土耳其地热能产业发展对中国的启示 - 他山之石

土耳其地热能产业发展对中国的启示

1.引言
  土耳其与中国共处于地中海—喜马拉雅地热带上，地热资源丰富。自1950年以来，土耳其的城市人口从14%增加到53%，工业化进程加快，用电量也急剧增加。作为一个化石能源依赖型国家，近年来土耳其一直在寻找一条摆脱化石能源的新道路，大力发展可再生能源，如风能、水电、太阳能、地热能和生物质能。在此背景下，土耳其利用其境内丰富的中高温地热资源建设发电项目，中低温地热资源进行住宅供暖、农业养殖与烘干、温泉旅游等，充分发挥地热能清洁安全、等效利用系数高、输出稳定等特点。至2021年底土耳其地热发电装机容量达1.7GW，占全国发电总装机容量的3%，世界排名仅次于美国、印度尼西亚和菲律宾（Richter,2022），直接利用量总计4GW。地热能显然已经成为土耳其可再生能源的重要组成部分。
  中国和土耳其在地热资源特征与开发利用方面具有一定的相似性，土耳其地热能利用快速发展经验对于中国具有重要的借鉴意义。本文通过分析土耳其地热资源条件，研究地热能产业发展现状，总结其快速发展的原因。结合中国地热资源条件与发展现状，借鉴土耳其经验，剖析影响中国地热发展的主要问题，提出对策与建议。
  2.土耳其地热资源概况
  2.1人口分布与能源需求
  土耳其面积785350km2，人口8400万，是欧洲和中东最大的国家之一，境内划分为七个区域。由于自然环境的差异，沿海平原人口稠密，内陆高原人口稀疏。据2021年土耳其人口统计数据，人口依次集中在马尔马拉、爱琴海、地中海、安纳托利亚东南部等地区（Tuik，2021）。
  土耳其日益增长的经济表现也反映在其能源需求上，2020年土耳其消耗约3840亿kW·h的电力（仅来自化石燃料），人均能源消耗量约为4659kW·h（Difiglioetal.,2020）。2015—2019年煤炭和褐煤消费量以每年8%的速度增长。天然气消费量以每年9%的速度增长，2021年飙升至60亿m3，比2020年水平高出24%。自1989年以来，电力部门一直是政府优先发展项。尽管近年电厂建设快速增长，当前总装机容量已增至103GW（MENR，2021），但仍赶不上日益增长的民用和工业需要，土耳其被迫从邻国进口电力。土耳其人口分布、经济发展、能源需求与地热资源分布呈现良好的匹配关系，西部人口集中，高温地热发电后就地利用，极大节约了成本。目前几乎所有的地热发电厂都位于土耳其第三大城市伊兹密尔的南部或东部，大约有1000MW的地热发电装机容量。
  2.2地热资源禀赋
  土耳其位于欧亚板块南缘，受阿拉伯板块和非洲板块的北向俯冲，处于弧后伸展的构造应力区，地壳持续拉张减薄使土耳其成为地震活动最强烈、构造断层最发育、地热资源最丰富的国家之一（Bertani，2016）。其内部广泛分布火山活动、喷气孔及超过600个温泉，温泉温度最高可达100℃以上。据估土耳其的水热型地热资源潜力（0~4km）为60000MW，这些资源有78%左右集中在安纳托利亚西部，9%在安纳托利亚中部，7%在马尔马拉地区，5%在安纳托利亚东部，1%在其他地区（Bilgin，2018）。低焓或中焓地热资源约占90%，适合直接利用，地热发电潜力（0~4km）为4500MW（Mertogluetal.,2020）。
  2.3地热能产业发展历程及现状
  土耳其对地热资源的研究利用有很长的历史，地热水从公元前2世纪开始在海罗波利斯的水疗中心使用。近年来，地热资源的应用尤其是地热发电发展迅速，大致可归纳为3个阶段：起步阶段、研究积累阶段和快速发展阶段。
  2.3.1起步阶段
  20世纪初期至20世纪50年代为土耳其地热研究的起步阶段，对于地热的利用尚处于温泉旅游等方向，地热资源探明程度较低，勘探靶区也尚不明确。
  2.3.2积累阶段
  20世纪60年代至20世纪末为地热研究的积累阶段，这一阶段土耳其开始对国内地热田进行勘探和初步开发，积累了大量的地热开发利用经验，为后来的快速发展奠定了基础。
  1961年是一个关键的转折点，联合国新能源会议的召开引起了人们对于土耳其地热资源的兴趣与关注。之后五年间，土耳其开始在全国范围内进行地质、地球物理和地球化学等研究工作，其中大部分集中在安纳托利亚西部（Simsek,1985）。1967年，在联合国技术援助计划下，土耳其矿产研究与勘查总局（MTA）开展了第一个地热勘查项目并初步确定了安纳托利亚西部的九个地热勘探区。1968年在克孜勒代尔钻探了第一个地热深井，揭示了湿蒸汽田并于1975年成功发电，容量为500kWe。国有发电公司于1984年扩建了该厂，装机容量增加到17.4MW（SerpenandDiPippo,2022），后将经营权私有化给佐碌能源公司（Kayaetal.,2009），截至今日累计装机容量260MW，为土耳其经济发展和节能减排作出重要贡献。
  在此后的几十年间，土耳其都没有再新建地热发电站。但在此期间MTA从未停止对地热资源的勘探和研究工作，探明了全国范围内多处高温地热田。同时一些私营部门和各地政府开始积极探索中低热晗场的直接利用。1987年，第一个区域供热系统运行于戈南低温地热田，总装机容量为1.4×107kcal/h（MertogluandMertoglu,1993）。此后温泉旅游、农业种植等地热能直接利用形式也开始逐步投入使用。
  2.3.3快速发展阶段
  2005年世界地热大会于土耳其召开，议会与政府开始重视地热能开发利用，地热能产业进入快速发展阶段阶段。
  据2005年国际地热能协会土耳其国家地热报告显示，全球地热发电装机总量合计为9169.2MW，土耳其装机容量仅占0.21%（Simseketal.,2005）。2005年之后私人开发商纷纷涌入地热市场，以佐禄能源公司为例，其承担了克孜勒代尔发电厂项目，总投资达5.7亿美元，其中克孜勒代尔Ⅲ地热发电厂的总装机容量为165MW，已成为土耳其最大的地热发电厂。该公司名下共有4座地热发电厂，总装机容量为305MW，占国内地热装机容量的19%以上。
  2017年土耳其地热发电总装机容量首次突破1GW，世界排名第四，在地热发电的新设施方面已经处于领先地位。2005—2021年，地热发电厂的数量从1个增加至63个（MENR，2021），地热发电装机容量新增1628MW，增速1985.36%，位于世界第一（Mertogluetal.,2020）（图4）。并且还有望继续增加，预计到2025年可能增加至2000MW，总装机容量排名上升至世界第三。
  土耳其在地热能发电世界排名经历了巨大的飞跃，其在直接利用方面的进展也不可忽视。据2005年全球直接利用地热能报告，土耳其地热能直接利用装机容量为1177MW，排名世界第五，近65万m2的温室空间通过地热能进行加热。2015年，这一数字增加到393.1万m2。住宅地热能供暖从65000套住宅增加到114567套（Mertoglu,2005；Melikoglu,2017）。2022年全球可再生能源状况报告显示土耳其的直接利用量仅次于中国（不包含地源热泵），约为4GW（UNEP,2022）。
  3.土耳其地热能产业快速发展原因分析
  土耳其地热能利用虽然起步较晚，但在20多年间实现了地热能利用的快速飞跃，这无疑是一个巨大的发展和成功。经分析以下因素起到了重要的推动作用。
  3.1政府承担前期勘探工作
  在全球范围内，与地热项目的勘探和开发阶段相关的成本和风险使寻找早期融资成为一项挑战。与勘探相关的成本可达项目总成本的15%，本阶段钻井的成功率为50%～59%，平均需要2～3年才能确认地热资源适合发电，巨大的投资风险成为地热开发的阻碍（Oliveretal.,2015）。对此土耳其政府于2009年启动新的地热开发体系：由MTA承担前期的探勘项目，确定合适的地热有利开发区后通过招标发放许可证，由私人生产商进行后续的地热开发工作。截至2013年，在土耳其开发的12个项目中，有11个是政府已经证实该资源适合发电，然后将其投入招标（OliverandStadelmann,2015）。2010—2019年间，土耳其由MTA和私营企业开发的用于地热利用的钻井总计约950口，总深度达1472km（Mertogluetal.,2015，2020）。由此可见，政府承担前期的探勘活动不仅为更好的探明地热资源提供了保障，并且为后续地热利用的快速发展做好了铺垫。
  3.2积极的政策引导
  2005年世界地热大会于土耳其召开的契机，议会和政府认识到了发展地热事业的重要性以及开发本土地热资源的重要意义，并且紧接着就议会立法、出台相关政策。2007年发行的《地热和矿泉水法》（No.5686）是土耳其地热发展的重要里程碑，该法阐明了地热和天然矿泉水资源有效勘探、开发、生产和保护的原则，并允许地热田私有化和地热资源租赁竞标，这为其地热资源的合理有序开发提供了有利的法律保障（GovermentofTurkey,2007）。
  其次，土耳其地热发电装机容量的发展比预期中要快很多，主要是因为上网电价优惠制度的颁布和实施。2001年土耳其政府发布《电力市场法》（No.4628），制定了促进可再生能源发电的法律框架，并提到了诸如上网电价和购买义务、免除小型发电机的许可证义务、减少项目准备费用和土地征用费用等激励措施。2005年颁布了《可再生能源发电法案》（No.5346），针对不同可再生能源分别制定了补贴电价，地热发电为10.5美分/kW·h，采用土耳其本土生产的设备将获得额外的补贴。上网电价优惠政策的实施使地热发电电价比当前市场电价高28%，并确保项目在8年内可实现投资盈利。股本回报率（IRR）由原来的10%提高至11%～14%（OliverandStadelmann,2015）。这一系列激励性措施为地热能投资创造了一个良好的环境，吸引了大量私人投资商进入地热开发市场。
  3.3融资支持
  土耳其银行及金融机构对可再生能源的发展及发电应用给予积极的资金扶持，自2005年以来，土耳其在地热领域的投资成倍增加。2000—2004年期间总投资仅2.3亿美元，2015—2019年期间用于地热利用的投资高达54亿美元（Mertogluetal.,2015），其本土银行为能源公司提供了约510亿美元的贷款，占总贷款的86%。
  土耳其政府还积极寻求国外资金支持，自2010年以来，欧洲复兴开发银行（EBRD）及其融资合作伙伴已向土耳其的14家金融机构提供约25亿欧元贷款，同时提供了近8000万美元的清洁技术基金优惠资金和欧盟的2300万欧元赠款支持（AA,2022）。通过EBRD资助的中型可持续能源融资设施将获得长期、低成本债务，将股本回报率在电价补贴的基础上进一步提高到12%～15%（OliverandStadelmann,2015）。这些融资支持为土耳其包括地热能在内的可再生能源的发展提供了良好的资金保障。
  3.4国际合作与技术引领
  过去二三十年的地热快速发展过程中，土耳其在很大程度上依靠国际技术和经验来推动建设地热发电厂并发展其地热能产业。土耳其作为欧盟成员国参与了国际能源署的5个扩大技术合作计划，并与德国、丹麦、墨西哥等国家建立能源协作伙伴关系，有力促进了土耳其地热能的高效开发和利用（Lewisetal.,2021）。
  此外，土耳其私人企业与高等院校、科研部门等保持良好的合作关系，组织联合研发团队，持续推动地热能勘探开发利用颠覆性技术攻关，加强地热产业装备。在区域供暖方面，建立了变速泵、深井泵、热交换器以及流体管道系统的全流程体系，正确的设计、应用以及合适的技术使得供暖投资在5~8年内实现盈利（Mertogluetal.,2000）。在地热发电方面，土耳其自20世纪80年代第一个双循环地热发电厂被引入后，其中低温发电技术日趋成熟。截至2021年底，土耳其大约有70个独立的双循环系统单元在运行。
  4.中国地热资源及其利用现状
  4.1人口分布特征与能源需求
中国人口分布非常不平衡，呈现出“西部稀疏、东部密集”的态势。改革开放以来，随着经济持续快速发展、人民生活水平日益提高，中国能源需求不断增长，2017年中国能源消费总量44.9亿t标准煤，比1978年增长6.9倍，年均增长5.4%。2021年全年中国能源消费总量52.4亿t标准煤，比2020年增长5.2%。煤炭消费量增长4.6%，原油消费量增长4.1%，天然气消费量增长12.5%，电力消费量增长10.3%。2021年人均用电量达到5500kW·h。
  4.2中国地热资源特征
  中国东部以及西南部分别受中生代以来太平洋板块俯冲效应以及新生代欧亚—印度板块碰撞影响，表现为东部地区的拉张减薄，西部地壳挤压增厚，压扭走滑。在以上板块构造作用机制下，中国大陆地区热流分布总体表现为东高、中低，西南高、西北低的构造格局（姜光政等，2016）。在这样的大地构造背景和区域地热背景下，东部形成了环太平洋台湾地热带，西南形成喜马拉雅地热带（汪集暘等，2019）。除此之外，中国各地遍布中低温地热系统，根据其所属的地质环境与传导方式，分为沉积盆地传导型与隆起山地对流型，均属于板内地热带（陈墨香等，1994）。
  据估中国水热型地热资源量折合标准煤12500亿t，每年可开采量折合标准煤18.65亿t，336个地级以上城市浅层地热资源每年可开采量折合标准煤7亿t。传统水热型地热资源潜力巨大且开发程度不高，具有很大的开发空间。干热岩远景资源量折合标准煤856万亿t，开发前景广阔王贵玲等，2017）。
  4.3中国地热能产业发展历程及现状
  4.3.1地热发电历程及现状
20世纪70—90年代中国先后建成7座中低温地热发电站。1970年在广东省丰顺县邓屋村利用92℃湿蒸汽建成中国第一座地热发电站，装机容量72kW，使中国成为全球第八个利用地热发电的国家。第一座高温蒸汽发电站1976年在西藏羊八井建成，并于1977年成功发电，后来羊八井发电站又装配了8台机组扩充产能，建成了2.518×104kW的总装机容量，持续运行至今。此后三十年中国地热发电发展几乎陷入停滞，中低温地热电厂仅广东丰顺的300kW迄今仍在运行，其余6处都因“高成本，低效率”在完成试验几年后陆续关停。2007年、2009年江西华电电力有限公司江西华电在羊八井电站各新增1MW机组（Zheng,2012）。2017年初中国首个地热专项规划《地热能开发利用“十三五”规划》发布，提出地热发电的指标是新增500MW，仅西藏羊易地热电厂建成一期工程16MW，另外分别实现了四川康定0.2MW、河北献县0.28MW和云南瑞丽1.6MW的地热发电。“十三五”期间共完成新增18.08MW装机容量，只实现了规划指标的3.6%。截至2020年末，国内地热发电装机容量约为54.43MW，世界排名第19名（Huttrer,2020）。近两年干热岩发电研究有所进展，2021年青海共和盆地干热岩勘查试采示范工程实现中国首次发电试验，取得一系列重大技术突破。完成了青海共和干热岩试采井组三井连通试验，初步建立了HDR勘探和生产的全流程工艺体系（Zhangetal.,2022）。此外，山西大同、河北马头营、江苏兴化等多地也相继开展了不同地质背景条件下的试验性发电探索（文冬光等，2023）。
  4.3.2直接利用发展历程及现状
  早在公元前5、6世纪中国就已有利用温泉治病的医疗记载，以利用温泉洗浴、疗养为主。20世纪70年代以后地热能产业开始扩展到温泉洗浴、地热供暖、地热发电等综合性利用阶段。21世纪以来由于政策引导、能源与环境需求，地热能开发利用进程加快。近十年来，中国水热型地热能直接利用以年均10%的速度增长。截至2020年底，全球地热直接利用折合装机量为108GW，中国地热直接利用装机容量达40.6GW，占全球的38%。其中地热供暖装机容量7.0GW，地热热泵装机容量26.5GW，分别比2015年增长138%、125%（陈钦强，2021）。1990年全国水热型地热能供暖建筑面积仅为190万m2，2000年增至1100万m²。据国家地热能中心统计，截至2020年底，供热面积达5.8亿m²。2000年之后中国地热能直接利用量连续多年位居世界首位（马冰等，2021）。
  5.土耳其经验对中国地热能发展的启示
  面对2023年世界地热大会于中国举办的契机，我们与2005年第一次举办世界地热大会的土耳其站在了同一个路口。尽管比土耳其晚了十几年，但于中国而言无疑是一个很好的机遇。本文参考土耳其发展经验，结合中国地热资源特征，对中国地热能发展提出几点建议。
  5.1立法先行，完善管理机制，明确地热开发利用规制
近年来，中国地热能开发利用相关政策措施陆续完善，管理制度初步形成。在中国现行法律体系下，“地热”受三部法律管控。《中华人民共和国矿产资源法》规定“地热”属于能源矿产，但传统的矿产资源具有不可再生性，在实际应用中不能满足地热能大规模勘探开发利用的需要。《中华人民共和国可再生能源法》虽然强调地热能属于可再生能源，但只有原则性规定，缺乏如风能、太阳能具体可落地的管理手段和措施（自然资源部，2018）。
  此外《中华人民共和国水法》规定“地下热水”属于水资源。各省政府对于地热资源与水资源的划分尚存在争议。《天津市地热资源管理规定》中明确“热水型地热系指流温在40℃（含40℃）以上的地下热水”“取用40℃以下地下热水的，按有关规定申办《取水许可证》并交纳地下水资源费”。河北省、北京市、辽宁省丹东市等地都将浅层地下热水作为水资源进行管理。而重庆市、山东省东营市等地却将其作为矿产资源进行规制，甚至同一省份不同市、不同部门对于浅层地热资源属性划分持截然不同的观点。地热定义的模糊性导致的相关管理条例的复杂性，增加了政府的管理成本和企业的行政负担，因此急需国家部门对地热资源开发管理章程作出统一规定，出台专门的地热法。2007年土耳其政府颁布了《地热资源与天然矿泉水管理法案》及其实施细则，涵盖了包括勘探、钻井、生产和利用在内的地热开发利用的各个方面，对土耳其地热资源的勘探开发利用进行了规范，使地热资源开发利用有章可循、有法可依。中国也需要建立全面系统、完善的资源勘查与评价、环境监测与管理体系，制定地热能开发管理办法。明确取水与取热边界，加强市场监管。
  5.2政策激励、补贴支持，充分调动企业积极性
  地热资源开发具有初期投资大、开发周期长、回收成本慢等特点，严重制约地热资源开发。因此中国在大力提倡发展清洁能源的同时，也应当充分借鉴土耳其经验，出台具有针对性的激励措施。
  对于地热发电产业而言，目前我国不仅没有明确的电价激励措施，还面临被征收资源税。2020年 9月1日实施的《中华人民共和国资源税法》中规定，“地热”和“矿泉水”应当依法缴纳资源税和矿产资源补偿费。按照1%～20%或每立方米1～30元的税率，西藏羊易地热电站发电项目甚至每年还要缴520万元的地热资源税（郑克棪和郑帆，2020）。
  在地热能开发投资方面，中国对于地热能开发利用的投资要小于土耳其，并且投资分配不均衡。按照土耳其经验，中国需要脱离矿产资源法、取消地热资源税，对地热发电实施电价补贴。对于利用地热资源进行供暖、农业种植、烘干等产业的企业或者单位加大优惠政策倾斜，给予一定的补贴支持，充分调动各方积极性，加快地热产业发展。
  5.3因地制宜、科学布局，合理开发利用
  中国西南部与土耳其西部同属于地中海—喜马拉雅地热带，不同之处在于土耳其西部人口密集，工业产业发达，用电量大，高温地热发电后就地利用，极大节约了成本。中国地热资源分布不均衡，高温地热资源主要分布在藏南—川西—滇西地区和中国台湾地区，人口相对较少，用电需求相对较低。在地热开发利用过程中应当充分考虑地域差异与需求，做到因地制宜。
  西藏、川西等地，煤、石油、天然气等资源极端匮乏，社会经济发展相对落后。在建设高温地热发电项目以及中低温地热发电试验的同时，积极开展地热在区域供暖、观光、农业等领域的应用，最大限度利用地热资源，与风能、太阳能等当地可再生资源结合，逐步满足当地生产生活需要。在京津冀等北方城镇推广中深层地热能集中供暖，长江中下游地区推广地源热泵供热、制冷应用等。
  5.4国际合作，科技创新驱动高质量发展
  中国地热资源条件与土耳其类似，地热资源潜力以及发电潜力均高于土耳其，发电装机容量却远小于土耳其。除地热资源与人口分布不均衡外，主要原因之一是对于中低温发电的重视程度不够。
  尽管在20世纪70年代就创造了67℃最低温度地热水发电的世界纪录，但之后经历了几十年的停滞期，地热发电排名不进反退。由于长期停滞发展使中国的地热发电技术较为落后。依据土耳其经验。其从世界银行、欧洲复兴开发银行等处获得了融资贷款，并且获得了一系列技术援助。欧洲复兴开发银行还与土耳其能源和自然资源部密切合作，帮助制定了该国首个国家可再生能源行动计划。
  因此我们应当充分借鉴世界先进水平国家的技术经验，加强国际交流，积极开展国际合作，进行地热发电技术与投资方面的交流与输出，助力地热资源利用发展进步。此外，中央财政和地方财政应设立地热能资源调查和科技创新重大专项资金，加大对地热能勘探开发利用核心关键技术研发的投入力度，加强地热能专用设备和特种技术的研发。
  5.5增强公众意识，提高地热资源认知度
  公众因素是地热开发中最重要的社会因素。近年来，随着科技、互联网和通信的发展，公众对生活质量的关注度提高，更加重视中国政府的决策和重要战略。相比于风能与太阳能，公众对于地热能的认知度和接受度比较低（Liuetal.,2018）。土耳其政府在这方面正采取一些积极有效的措施，设法使民众参与到地热能利用相关决议中，以获得当地社区对该项目的想法、问题和建议（Sahilleretal.,2021），这对于地热能活动的开展以及推广起到了很大作用。因此应当积极开展地热能科普活动，提升公众素养，增强社会对于地热能利用的意识。鼓励和吸引更多年轻人投身地热能利用领域，将有助于加速地热能的有效利用。
  6.结论
  （1）土耳其处于地中海—喜马拉雅地热带，地热资源丰富，水热型地热资源潜力（0~4km）为60000MW，中低温地热资源占比达90%，用于发电、区域供暖、农业、旅游以及疗养等。地热发电潜力为4500MW，自2005年土耳其举办世界地热大会以来，其地热能产业飞速发展，至2021年底土耳其地热发电站由1个增至63个，装机容量达1.7GW，世界排名第四。中国高温地热资源主要分布在藏南—川西一带以及中国台湾地区，中低温地热资源则在全国范围内广泛存在。地热能直接利用量自2000年以后连续多年排名世界第一，但地热发电进展缓慢。
  （2）21世纪以来，土耳其政府大力支持地热能产业发展，政府承担前期勘探工作，有效降低企业开发风险；通过政策引导、立法补贴，提高开发企业积极性，降低投资成本；给予融资支持，为地热能发展提供资金保障；开展国际合作，提升技术水平，有力促进地热能高效开发利用。
  （3）分析土耳其地热能产业发展原因，结合中国实际，建议政府立法先行，完善管理机制，明确地热开发利用规程；政策激励、补贴支持，充分调动企业积极性；科学布局，实现地热产业高效发展；加强国际交流，助力技术进步；增强公众意识，提高地热能认知度。

  摘自《中国地质》2023年5期