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干热岩可供中国使用3900年?可燃冰可供100年?这几个问题你被忽悠了!

2017-11-07 13:18     军事     来自:瞭望智库



最近几个月来,中央电视台等主流媒体和许多社交媒体都报道了我国在两种新能源可燃冰和干热岩方面的重大突破[1]。大多数人以前对这两种能源并不是很熟悉,看了这些报道后感到非常兴奋。我国取得的这些突破的确具有十分重要的意义,对推动我国能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。但是,从科学的角度来看,很有必要对这些新闻报道以及这两种新的清洁能源进行正确的分析和认识。


文 | 李克文 中国地质大学(北京)教授   

本文来源“北京大学国际战略研究院”(ID:PKU-IISS),不代表瞭望智库观点。


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汽车一次加100升可燃冰能跑多少公里?




2017年5月18日,我国在南海神狐海域首次成功试采可燃冰。据央视报道:“若一辆使用天然气为燃料的汽车,一次加100升天然气能跑300公里,加入相同体积的可燃冰,这辆汽车能跑5万公里”,不少新闻媒体也纷纷转载。看到这一报道,不少人兴奋不已。汽车跑5万公里是什么概念?简单地说,一般家用汽车加一次可燃冰,2-5年不用添加燃料了。那么,汽车一次加100升可燃冰到底能跑多少公里?一立方米的可燃冰分解后可释放出大约0.8立方米的水和164立方米的天然气(标准状态下)。那么,100升可燃冰可以得到16.4立方米的天然气(标准状态下)。1立方米的天然气大约相当于1.17升汽油, 这可以让普通小汽车行驶大约10-15公里。按此推算,汽车一次加100升可燃冰(即相当于16.4 立方米的天然气)能跑大约160到250公里,并不是5万公里。


2

可燃冰可供我国使用多少年? 




根据国土资源部提供的数据,全国可燃冰的地质资源量相当于1000亿吨石油。不少报道指出,按照当前我国能源使用量粗略估算,可燃冰可供我国使用一百年以上。这个前提假设是所有这些可燃冰能够100%开采出来,且全国能源年消费总量也不是基于2016年的数据。我国2016年全年能源消费总量初步核算为30.5亿吨石油。由此可知,如以我国2016年的能源消费总量作为基数来计算,可燃冰(相当于1000亿吨石油)可供全国使用33年左右。而实际上,地质资源量不等于可采储量,是不可能100%开采出来的。那么,多少比例(采收率)的可燃冰能够开采出来?对于这个问题,目前没有明确的、可靠的答案。这是因为,这是我国第一次进行可燃冰试采,国际上已经开展可燃冰试采的国家也为数不多;何况所有国家,包括我国在内,都已经停止开采可燃冰了。另外,值得注意的是,可燃冰的地质资源量也存在一定的不确定性,尤其是在目前探井非常少的情况下。

3

可燃冰何时能够实现商业化开采?




目前,可燃冰的开采方法主要有以下几种:(1)热采法;(2)减压法;(3)化学剂注入法;(4)CO2置换法;(5)混合开采法。目前,有专家认为可燃冰的开采在技术上是可行的,而实际上,断定可燃冰的开采技术已经可行或者成熟还为时过早。除了技术问题,另外一个困难是环境问题。可燃冰不像常规天然气或者页岩气那样储存在坚硬的岩石中,储层上部也不是致密岩石构成的高强度盖层,而是海水或者强度很低的地层。由于这一特征,在开采过程中,可燃冰中的甲烷可能不按照设计流经井筒采出,而有可能通过其它位置大量逃逸到海水、大气中,这将产生新的环境问题(加剧温室效应)。另外,海底可燃冰储层甲烷的大量分解也会降低海底地层强度,诱发大规模的海底滑坡甚至海啸等灾难,毁坏海底工程设施。


关于可燃冰何时能够实现商业化开采有不少预测和报道,目前的一般看法是还需要15到20年,大约要在2030年以后才行。最近还有专家预计,2030年可燃冰的产能可以达到10亿立方米。事实上,任何预测都有不确定性。其实,2003年也有专家预测15年后,即2018年,能够实现可燃冰的商业化开采,现在看来肯定是无法实现的。实现可燃冰商业化开采的影响因素很多,包括开采技术的先进性、经济性(开采成本)、可持续性、环境问题,以及与其它能源的成本可竞争性等。如果国际石油(50美元/桶左右)和天然气价格徘徊在目前水平甚至更低,即使可燃冰开采技术有革命性的突破,商业化开采的时间也可能大幅度推迟。反之,则有可能提前。


4

干热岩资源可供我国使用多少年?




根据国土资源部中国地质调查局的数据,我国地壳3-10千米深处陆域干热岩资源量为856万亿吨标准煤,“根据国际标准”,以其2%作为可采资源,全国陆域干热岩可采资源量达17万亿吨标准煤,与美国的资源量约在同一数量级。以我国2016年全年能源消费总量大约43.6亿吨标准煤作为基数来计算,干热岩的可采资源量可供我国使用3900年左右,这比可燃冰的可使用年限要多几百倍。不过,有关报道中所说的2%“国际标准”,并不是真正意义上的国际标准,而是目前国际上该领域的专家在无法确定干热岩地质资源量有多少比例能够开采出来的情况下,假定的一个可采系数下限,上限假定为40%。如果按照可采上限40%来计算,那么干热岩的可采资源量可供我国使用几万年。


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干热岩的发电成本是多少?




根据央视报道,干热岩发电不受季节、气候约束,发电成本是风力发电的1/2,太阳能发电的1/10。不受季节、气候的影响的确是干热岩发电相对于太阳能、风能发电的重要优势。但干热岩的发电成本,无论是从度电成本还是初期投资成本的角度来看,很多人认为明显有问题。这可能是因为干热岩、风力与太阳能光伏发电系统的等效可用系数差别很大[2],对应系数分别是90%、20%、15%左右,不同的地区有一定的差异。以太阳能为例,一天24小时大约只有8小时有比较强的阳光,一年365天不太可能天天出太阳,没有太阳时,光伏发电站就不能发电。这就是为什么一个装机容量为100兆瓦的太阳能光伏系统大致等同于一个15兆瓦的地热发电厂。目前风力发电单位千瓦成本在7000-8000元,而光伏发电系统的成本(包括光伏组件、开发成本和工程成本)单位千瓦大约在8000-10000元。如果折算到100%的等效可用系数,目前风力和光伏发电系统的等效功率成本分别是每千瓦35000-40000元、53000-67000元。干热岩发电的成本估计要复杂的多,这是因为干热岩发电成本受干热岩储层的温度以及深度的影响很大(流体到达地面的温度不同,因而发电效率不同)。目前常规地热(水热型)发电系统的总成本(包括钻井和地面发电设备等)大约在每千瓦20000-30000元之间,具体取决于热储的温度、深度和岩石渗透率等。如果折算到100%的等效可用系数,常规地热发电系统的总成本仍然要比风力和光伏发电的低得多。值得注意的是,地热发电后流体还可以用来进行供热、洗浴等梯级利用,如果考虑这一部分经济效益,常规地热开发系统的经济性还要提高。但是,因为干热岩没有水,其发电成本的估算更加复杂,可能在每千瓦50000元左右。


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干热岩地热能何时能够实现商业化开采 




干热岩地热能的开采方法主要是所谓的增强地热系统方法,即EGS(Enhanced Geothermal System)方法。该方法的工艺过程大致是:通过钻井在干热岩储层中建成对井(生产井和注入井)系统,在对井间储层进行压裂后,通过注入井注水,水与岩体接触被加热后返回地面进行发电或梯级利用,冷却后的地热水则重新注入热储进行循环,从而在生产井-热储-注入井之间形成人造热交换与流体循环系统,实现地热能的高效开发与利用。


近几年来,国际上地热能的应用和发电技术发展非常迅速,全世界已安装的常规地热发电装机容量目前已达1.3万兆瓦以上,而我国只有27兆瓦左右,在全世界利用地热发电的24个国家中仅仅排名第18位,与美国等发达国家的差距非常大。到目前为止,我国还没有干热岩发电站。国际上最著名的是法国的Soultz干热岩发电站,已经连续运行多年目前来看,干热岩发电在技术上是可行的,关键问题是钻井成本。但是,如前所述,干热岩发电系统的总成本在考虑等效可用系数的情况下要比光伏发电的低。也就是说,如果国家给予干热岩发电类似于光伏发电的补贴等优惠政策,利用现有的技术目前就可以开展较大规模的干热岩开采。当然,这还要取决于热储温度等多个具体参数。


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结束语




在各种报道中,时常提及我国的太阳能光伏发电、风力发电国际第一、甚至我国地热能的直接利用也是全球第一,这些报道给人的感觉是我国在清洁能源的利用领域领先其它所有国家。这些数据和国际排名是事实,的确令大家十分振奋。可是,从另外一个角度来看,既然我国清洁能源的利用这样先进、规模这样大,为什么我国(尤其是京津冀地区)以雾霾为主要困扰的环境问题仍旧十分严重?其实,如果上述数据以人均方式计算,我国的排名就非常靠后了,这一疑惑也就不难理解了。由此可以看出,对很多报道和数据,我们要理性地、科学地看待。



[1]可燃冰:顾名思义是可以燃烧的冰,其科学名称为天然气水合物,也称甲烷水合物,分子式为CH4∙8H2O,是由水和天然气(甲烷含量占80%~99.9%)在高压、低温情况下形成的类冰状结晶物质,因此又称为可燃冰。干热岩:通俗地讲,是干的、热的石头。科学定义:是温度大于200摄氏度,埋深1千米以上,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。

[2]等效可用系数:电站全年发电运行小时数除全年小时数。


延伸阅读:


党中央国务院连发贺电,可燃冰到底是啥历史性的突破!这篇文章说清楚了


今天上午,新华社发布了一条简短的快讯:中国首次海域天然气水合物(可燃冰)试采成功。虽然只有短短十几个字,但这其中的分量不言而喻。


消息一出,贺电随之从祖国四面八方传来。


 

面对这个历史性的突破,不仅广大网友欢呼雀跃,中共中央、国务院都发来了贺电!

 

新华社北京5月18日电


中共中央、国务院对海域天然气水合物试采成功的贺电


国土资源部、中国地质调查局并参加海域天然气水合物试采任务的各参研参试单位和全体同志:


在海域天然气水合物试采成功之际,中共中央、国务院向参加这次任务的全体参研参试单位和人员,表示热烈的祝贺!


天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源,是未来全球能源发展的战略制高点。经过近20年不懈努力,我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新,实现了历史性突破。这是在以习近平同志为核心的党中央领导下,落实新发展理念,实施创新驱动发展战略,发挥我国社会主义制度可以集中力量办大事的政治优势,在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得的重大成果,是中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就,对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。


海域天然气水合物试采成功只是万里长征迈出的关键一步,后续任务依然艰巨繁重。希望你们紧密团结在以习近平同志为核心的党中央周围,深入学习贯彻习近平总书记系列重要讲话精神特别是关于向地球深部进军的重要指示精神,依靠科技进步,保护海洋生态,促进天然气水合物勘查开采产业化进程,为推进绿色发展、保障国家能源安全作出新的更大贡献,为实现“两个一百年”奋斗目标、实现中华民族伟大复兴的中国梦再立新功!


中共中央    

国务院     

2017年5月18日

 

这件事儿为什么受到如此重视呢?这还要从可燃冰自身说起。


文 | 库叔

本文由瞭望智库综合。


啥是可燃冰?


可燃冰,学名天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate),是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质,主要成分是甲烷和水分子。从外形上看,可燃冰就像是白色或浅灰色的冰雪晶体。这时候如果有火源,它就可以像固体酒精一样被点燃,所以被称为“可燃冰”。



可燃冰有何开发价值?


可燃冰的能量密度非常高。同等条件下,可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍。事实上,1立方米的可燃冰可以分解释放出160立方米以上的天然气。由于能量密度大,如果一辆使用天然气为燃料的汽车,一次加100升天然气能跑300公里的话,那么加入相同体积的可燃冰,这辆车就能跑5万公里。


由于可燃冰是天然气和水的化合物,燃烧后仅会产生少量的二氧化碳和水,与煤、石油等传统化石能源产生大量污染相比不可同日而语,是真正的绿色能源,被誉为“21世纪最具商业开发前景的绿色清洁战略能源”。

 

哪里能找到可燃冰?


可燃冰的生成需要三大条件:气源、低温、高压。因此目前发现的可燃冰资源主要分布在海底0-1500米深的大陆架以及北极等永久冻土地区。


可燃冰储量巨大。从世界范围来看,目前全球已探明可燃冰所含有机碳资源总量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍,被国际公认为石油、天然气的接替能源。



在我国可燃冰资源十分丰富,主要分布在南海、东海海域,以及青藏高原、东北的冻土区。据粗略估计,仅南海北部陆坡的可燃冰资源就达到186亿吨油当量,相当于南海深水勘探已探明油气储量的6倍,达到我国陆上石油资源总量的50%。通过勘查,2016年,在我国海域,已圈定了6个可燃冰成矿远景区,在青南藏北已优选了9个有利区块,据预测,我国可燃冰远景资源量超过1000亿吨油当量,潜力巨大。而此次试开采地点,正是位于距离香港285公里的南海北部神狐海域水深1266米海底下200米的海床中。


请戳视频



为何说此次试开采意义重大?


尽管可燃冰有巨大的能源优势和巨大的储量,但是它的开采却极为困难。由于独特的形成可燃冰要么深埋于寒冷的多年冻土层之下,要么藏身于深海地层当中,给开发利用造成了巨大的困难。


美、俄、日等国是可燃冰开发研究较早的几个国家,如美、俄两国早在上世纪60年代就开始了可燃冰开发的研究。即便如此,在此之前世界上还没有一个国家在海域可燃冰试开采领域取得成功。


早在2013年时,我们的主要竞争对手日本就曾经尝试开采可燃冰。当时虽然他们成功开采产气,但6天之后,由于泥沙堵住了钻井通道,他们的试采被迫停止。

 


而根据外媒的报道,就在今年5月4日,日本人则重新开始了第二次尝试,并于当日再次成功产气。但这次尝试已经在5月15日早些时候被迫中断,原因同样是钻井通道一直有泥沙灌入,不断在干扰开采工作。最终他们在6天的时间里从开采的可燃冰中提取了12万方的天然气。


 

(截图来自日本“石油天然气和金属矿物资源机构”官方信息)


国土资源部中国地质调查局副局长李金发介绍说,试开采成功的标准,第一是每日试采的取气量要达到一万方以上,第二是连续产气一周。而我国此次试开采从5月10日正式出气试点火成功,到目前为止,已经连续开采八天,日产超过一万方以上,最高日产达到了3.5万方,并且连续稳定出气,所有的指标都超过了预定目标。试开采总量已经超过12万方,可以说已经打破了日本的记录。


所以我国是世界海域天然气水合物开发成功的第一个国家,是绝对的领跑者!这样的意义怎能说不重大?难怪连中央都发贺电呢!

 

 

(综合自新华社、央视新闻、观察者网、环球时报)


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