日本地热发电现状及技术进展研究

李前喜

（贵州财经大学 工商管理学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

众所周知,日本处于环太平洋火山带,是一个地震灾害多发的国家,拥有较多的温泉地热资源。从表1所示的世界地热能源分布状况来看,日本仅次于美国和印度尼西亚居全世界第3位,其地热发电站主要分布在火山以及地热储藏地域,东北与九州等地区集中度较高。国内最大的发电设施是大分县八丁原发电站,标准发电量为11 MkW,国内最初商用发电的是岩手县松川地热发电站,约有50年以上的运营历史。据2019年9月的数据,日本全国地热发电站有66座、87个设施,设备容量合计约54 MkW,发电能力约为2 472 GW·h,计划在2030年发电容量扩大3倍[1]。

表1 世界主要国家地热资源量与发电设备容量(单位:MkW)

1 日本地热发电的历史

日本战后面临着恢复经济以及电力供给不足的巨大课题,政府在推动水力和大型火力发电设施建设的同时,也致力于地热实用化调查和技术研究开发。1966年日本建设的第一座热蒸气型发电站,在岩手县的松川开始运转,紧接着第二年大分县的蒸汽热水混合型的大岳发电站也开始投入运营。也正是由于这两座发电站的成功运行,日本地热开发与利用有了良好的开端。特别是20世纪70年代,在以两次石油危机为契机的石油替代能源政策的推动下,地热资源开发也迅速扩大。地热发电也是国家的支援对象,逐步形成以东北、九州地区为中心,相继建成了很多地热发电站,1996年获得地热设备认可输出量就达到了50 MkW。但是,随着世界石油价格的稳定,从1997年开始能源政策发生变化,对于地热发电的政府预算也开始减少,导致长时间不能进行开发,地热发电项目也进入了停滞期。

改变这种状态的是2011年东日本大地震,福岛核电厂爆炸导致全国核电厂关停安检引发严重能源危机,地热发电也再次受到关注。2012年,各种各样的可再生能源成为政府固定价格收购对象,地热发电也纳入了收购范围。通过达到收购制度认可条件后,就可享受政府规定的电力收购价格,这也极大地促进扩大可再生能源产能的机会；同时,政府相关部门为了促进地热资源开发,放宽了一部分地热资源开发的限制条件。也正是在这种对地热发电期待日益高涨的情况下,时隔22年之后于2019年1月,岩手县八幡平市的地热发电站开始运行,其标准发电能力为7 499 kW。

2 地热资源发电及其特点

2.1 地热发电的种类

地热发电是指通过地质勘探钻井,将火山地热地带深处1 500～3 000 m存在的高温150～300 ℃热水或蒸汽,从地热存储层中取出上升到地面,推动蒸汽涡轮发电的方式。实际上由于钻井深度、地热流体性质、温度等因素,需要有不同的发电系统装置来对应。现在,日本运转的地热发电系统中,所使用的主要发电方法有如表2所示的4种类型[2]。其中,干蒸汽发电是单纯的气体发电系统,多见于日本早期的地热开发。水汽分离法又包括两种,即一次和二次分离的方式进行发电,现在日本地热发电站采用最多的是一次分离发电方式,水汽分离法最后把从生产井取出的能源流体,取尽能源之后再将冷却后的水注入还原井,以促进地下水循环再利用。而低温双循环发电是用于温度低于150 ℃的能源流体,通过热交换器加热沸点低的媒介物质,使之沸腾的蒸汽推动汽轮机发电,这种方式也逐步应用于普通温泉发电方式,既能发电也不影响温泉旅游的经济性。所以,双循环地热发电是日本政府相关部门认定的新能源。

表2 日本地热发电方式

2.2 地热发电的特点

地热发电作为可再生能源,在其发电站建成之后,可以不分昼夜24小时稳定发电,能有效利用纯国产地热能源,不需要消耗地下的化石燃料,可以认为是半永久性稳定利用的可再生清洁能源[3]。现在,相对于世界各国主要能源的石油和煤炭等化石燃料,地热、生物质、风力、太阳光、水力等都是可以持续利用的“可再生能源”。虽然这些再生能源在大功率化方面仍存在可研究课题,但发电和热利用时几乎不排出导致地球变暖的CO2。由于地热能源不依赖外国进口,从而也提高了日本国内能源的自给率。

另外,现在推进的可再生能源中,风力发电和太阳光发电等自然能源的发电方式,有效发电的时间段有可能被限制,如因天气、季节、昼夜等因素而导致发电量大幅度变动。统计资料表明,太阳光设备利用率约为12%,风力也约为20%。与之相比,地热发电具有每年定量发电的稳定性,设备利用率也高达70%,被日本政府定位为基本电源系列。

3 日本国内地热开发的困境与对策

3.1 地热资源开发周期长风险大

有关地热发电的开发建设,多由石油和矿山等资源开发的企业运作,地热发电是带有“地下风险”的投资。也就是说,需要在前期调查的基础上试探挖掘,正确地把握资源量和地下状况。总之,地热发电是技术链融合的风险企业,克服挖掘失败和回收初期投资是根本原则,不习惯这类风险投资的企业是很难涉足地热发电行业的。另外,地热发电从地表调查、挖掘调查开始到发电设备设置为止,要进行5个过程的专业评估,一般经历11～13年的时间。

3.2 日本地热发电的阻力

世界上屈指可数的“火山国”日本的地热资源,拥有世界第3位的规模。日本的地热发电技术也处于世界领先水平,但日本国内利用地热资源的发电量仅占全部电力0.2%。导致日本地热发电进展缓慢的主要原因有以下3点。

第一,固定的电力行业体制。日本有十大电力公司,分别调节对应所属地区的电力需求,也属于垄断性质的行业。另外,由于日本电力供应充足,很难从其他领域进入新的电力行业。

第二,国家对地热开发支援消极。因为日本能源政策要求电力供应稳定,以主力电源混合形式供电,减少能源使用风险。地热发电与原子能和火力发电相比规模小,国家对地热发电的开发重视不够,每年资金预算也较少。

第三,适应地几乎处在国立或国定公园内。日本很多自然公园是国立或者国定公园,根据自然公园法,要求保护公园自然环境和景观,所以很难在其中建设地热发电站。另外,由于担心地热开发会对温泉造成影响,所以新建地热发电站除需要遵守国家法律外,还要与当地县市町村行政单位以及温泉地区协会等进行协商调整。

3.3 地热开发限制缓和

为了保护公园环境和自然景观,日本于1957年颁布《自然公园法》[4],其中规定国立公园和国定公园等国家指定的自然公园中不允许建设发电站。由于几乎所有的火山地区都包含于自然公园内,所以很多适合地热发电的地方都在自然公园范围之内,导致日本地热资源开发受到极大地限制,使拥有地热资源第三的大国其实际开发量仅位居第8位。

正是基于地热能源利用的重要性,这种限制渐渐得到一定缓和。环境省于2012年3月发表的新方针是,在国立、国定公园中,除了维持景观的重要区域,允许建设小型发电设备。此外,还增加了一个重要指导方案,如果采取从公园外面倾斜、挖掘公园内地下的施工方法,就不会对环境保护造成影响,前提是始终不破坏公园的景观。为此,政府放宽国立、国定公园的规章制度,使地热发电可利用量扩大3倍以上。另外,还提出将目前需要3～4年的环境影响评价时间缩短一半,并进一步扩大促进地热发电的政策。有关建设大型地热发电开发项目,也是将来能源政策中重要的课题,需要国家、自治体、民间企业联合长期合作对应。

4 日本地热发电技术推进状况

4.1 日本国内地热开发技术措施

为了有效利用地热资源,新能源产业技术开发机构（NEDO）,作为日本国立研究开发的法人组织,连接政府部门的经济产业省和国内产学研团体,致力于强化国家产业技术创新。在对应能源与地球环境方面,力主推进环境友好型、高功能地热发电系统相关设备项目。对于现在的低温双循环地热发电系统,以重视环境保护对策和环境资产管理为基准,通过支持技术开发创新项目等措施,促进扩大地热发电的能力。低温双循环地热发电与现有发电设备相比,具有小型化、高效率的特点。为了更好地推进更多温泉地域地热能源的利用,具体实施措施有以下几个方面。第一,在保护环境和开发高功能地热发电系统设备方面,推进有助于实现地热发电系统小型化的技术。如将冷却塔高度降低到10 m以下的技术、占地面积降低10%左右的技术、提高热效率20%以上的技术等。第二,在开发有效利用低温区域地热资源方面,注重小型双循环发电系统。通过使用未被利用的温泉热能,展开低温区域的双循环发电,将提升热效率7%作为改善目标。在确立低温双循环系统的同时,做好设备耐腐蚀对策、提升二次介质的高性能化技术。第三,在发电站的环境保护对策技术开发方面,建立煤气泄漏防止技术和扩散模拟技术等。第四,由于日本过去10年间没有新建地热发电站,导致地热发电开发相关的技术人员减少或流向海外,今后要加大力度培养有关地热发电系统的技术人才。

4.2 地热设备技术的海外动向

正如前述,日本1966年就建成了国内第一座地热发电站,地热发电技术研究与应用也得到进一步推进。但是,由于日本国内多种制度限制,导致地热发电开发进度缓慢。为此,地热发电相关企业联合形成技术产业链,把拥有相当成熟的地热发电技术转向海外市场。特别是称之为地热发电站心脏部的地热发电涡轮机,如图1所示,日本企业东芝、富士电机、三菱日立动力系统这3家企业占世界的67%[5]。

图1 世界地热发电涡轮机的市场占有率(资料来源:日本地热协会)

从日本参与海外地热发电站建设的事例来看,新西兰早期建设的怀拉基地热发电站,其涡轮和发电机等是日本制造的。2010年,日本企业住友商事、富士电机和当地企业霍金斯建设公司组成团队,参与新西兰的纳瓦·普鲁瓦地热发电站建设。在其地热发电输出功率方面,使二次分离增加20%、三次分离增加30%的发电量。因此,纳瓦·普鲁瓦地热发电站是当时世界上最大的单体发电站,拥有14 MkW的发电能力。由于高效率地推进了项目建设,获得了当地较高的评价。2018年丸红商事发表获得肯尼亚100亿日元的地热发电站订单[6]。此外,2007年开始到2018年的10年之间,在印度尼西亚3座合计发电能力33 MkW的萨尔拉地热发电项目中,日本的九州电力、伊藤忠商事、国际石油开发帝石3家公司的出资比例达到68.5%,同时在技术开发方面发挥着重要作用。最近,2021年住友商事、富士电机与新西兰民间发电企业合作,签约了陶哈拉地热发电站152 MkW的项目,预计2023年完成发电厂建设[7]。

总之,以上事例可以说明,日本地热技术并没有因为国内进展缓慢而停滞,相反通过积极参与海外地热发电站的项目建设,推销地热发电的成套应用技术,在世界各地建设的地热发电项目中发挥积极作用。拥有从基础开发到地表设备,能够全部提供地热发电所需的技术。当然,日本企业从中也积累了不少经验与技术的磨炼。

5 日本地热发电的未来与前景

巴黎协定之后,主要国家承担碳减排的重责,设定2050—2060年实现碳中和的目标,日本也正在将重点转移到可再生能源上,特别是积极推进二氧化碳排放量少、价格便宜且不受天气影响的地热发电。政府提出到2030年为止将地热发电达到约150 MkW的目标[8],也就是说发电能力比现在增加3倍。这个目标值占国家发电量的1%,换算成太阳光发电相当于1 000 MkW,这也是挑战性的目标,需要强化各种支援政策来进行辅助。鉴于此,日本国内的地热开发公司、地方自治体在全国各地50多个地方实施了建设地热发电站的调查。从2014年左右开始,日本各地开始了小规模地热发电站建设,发电级别在数十至数百千瓦级别的发电站投入运行,并且中规模数千千瓦级地热发电站也在数个地方开始运行,同时大规模万千瓦级的地热发电站也于2019年以后依次开始运行。通过产业、政府、大学及研究机关共同参与,建设地热发电站完成既定目标。然后,面向2050—2100年长期计划,届时地热能源将达到电力生产10%左右的市场占有率。

对于丰富的地热资源,不仅仅是用于发电,还需要利用热水提高农林水产物品的附加价值等。这对帮助地域经济发展,加深地域的理解,为地域振兴做出了贡献。总之,在创造出新的地热资源的同时,需要进一步推进高精度的地热贮留层探索技术,以及可持续的地热发电技术。同时,有必要引进保护生态景观等先进环境技术,更好地推进环境适应型发电站的建设。

6 结语

日本蕴藏着较多的地热资源,也较早地开发了地热发电,但由于多种原因的限制,地热资源没有得到充分利用。随着全球环境问题日益严峻,碳减排计划形成大国之间的博弈,并纷纷设立碳减排目标计划。也正是由于这种背景,日本政府开始重视可再生能源的开发,出台相关支援政策和缓和限制来推动地热能源的利用。另外,有关地热发电技术应用方面,日本保有从地质勘探到电站建设的全部技术能力,能够参与国际市场地热发电项目的建设。