)據(jù)顯示，我國336 個主要城市淺層地?zé)崮苣昕砷_采資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7 億噸。在回灌情景下，中深層地?zé)崮苣昕砷_采資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤18.65 億噸。全國埋深3000~10000 米的深層地?zé)峄A(chǔ)資源量約為2.5×1035焦耳，折合標(biāo)準(zhǔn)煤856 萬億噸。

雖然資源量豐富，但是分布不均勻。淺層地?zé)豳Y源在全國范圍內(nèi)普遍較為豐富，主要分布在北京、天津、河北、山東、江蘇、湖南、安徽、上海、陜西等省市。中深層地?zé)豳Y源以中低溫為主、高溫為輔。中低溫型地?zé)豳Y源主要分布在華北、松遼、蘇北、江漢、鄂爾多斯、四川等平原和盆地，以及東南沿海、膠東半島和遼東半島等山地丘陵地區(qū)。而高溫型地?zé)豳Y源主要分布在西藏自治區(qū)南部、云南省西部、四川省西部和臺灣省。我歸納為“東高西低、南高北低”。

其次要看需求。北方有清潔取暖的需求，南方有因冬冷夏熱而產(chǎn)生的供暖、制冷需求。

基于資源和需求兩方面考慮，我認為我國地?zé)衢_發(fā)應(yīng)該遵循“深淺兼顧、由淺及深，熱電并舉、以熱為主、西電東熱，干濕有度、先濕后干”的總方針。

中國石油石化：為什么是“深淺兼顧、由淺及深，熱電并舉、以熱為主、西電東熱，干濕有度、先濕后干”？

汪集暘：這主要是從經(jīng)濟性方面考慮。開發(fā)地?zé)岵荒苤凰阏钨~，更應(yīng)該算經(jīng)濟賬。

200 米以淺的淺層地?zé)衢_發(fā)難度低，用熱泵技術(shù)就可以實現(xiàn)開發(fā)利用，因此利用成本低。而且江河湖海等水體里蘊含的熱能都可以開發(fā)利用。南京江北新區(qū)江水源熱泵區(qū)域供冷供熱項目，根據(jù)項目規(guī)劃可向新區(qū)核心區(qū)的8.75 平方公里近1600萬平方米建筑群提供供冷供熱服務(wù)，每年可為新區(qū)節(jié)約用電量1.4 億千瓦時，相當(dāng)于少燒4.69 萬噸標(biāo)煤。從資源量上來說，已經(jīng)可以很大程度上滿足清潔取暖、制冷方面的需求。而越往深層，開發(fā)難度越大，對設(shè)備、技術(shù)的要求越高，成本也越高。因此，應(yīng)該“深淺兼顧、由淺及深”。

至于“熱電并舉、以熱為主、西電東熱”是由我國地?zé)豳Y源的分布情況決定的。我國的地?zé)豳Y源以中低溫為主，更適合發(fā)展供熱。比如，東部地區(qū)的地?zé)豳Y源用來發(fā)電品位不夠，而夏熱冬冷的氣候情況用地?zé)峁┡苓m合。截至2020 年，我國淺層地?zé)嵩礋岜霉┡ㄖ评洌┟娣e已達到約8.58 億平方米，位居世界第一。中國北方地區(qū)中深層地?zé)峁┡娣e累計約1.52億平方米。其中，河南等地增長較快，形成較大規(guī)模的開發(fā)利用，在散煤替代和實現(xiàn)區(qū)域清潔取暖方面發(fā)揮了較大作用。我國150℃以上的高溫地?zé)豳Y源集中在西藏、云南騰沖一帶的滇藏地?zé)釒希虼宋覈牡責(zé)岚l(fā)電站也較為集中在這一地區(qū)?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》明確指出，“積極推進地?zé)崮芄嶂评?，在具備高溫地?zé)豳Y源條件的地區(qū)有序開展地?zé)崮馨l(fā)電示范”。地?zé)岚l(fā)電裝機容量落后于其他國家沒有關(guān)系，不應(yīng)以地?zé)岚l(fā)電量論英雄，應(yīng)以我國的實際需求為導(dǎo)向，以熱為主、西電東熱。

●發(fā)展地?zé)岙a(chǎn)業(yè)，為綠色家園注入更多生機。 供圖/中國石化

說到“干濕有度、先濕后干”，我對近年來炒得很熱的干熱巖并不看好。深層（4000~10000 米）干熱巖雖然資源量巨大，但開發(fā)難度很大，技術(shù)、裝備水平達不到，因此開發(fā)成本高昂。從上世紀(jì)70 年代末至今，全世界前前后后有64 個國家開發(fā)過干熱巖，但到現(xiàn)在只有位于德國、法國交界處的1 個干熱巖項目成功了。而該項目前后投資了1 億多歐元，只有2000 千瓦的裝機容量，投入產(chǎn)出比太低。賠本的買賣不能干，我國發(fā)展干熱巖應(yīng)慎之又慎?？梢宰鲆恍┣捌谘邪l(fā)、跟蹤，但大量投入沒有必要。說白了，開發(fā)干熱巖是要人造熱儲系統(tǒng)，但已經(jīng)有很好的天然水熱系統(tǒng)為什么放著不用，而要花巨資去人造？

總而言之，以這樣的頂層設(shè)計，政產(chǎn)學(xué)研用金服結(jié)合起來，特別是決策者要有清醒的認識，共同促進我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，為現(xiàn)代能源體系建設(shè)做出更大貢獻。