地大熱能：為緩解能源進口依賴、推進碳中和目標，日本正從技術創(chuàng)新和綠色共享兩個方面發(fā)力地熱發(fā)電。

自2011年3月福島第一核電站輻射泄漏事故發(fā)生以來，日本核電發(fā)電量大幅減少，對天然氣等化石燃料依賴增強。今年，西方國家對俄羅斯制裁措施引發(fā)能源市場震蕩，日本用作火力發(fā)電廠燃料的進口液化天然氣供應受到影響。
 

為找尋安全有效的綠色能源解決方案，日本將目光瞄向了地熱能。

已開發(fā)上百年

地熱資源發(fā)電幾乎不排放二氧化碳，且不受天氣、晝夜、季節(jié)變化限制，能源利用系數(shù)高，設備使用壽命長，是發(fā)電量較為穩(wěn)定的綠色可再生能源。日本地處環(huán)太平洋火山帶，地熱資源豐富，據(jù)推測發(fā)電潛能達2300萬千瓦，居世界第三位。
 

日本的地熱資源開發(fā)始于100年前。1919年，日本地熱發(fā)電先驅山內萬壽提出“石油、煤炭終將枯竭”的觀點，探尋地熱作為替代能源，并在大分縣別府市挖掘出噴氣孔。1925年，日本在該噴氣孔首次實現(xiàn)地熱發(fā)電，當時裝機規(guī)模僅1.12千瓦，持續(xù)了18個月。
 

由于二戰(zhàn)結束后電力供給不足，日本在大力建設水力和火力發(fā)電工程之外，還展開了地熱發(fā)電相關的調查研究。1966年10月，日本第一家蒸汽式地熱發(fā)電廠——松山地熱發(fā)電廠投產(chǎn)，裝機規(guī)模9500千瓦；1967年8月，采用汽水分離方式發(fā)電的大岳發(fā)電廠也開始運轉。

受20世紀70年代石油危機影響，通商產(chǎn)業(yè)省啟動了“陽光計劃”，日本國內地熱開發(fā)日漸興盛。至1996年，日本地熱發(fā)電設備的裝機總容量達50萬千瓦，數(shù)十家發(fā)電廠規(guī)模超1萬千瓦，達到世界頂尖水平。
 

隨著石油價格趨于穩(wěn)定，日本1997年發(fā)布的《新能源法》將地熱剔出新能源目錄，相關預算也大幅減少，日本地熱開發(fā)進入停滯期。2006年，日本資源能源廳重新將地熱資源歸入新能源與可再生資源概念。同年，日本首個二進制式地熱發(fā)電廠——八丁原地熱發(fā)電廠運行，發(fā)電裝機規(guī)模2000千瓦。
 

2011年福島核事故后，日本加速可再生能源開發(fā)，政府開始加大對地熱發(fā)電的扶持，措施包括放寬國立公園地熱開放限制、引入固定價格收購制度、提供資金援助等。2014年，聚集于九州地區(qū)的小規(guī)模地熱發(fā)電廠相繼投產(chǎn)運行，發(fā)電裝機規(guī)模達數(shù)十至數(shù)百千瓦。2019年1月，松尾八幡平發(fā)電廠啟動運轉，發(fā)電裝機規(guī)模7500千瓦；同年5月，時隔23年新建的大型地熱發(fā)電廠——山葵澤發(fā)電廠投產(chǎn)，發(fā)電裝機規(guī)模達4.6萬千瓦。

2021年4月，日本環(huán)境省發(fā)布“地熱開發(fā)加速計劃”，計劃2030年實現(xiàn)地熱發(fā)電設施數(shù)量倍增，并縮短地熱開發(fā)準備時間——由10年以上縮短至最低8年。同年6月，內閣決定實施“規(guī)制改革實施計劃”，包含推進與地熱開發(fā)相關的《自然公園法》《溫泉法》《森林法》的“規(guī)制緩和”。

日本81.9%的地熱資源集中于國立公園等區(qū)域內，在這些區(qū)域建立地熱發(fā)電設施與《自然公園法》沖突。
 

日本的國立公園被分為“特別保護地區(qū)”以及第一類、第二類、第三類特別地區(qū)、普通地區(qū)。2012年環(huán)境省提出，原則上不允許在第二類、第三類特別地區(qū)設置地熱發(fā)電廠，經(jīng)單獨審查的優(yōu)秀項目可獲許可；允許在不破壞地表自然景觀的情況下，從區(qū)域外傾斜式開發(fā)第二類、第三類特別地區(qū)地熱資源。2015年，環(huán)境省將傾斜式開發(fā)范圍擴大至第一類特別地區(qū)。2021年9月，環(huán)境省進一步放松限制，與地區(qū)環(huán)境和諧共生的優(yōu)秀發(fā)電項目，經(jīng)單獨審查可予以批準。

開發(fā)面臨的困境
 

日本“第六次能源基本計劃”提出，2030年實現(xiàn)地熱發(fā)電能力增加2.7倍、發(fā)電規(guī)模160萬千瓦。但當前，日本發(fā)展地熱發(fā)電依舊面臨各方面掣肘。日本地熱資源利用率僅為2.6%，發(fā)電設備容量排在地熱資源量前十位國家的末位，2011年以來地熱發(fā)電總量不增反減，發(fā)電規(guī)模超1萬千瓦的僅有山葵澤發(fā)電廠一座。業(yè)內人士表示：“以當前進度看，2030年目標幾乎不可能達成?！?br /> 

一是開發(fā)周期長。地熱發(fā)電廠投產(chǎn)前，需經(jīng)歷初期調查（約5年）、挖掘勘探與噴氣試驗（約2年）、環(huán)境評估（約3年）、發(fā)電廠建設（約3年）四個階段，開發(fā)周期長達10年以上。
 

二是開發(fā)成本高。日本地熱資源大多位于地形陡峭的火山地帶，大型器械使用受限，建設鉆井基地、發(fā)電廠的成本高于海外。每鉆一口井需花費3億～5億日元（1日元約合0.05元人民幣）。西日本技術開發(fā)公司前社長金子正彥推算，日本地熱發(fā)電廠建成到投產(chǎn)的成本達10～18日元/千瓦，而美國為5～9日元/千瓦、新西蘭為3～5日元/千瓦。
 

三是開發(fā)風險大。鉆井成功率低，經(jīng)常會出現(xiàn)鉆探多口地熱井卻未獲得足夠地熱流體（熱水、蒸汽或其他載熱氣體）的情況。

例如，富山縣立山火山口內的地熱發(fā)電計劃始于2015年，已投入13億日元，2017年完成的初期調查結果顯示“有建立大規(guī)模發(fā)電廠可能”，但2021年挖掘勘探結果顯示“發(fā)電規(guī)模僅3600千瓦”，不足“7600千瓦”可實現(xiàn)盈利規(guī)模的一半。相關負責人表示，該地區(qū)地熱資源很難實現(xiàn)商業(yè)化。

四是存在一定技術難點。日本的地熱發(fā)電機器技術已十分成熟，東芝、富士電機、三菱動力生產(chǎn)的地熱發(fā)電渦輪機占世界67%的份額。但地熱貯留層的探查、開發(fā)、管理技術仍是難題。

20世紀對地熱資源量的預測過高，同時并未預見普遍出現(xiàn)的蒸汽量減少的情況。若貯留層壓力不足，不得不挖掘補充井，或降低發(fā)電設備容量。例如，2017年柳津西山發(fā)電廠的設備容量由650千瓦降至300千瓦。

五是遭遇多個社會群體反對。一方面，眾多自然保護團體擔憂地熱資源開發(fā)會破壞環(huán)境，回灌水處置不當會威脅動植物生存、污染地下水，因此不斷提出反對意見。
 

另一方面，地熱資源豐富的地區(qū)往往是溫泉業(yè)集中的地區(qū)，各地溫泉協(xié)會、旅館經(jīng)營者擔心地熱開發(fā)導致溫泉枯竭，對溫泉鄰近地區(qū)的地熱開發(fā)表示反對。

例如，日本電源開發(fā)公司曾計劃在熊本縣小國町開發(fā)大規(guī)模地熱發(fā)電廠，因遭當?shù)鼐用穹磳τ?002年撤資。日本石油天然氣金屬礦產(chǎn)資源機構（JOGMEC）地熱調查顯示：同一地區(qū)開發(fā)很難保證未來不產(chǎn)生影響，要獲得地方溫泉從業(yè)者理解不是一朝一夕的事情。

未來動向

為緩解能源進口依賴、推進碳中和目標，日本正從技術創(chuàng)新和綠色共享兩個方面發(fā)力地熱發(fā)電。

一是超臨界地熱資源的開發(fā)。“超臨界水”存在于火山地帶深處的巖漿附近，位于地下3000～5000米處，較一般地熱資源深1000～3000米，其高溫高壓特性能增加單位發(fā)電量。

2015年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）啟動了超臨界地熱資源研究項目；2017年，聯(lián)合東北大學、東京大學、九州大學、京都大學等15家機構，共同調查超臨界地熱發(fā)電可行性；2018年，聯(lián)合評估了超臨界地熱資源量，探討了挖掘勘探的可行性與必要性；2020年，針對北海道后志、巖手縣仙巖與八幡平、大分縣肥田、秋田縣湯澤市南部地區(qū)，制訂了詳細挖掘勘探計劃；2022年3月，東京工業(yè)大學研究團隊利用電磁波探測法，已成功確定秋田縣湯澤市南部地區(qū)“超臨界水”分布情況；2022年10月，日本大同特殊鋼公司著手研發(fā)用于超臨界地熱資源開發(fā)的熱穩(wěn)定和耐腐蝕合金，以及相應的密閉技術。
 

二是地熱勘探和開發(fā)技術的研發(fā)。JOGMEC與NEDO一直在推動地熱勘探和開發(fā)技術研發(fā)，包括：提供空中物理探查、地熱孔調查幫助，縮短初期調查時間；提高地下結構探測精密度，開發(fā)地下斷層三次元可視化技術；利用地面高壓注水維持投產(chǎn)后蒸汽量；提高地熱發(fā)電利用率等。截至2021年8月，JOGMEC與NEDO已為90個地熱開發(fā)項目提供了援助。
 

同時，民間企業(yè)也在進行技術研發(fā)。三菱綜合材料公司等共同研發(fā)了帶有增強刀片的鉆頭，可減少10%的鉆井時間與成本。
 

2021年8月，地熱技術開發(fā)公司與大成建設公司共同研發(fā)出“碳循環(huán)二氧化碳地熱發(fā)電”技術。該技術是對增強性地熱系統(tǒng)（EGS）技術的升級，用高溫二氧化碳代替熱水驅動渦輪發(fā)電，最后將降溫后的二氧化碳注入地下循環(huán)。計劃最早于2026年現(xiàn)場試驗，2036年實現(xiàn)實際應用。

2022年6月，東京電力可再生能源部門與三井石油開發(fā)公司聲稱，已掌握將開發(fā)周期縮短至5年的地熱開發(fā)技術，計劃2028年在關東地區(qū)實現(xiàn)商業(yè)化。
 

三是打造地域循環(huán)共生圈。結合區(qū)域內“六次產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造”，促進居民接受地熱開發(fā)，實現(xiàn)地產(chǎn)地消和二次利用，建設環(huán)境友好的地域循環(huán)共生圈。
 

例如，湯澤市定期舉辦“地熱資源活用協(xié)議會”，構建了開發(fā)人員與當?shù)鼐用裰g的對話平臺；八丁原發(fā)電廠將發(fā)電后的剩余蒸汽無償提供給周邊居民，用于供暖和洗?。粚m城縣大崎市菅原旅館利用鳴子溫泉實現(xiàn)了65千瓦小規(guī)模發(fā)電，供旅館運營之外每月還可獲得100萬日元售電收益；菅原二進制式地熱發(fā)電廠向當?shù)刂Ц墩羝褂觅M；巖手縣八幡平市的高橋一行成立了地熱染色研究所，利用地熱蒸汽硫化物染色，成為吸引游客振興地域經(jīng)濟的手段；松山發(fā)電廠利用地熱建立藍莓溫室等。

四是積極參與海外地熱發(fā)電項目。例如，2022年，住友商事公司與國際石油開發(fā)帝石控股公司追加了針對印度尼西亞的地熱開發(fā)投資，計劃2025年建成發(fā)電裝機2.2萬千瓦、世界最大規(guī)模的地熱發(fā)電廠；同年8月，東芝能源公司與肯尼亞電力公社簽訂備忘錄，將合作運營東非地區(qū)的地熱發(fā)電廠；10月，日本中部電力公司宣布向加拿大初創(chuàng)公司“曾經(jīng)技術（EVER TECHNOLOGIES）”投資數(shù)十億日元，希望活用該公司“利用熱水將低沸點物質汽化”技術，在缺乏足夠水分和蒸汽的地域開發(fā)地熱發(fā)電。

（劉云系中國現(xiàn)代國際關系研究院副研究員、時事出版社副社長；徐玥供職于南開大學日本研究院）

來源：2022年12月28日出版的《環(huán)球》雜志 第26期