日本地?zé)岚l(fā)電現(xiàn)狀及技術(shù)進(jìn)展研究

李前喜

（貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 工商管理學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

眾所周知,日本處于環(huán)太平洋火山帶,是一個(gè)地震災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家,擁有較多的溫泉地?zé)豳Y源。從表1所示的世界地?zé)崮茉捶植紶顩r來(lái)看,日本僅次于美國(guó)和印度尼西亞居全世界第3位,其地?zé)岚l(fā)電站主要分布在火山以及地?zé)醿?chǔ)藏地域,東北與九州等地區(qū)集中度較高。國(guó)內(nèi)最大的發(fā)電設(shè)施是大分縣八丁原發(fā)電站,標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電量為11 MkW,國(guó)內(nèi)最初商用發(fā)電的是巖手縣松川地?zé)岚l(fā)電站,約有50年以上的運(yùn)營(yíng)歷史。據(jù)2019年9月的數(shù)據(jù),日本全國(guó)地?zé)岚l(fā)電站有66座、87個(gè)設(shè)施,設(shè)備容量合計(jì)約54 MkW,發(fā)電能力約為2 472 GW·h,計(jì)劃在2030年發(fā)電容量擴(kuò)大3倍[1]。

表1 世界主要國(guó)家地?zé)豳Y源量與發(fā)電設(shè)備容量(單位:MkW)

1 日本地?zé)岚l(fā)電的歷史

日本戰(zhàn)后面臨著恢復(fù)經(jīng)濟(jì)以及電力供給不足的巨大課題,政府在推動(dòng)水力和大型火力發(fā)電設(shè)施建設(shè)的同時(shí),也致力于地?zé)釋?shí)用化調(diào)查和技術(shù)研究開(kāi)發(fā)。1966年日本建設(shè)的第一座熱蒸氣型發(fā)電站,在巖手縣的松川開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),緊接著第二年大分縣的蒸汽熱水混合型的大岳發(fā)電站也開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)。也正是由于這兩座發(fā)電站的成功運(yùn)行,日本地?zé)衢_(kāi)發(fā)與利用有了良好的開(kāi)端。特別是20世紀(jì)70年代,在以兩次石油危機(jī)為契機(jī)的石油替代能源政策的推動(dòng)下,地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)也迅速擴(kuò)大。地?zé)岚l(fā)電也是國(guó)家的支援對(duì)象,逐步形成以東北、九州地區(qū)為中心,相繼建成了很多地?zé)岚l(fā)電站,1996年獲得地?zé)嵩O(shè)備認(rèn)可輸出量就達(dá)到了50 MkW。但是,隨著世界石油價(jià)格的穩(wěn)定,從1997年開(kāi)始能源政策發(fā)生變化,對(duì)于地?zé)岚l(fā)電的政府預(yù)算也開(kāi)始減少,導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間不能進(jìn)行開(kāi)發(fā),地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目也進(jìn)入了停滯期。

改變這種狀態(tài)的是2011年?yáng)|日本大地震,福島核電廠爆炸導(dǎo)致全國(guó)核電廠關(guān)停安檢引發(fā)嚴(yán)重能源危機(jī),地?zé)岚l(fā)電也再次受到關(guān)注。2012年,各種各樣的可再生能源成為政府固定價(jià)格收購(gòu)對(duì)象,地?zé)岚l(fā)電也納入了收購(gòu)范圍。通過(guò)達(dá)到收購(gòu)制度認(rèn)可條件后,就可享受政府規(guī)定的電力收購(gòu)價(jià)格,這也極大地促進(jìn)擴(kuò)大可再生能源產(chǎn)能的機(jī)會(huì)；同時(shí),政府相關(guān)部門(mén)為了促進(jìn)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā),放寬了一部分地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的限制條件。也正是在這種對(duì)地?zé)岚l(fā)電期待日益高漲的情況下,時(shí)隔22年之后于2019年1月,巖手縣八幡平市的地?zé)岚l(fā)電站開(kāi)始運(yùn)行,其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電能力為7 499 kW。

2 地?zé)豳Y源發(fā)電及其特點(diǎn)

2.1 地?zé)岚l(fā)電的種類

地?zé)岚l(fā)電是指通過(guò)地質(zhì)勘探鉆井,將火山地?zé)岬貛钐? 500～3 000 m存在的高溫150～300 ℃熱水或蒸汽,從地?zé)岽鎯?chǔ)層中取出上升到地面,推動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電的方式。實(shí)際上由于鉆井深度、地?zé)崃黧w性質(zhì)、溫度等因素,需要有不同的發(fā)電系統(tǒng)裝置來(lái)對(duì)應(yīng)。現(xiàn)在,日本運(yùn)轉(zhuǎn)的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)中,所使用的主要發(fā)電方法有如表2所示的4種類型[2]。其中,干蒸汽發(fā)電是單純的氣體發(fā)電系統(tǒng),多見(jiàn)于日本早期的地?zé)衢_(kāi)發(fā)。水汽分離法又包括兩種,即一次和二次分離的方式進(jìn)行發(fā)電,現(xiàn)在日本地?zé)岚l(fā)電站采用最多的是一次分離發(fā)電方式,水汽分離法最后把從生產(chǎn)井取出的能源流體,取盡能源之后再將冷卻后的水注入還原井,以促進(jìn)地下水循環(huán)再利用。而低溫雙循環(huán)發(fā)電是用于溫度低于150 ℃的能源流體,通過(guò)熱交換器加熱沸點(diǎn)低的媒介物質(zhì),使之沸騰的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,這種方式也逐步應(yīng)用于普通溫泉發(fā)電方式,既能發(fā)電也不影響溫泉旅游的經(jīng)濟(jì)性。所以,雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電是日本政府相關(guān)部門(mén)認(rèn)定的新能源。

表2 日本地?zé)岚l(fā)電方式

2.2 地?zé)岚l(fā)電的特點(diǎn)

地?zé)岚l(fā)電作為可再生能源,在其發(fā)電站建成之后,可以不分晝夜24小時(shí)穩(wěn)定發(fā)電,能有效利用純國(guó)產(chǎn)地?zé)崮茉?不需要消耗地下的化石燃料,可以認(rèn)為是半永久性穩(wěn)定利用的可再生清潔能源[3]?，F(xiàn)在,相對(duì)于世界各國(guó)主要能源的石油和煤炭等化石燃料,地?zé)帷⑸镔|(zhì)、風(fēng)力、太陽(yáng)光、水力等都是可以持續(xù)利用的“可再生能源”。雖然這些再生能源在大功率化方面仍存在可研究課題,但發(fā)電和熱利用時(shí)幾乎不排出導(dǎo)致地球變暖的CO2。由于地?zé)崮茉床灰蕾囃鈬?guó)進(jìn)口,從而也提高了日本國(guó)內(nèi)能源的自給率。

另外,現(xiàn)在推進(jìn)的可再生能源中,風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)光發(fā)電等自然能源的發(fā)電方式,有效發(fā)電的時(shí)間段有可能被限制,如因天氣、季節(jié)、晝夜等因素而導(dǎo)致發(fā)電量大幅度變動(dòng)。統(tǒng)計(jì)資料表明,太陽(yáng)光設(shè)備利用率約為12%,風(fēng)力也約為20%。與之相比,地?zé)岚l(fā)電具有每年定量發(fā)電的穩(wěn)定性,設(shè)備利用率也高達(dá)70%,被日本政府定位為基本電源系列。

3 日本國(guó)內(nèi)地?zé)衢_(kāi)發(fā)的困境與對(duì)策

3.1 地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)大

有關(guān)地?zé)岚l(fā)電的開(kāi)發(fā)建設(shè),多由石油和礦山等資源開(kāi)發(fā)的企業(yè)運(yùn)作,地?zé)岚l(fā)電是帶有“地下風(fēng)險(xiǎn)”的投資。也就是說(shuō),需要在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上試探挖掘,正確地把握資源量和地下?tīng)顩r?？傊?地?zé)岚l(fā)電是技術(shù)鏈融合的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè),克服挖掘失敗和回收初期投資是根本原則,不習(xí)慣這類風(fēng)險(xiǎn)投資的企業(yè)是很難涉足地?zé)岚l(fā)電行業(yè)的。另外,地?zé)岚l(fā)電從地表調(diào)查、挖掘調(diào)查開(kāi)始到發(fā)電設(shè)備設(shè)置為止,要進(jìn)行5個(gè)過(guò)程的專業(yè)評(píng)估,一般經(jīng)歷11～13年的時(shí)間。

3.2 日本地?zé)岚l(fā)電的阻力

世界上屈指可數(shù)的“火山國(guó)”日本的地?zé)豳Y源,擁有世界第3位的規(guī)模。日本的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)也處于世界領(lǐng)先水平,但日本國(guó)內(nèi)利用地?zé)豳Y源的發(fā)電量?jī)H占全部電力0.2%。導(dǎo)致日本地?zé)岚l(fā)電進(jìn)展緩慢的主要原因有以下3點(diǎn)。

第一,固定的電力行業(yè)體制。日本有十大電力公司,分別調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)所屬地區(qū)的電力需求,也屬于壟斷性質(zhì)的行業(yè)。另外,由于日本電力供應(yīng)充足,很難從其他領(lǐng)域進(jìn)入新的電力行業(yè)。

第二,國(guó)家對(duì)地?zé)衢_(kāi)發(fā)支援消極。因?yàn)槿毡灸茉凑咭箅娏?yīng)穩(wěn)定,以主力電源混合形式供電,減少能源使用風(fēng)險(xiǎn)。地?zé)岚l(fā)電與原子能和火力發(fā)電相比規(guī)模小,國(guó)家對(duì)地?zé)岚l(fā)電的開(kāi)發(fā)重視不夠,每年資金預(yù)算也較少。

第三,適應(yīng)地幾乎處在國(guó)立或國(guó)定公園內(nèi)。日本很多自然公園是國(guó)立或者國(guó)定公園,根據(jù)自然公園法,要求保護(hù)公園自然環(huán)境和景觀,所以很難在其中建設(shè)地?zé)岚l(fā)電站。另外,由于擔(dān)心地?zé)衢_(kāi)發(fā)會(huì)對(duì)溫泉造成影響,所以新建地?zé)岚l(fā)電站除需要遵守國(guó)家法律外,還要與當(dāng)?shù)乜h市町村行政單位以及溫泉地區(qū)協(xié)會(huì)等進(jìn)行協(xié)商調(diào)整。

3.3 地?zé)衢_(kāi)發(fā)限制緩和

為了保護(hù)公園環(huán)境和自然景觀,日本于1957年頒布《自然公園法》[4],其中規(guī)定國(guó)立公園和國(guó)定公園等國(guó)家指定的自然公園中不允許建設(shè)發(fā)電站。由于幾乎所有的火山地區(qū)都包含于自然公園內(nèi),所以很多適合地?zé)岚l(fā)電的地方都在自然公園范圍之內(nèi),導(dǎo)致日本地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)受到極大地限制,使擁有地?zé)豳Y源第三的大國(guó)其實(shí)際開(kāi)發(fā)量?jī)H位居第8位。

正是基于地?zé)崮茉蠢玫闹匾?這種限制漸漸得到一定緩和。環(huán)境省于2012年3月發(fā)表的新方針是,在國(guó)立、國(guó)定公園中,除了維持景觀的重要區(qū)域,允許建設(shè)小型發(fā)電設(shè)備。此外,還增加了一個(gè)重要指導(dǎo)方案,如果采取從公園外面傾斜、挖掘公園內(nèi)地下的施工方法,就不會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)造成影響,前提是始終不破壞公園的景觀。為此,政府放寬國(guó)立、國(guó)定公園的規(guī)章制度,使地?zé)岚l(fā)電可利用量擴(kuò)大3倍以上。另外,還提出將目前需要3～4年的環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)間縮短一半,并進(jìn)一步擴(kuò)大促進(jìn)地?zé)岚l(fā)電的政策。有關(guān)建設(shè)大型地?zé)岚l(fā)電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,也是將來(lái)能源政策中重要的課題,需要國(guó)家、自治體、民間企業(yè)聯(lián)合長(zhǎng)期合作對(duì)應(yīng)。

4 日本地?zé)岚l(fā)電技術(shù)推進(jìn)狀況

4.1 日本國(guó)內(nèi)地?zé)衢_(kāi)發(fā)技術(shù)措施

為了有效利用地?zé)豳Y源,新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）,作為日本國(guó)立研究開(kāi)發(fā)的法人組織,連接政府部門(mén)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研團(tuán)體,致力于強(qiáng)化國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。在對(duì)應(yīng)能源與地球環(huán)境方面,力主推進(jìn)環(huán)境友好型、高功能地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備項(xiàng)目。對(duì)于現(xiàn)在的低溫雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng),以重視環(huán)境保護(hù)對(duì)策和環(huán)境資產(chǎn)管理為基準(zhǔn),通過(guò)支持技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目等措施,促進(jìn)擴(kuò)大地?zé)岚l(fā)電的能力。低溫雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電與現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備相比,具有小型化、高效率的特點(diǎn)。為了更好地推進(jìn)更多溫泉地域地?zé)崮茉吹睦?具體實(shí)施措施有以下幾個(gè)方面。第一,在保護(hù)環(huán)境和開(kāi)發(fā)高功能地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)設(shè)備方面,推進(jìn)有助于實(shí)現(xiàn)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)小型化的技術(shù)。如將冷卻塔高度降低到10 m以下的技術(shù)、占地面積降低10%左右的技術(shù)、提高熱效率20%以上的技術(shù)等。第二,在開(kāi)發(fā)有效利用低溫區(qū)域地?zé)豳Y源方面,注重小型雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)使用未被利用的溫泉熱能,展開(kāi)低溫區(qū)域的雙循環(huán)發(fā)電,將提升熱效率7%作為改善目標(biāo)。在確立低溫雙循環(huán)系統(tǒng)的同時(shí),做好設(shè)備耐腐蝕對(duì)策、提升二次介質(zhì)的高性能化技術(shù)。第三,在發(fā)電站的環(huán)境保護(hù)對(duì)策技術(shù)開(kāi)發(fā)方面,建立煤氣泄漏防止技術(shù)和擴(kuò)散模擬技術(shù)等。第四,由于日本過(guò)去10年間沒(méi)有新建地?zé)岚l(fā)電站,導(dǎo)致地?zé)岚l(fā)電開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù)人員減少或流向海外,今后要加大力度培養(yǎng)有關(guān)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)人才。

4.2 地?zé)嵩O(shè)備技術(shù)的海外動(dòng)向

正如前述,日本1966年就建成了國(guó)內(nèi)第一座地?zé)岚l(fā)電站,地?zé)岚l(fā)電技術(shù)研究與應(yīng)用也得到進(jìn)一步推進(jìn)。但是,由于日本國(guó)內(nèi)多種制度限制,導(dǎo)致地?zé)岚l(fā)電開(kāi)發(fā)進(jìn)度緩慢。為此,地?zé)岚l(fā)電相關(guān)企業(yè)聯(lián)合形成技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈,把擁有相當(dāng)成熟的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)向海外市場(chǎng)。特別是稱之為地?zé)岚l(fā)電站心臟部的地?zé)岚l(fā)電渦輪機(jī),如圖1所示,日本企業(yè)東芝、富士電機(jī)、三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)這3家企業(yè)占世界的67%[5]。

圖1 世界地?zé)岚l(fā)電渦輪機(jī)的市場(chǎng)占有率(資料來(lái)源:日本地?zé)釁f(xié)會(huì))

從日本參與海外地?zé)岚l(fā)電站建設(shè)的事例來(lái)看,新西蘭早期建設(shè)的懷拉基地?zé)岚l(fā)電站,其渦輪和發(fā)電機(jī)等是日本制造的。2010年,日本企業(yè)住友商事、富士電機(jī)和當(dāng)?shù)仄髽I(yè)霍金斯建設(shè)公司組成團(tuán)隊(duì),參與新西蘭的納瓦·普魯瓦地?zé)岚l(fā)電站建設(shè)。在其地?zé)岚l(fā)電輸出功率方面,使二次分離增加20%、三次分離增加30%的發(fā)電量。因此,納瓦·普魯瓦地?zé)岚l(fā)電站是當(dāng)時(shí)世界上最大的單體發(fā)電站,擁有14 MkW的發(fā)電能力。由于高效率地推進(jìn)了項(xiàng)目建設(shè),獲得了當(dāng)?shù)剌^高的評(píng)價(jià)。2018年丸紅商事發(fā)表獲得肯尼亞100億日元的地?zé)岚l(fā)電站訂單[6]。此外,2007年開(kāi)始到2018年的10年之間,在印度尼西亞3座合計(jì)發(fā)電能力33 MkW的薩爾拉地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目中,日本的九州電力、伊藤忠商事、國(guó)際石油開(kāi)發(fā)帝石3家公司的出資比例達(dá)到68.5%,同時(shí)在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面發(fā)揮著重要作用。最近,2021年住友商事、富士電機(jī)與新西蘭民間發(fā)電企業(yè)合作,簽約了陶哈拉地?zé)岚l(fā)電站152 MkW的項(xiàng)目,預(yù)計(jì)2023年完成發(fā)電廠建設(shè)[7]。

總之,以上事例可以說(shuō)明,日本地?zé)峒夹g(shù)并沒(méi)有因?yàn)閲?guó)內(nèi)進(jìn)展緩慢而停滯,相反通過(guò)積極參與海外地?zé)岚l(fā)電站的項(xiàng)目建設(shè),推銷地?zé)岚l(fā)電的成套應(yīng)用技術(shù),在世界各地建設(shè)的地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目中發(fā)揮積極作用。擁有從基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)到地表設(shè)備,能夠全部提供地?zé)岚l(fā)電所需的技術(shù)。當(dāng)然,日本企業(yè)從中也積累了不少經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)的磨煉。

5 日本地?zé)岚l(fā)電的未來(lái)與前景

巴黎協(xié)定之后,主要國(guó)家承擔(dān)碳減排的重責(zé),設(shè)定2050—2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo),日本也正在將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到可再生能源上,特別是積極推進(jìn)二氧化碳排放量少、價(jià)格便宜且不受天氣影響的地?zé)岚l(fā)電。政府提出到2030年為止將地?zé)岚l(fā)電達(dá)到約150 MkW的目標(biāo)[8],也就是說(shuō)發(fā)電能力比現(xiàn)在增加3倍。這個(gè)目標(biāo)值占國(guó)家發(fā)電量的1%,換算成太陽(yáng)光發(fā)電相當(dāng)于1 000 MkW,這也是挑戰(zhàn)性的目標(biāo),需要強(qiáng)化各種支援政策來(lái)進(jìn)行輔助。鑒于此,日本國(guó)內(nèi)的地?zé)衢_(kāi)發(fā)公司、地方自治體在全國(guó)各地50多個(gè)地方實(shí)施了建設(shè)地?zé)岚l(fā)電站的調(diào)查。從2014年左右開(kāi)始,日本各地開(kāi)始了小規(guī)模地?zé)岚l(fā)電站建設(shè),發(fā)電級(jí)別在數(shù)十至數(shù)百千瓦級(jí)別的發(fā)電站投入運(yùn)行,并且中規(guī)模數(shù)千千瓦級(jí)地?zé)岚l(fā)電站也在數(shù)個(gè)地方開(kāi)始運(yùn)行,同時(shí)大規(guī)模萬(wàn)千瓦級(jí)的地?zé)岚l(fā)電站也于2019年以后依次開(kāi)始運(yùn)行。通過(guò)產(chǎn)業(yè)、政府、大學(xué)及研究機(jī)關(guān)共同參與,建設(shè)地?zé)岚l(fā)電站完成既定目標(biāo)。然后,面向2050—2100年長(zhǎng)期計(jì)劃,屆時(shí)地?zé)崮茉磳⑦_(dá)到電力生產(chǎn)10%左右的市場(chǎng)占有率。

對(duì)于豐富的地?zé)豳Y源,不僅僅是用于發(fā)電,還需要利用熱水提高農(nóng)林水產(chǎn)物品的附加價(jià)值等。這對(duì)幫助地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展,加深地域的理解,為地域振興做出了貢獻(xiàn)?？傊?在創(chuàng)造出新的地?zé)豳Y源的同時(shí),需要進(jìn)一步推進(jìn)高精度的地?zé)豳A留層探索技術(shù),以及可持續(xù)的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)。同時(shí),有必要引進(jìn)保護(hù)生態(tài)景觀等先進(jìn)環(huán)境技術(shù),更好地推進(jìn)環(huán)境適應(yīng)型發(fā)電站的建設(shè)。

6 結(jié)語(yǔ)

日本蘊(yùn)藏著較多的地?zé)豳Y源,也較早地開(kāi)發(fā)了地?zé)岚l(fā)電,但由于多種原因的限制,地?zé)豳Y源沒(méi)有得到充分利用。隨著全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻,碳減排計(jì)劃形成大國(guó)之間的博弈,并紛紛設(shè)立碳減排目標(biāo)計(jì)劃。也正是由于這種背景,日本政府開(kāi)始重視可再生能源的開(kāi)發(fā),出臺(tái)相關(guān)支援政策和緩和限制來(lái)推動(dòng)地?zé)崮茉吹睦?。另?有關(guān)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)應(yīng)用方面,日本保有從地質(zhì)勘探到電站建設(shè)的全部技術(shù)能力,能夠參與國(guó)際市場(chǎng)地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)。