1 前言

 

  地熱能是一種清潔的可再生能源。1960 年，美國在加州建造了第一個商業(yè)運行的地熱發(fā)電廠，目前世界上大約有11200MW 的電力來自運行中的地熱電廠。隨著二氧化碳減排形勢的日益嚴峻，各國對可再生能源的需求與日俱增。地熱能自身的巨大潛力以及人類對其開發(fā)利用的認識越來越深刻，使之成為一個欣欣向榮的國際市場。然而，地熱發(fā)電必須考慮到影響成本的各種因素，無論是電廠投資或運營成本，還是最終產(chǎn)品的價格，影響地熱開發(fā)的因素比其他形式的能源利用都要多，而且更加復(fù)雜。本文以文獻綜述的形式，闡述了地熱發(fā)電投資及運行成本的經(jīng)濟分析，并與各類可再生能源發(fā)電或供熱進行對比，以期為地熱發(fā)電投資提供有益的參考。

 

  2 地熱發(fā)電發(fā)展概況

 

  作為可再生能源，地熱獨特的特點使其成為非常重要的基本電力負荷。與太陽能發(fā)電或風力發(fā)電相比，一座小容量地熱發(fā)電廠可比其他多數(shù)能源提供更實際、更可靠的電力。另一方面，地熱也可以進行調(diào)負載使用，如果系統(tǒng)設(shè)計滿足這一要求，則可以調(diào)整其輸出功率，以滿足不斷變化的需要。對于一個國家而言，地熱項目的優(yōu)點是在尋求能源和經(jīng)濟獨立的同時，可以保持能源市場清潔、穩(wěn)定地發(fā)展。在偏遠地區(qū)，它可以提供當?shù)氐碾娏碓?，同時加快經(jīng)濟發(fā)展，從而提高當?shù)厝藗兊纳钯|(zhì)量。

 

  在美國，地熱是第四大可再生能源。2007 年，美國有近3000MW 的地熱發(fā)電與電網(wǎng)連接，每年生產(chǎn)約24000GW·h 的電力， 約占世界地熱發(fā)電總量的30%，大大領(lǐng)先于其他國家[1]。2010 年底美國正在審議或開發(fā)中的地熱項目共有103 個[2]。美國一直尋求發(fā)展更多的地熱發(fā)電，2012 年其地熱總裝機容量達到3100MW 以上。

 

  截至2011 年， 歐洲地熱能總裝機為1600MW，另有109 個新發(fā)電廠正在各成員國中建造。意大利是歐洲地熱市場的領(lǐng)導(dǎo)者，其裝機容量占歐洲裝機總量的50%以上。冰島只有30 多萬人口，現(xiàn)在已經(jīng)充分利用可再生能源，進口的化石燃料主要用于滿足捕撈和運輸行業(yè)的需求。冰島地熱發(fā)電生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴大，主要是為了滿足不斷增長的工業(yè)和商業(yè)的能源需求，冰島25%的電力和90%的供暖來自于地熱資源，堪稱現(xiàn)代化地熱技術(shù)成功應(yīng)用于社區(qū)的典型范例。

 

  地熱能已在許多發(fā)展中國家的能源供給中發(fā)揮著有效作用，如菲律賓、印尼、墨西哥、哥斯達黎加、危地馬拉等。大多數(shù)中美洲國家地熱資源開發(fā)的一部分用作公用事業(yè)的電力生產(chǎn)。薩爾瓦多和哥斯達黎加分別從地熱能源中獲得24%(204MW) 和15%(200.5MW)的電力[3]。在亞洲，印尼、菲律賓、日本等國都積極鼓勵地熱開發(fā)， 印尼約有27510MW的潛在地熱資源，潛力巨大。菲律賓有23%的電力來自地熱能利用，是僅次于美國的世界第二大地熱發(fā)電生產(chǎn)國。根據(jù)美國地熱能協(xié)會(GEA)2012 年5月的一份國際地熱市場報告[4]，估計東非大裂谷的已知地熱潛在資源介于10000～20000MW， 基本上還未開發(fā)。目前50 個地熱站的探測表明，該地區(qū)潛在地熱資源估計在3000～13000MW 之間。肯尼亞有202MW 地熱發(fā)電并網(wǎng)。

 

  截至2012 年初，世界24 個國家的地熱發(fā)電廠確定并網(wǎng)發(fā)電能力約11224MW。2008 年至2012 年初，全球地熱發(fā)電最高容量取得顯著增長，其中美國增長336.94MW、印尼增長292MW、新西蘭增長263.3MW、冰島增長180MW、意大利增長80MW、肯尼亞增長71MW，見圖1[4]。3 年中正在開發(fā)或考慮開發(fā)地熱項目的國家數(shù)量增長了52%。

 

  2012～2013 年， 越來越多的國家宣布支持地熱開發(fā)，或出臺相關(guān)政策，或?qū)Σ粩嘣鲩L的地熱市場表現(xiàn)出濃厚的興趣。當然，有些機構(gòu)或地區(qū)專注于地熱發(fā)電也有其自身的目的，如東非大裂谷地熱能源開發(fā)基金，該基金在6 個非洲國家承保地熱鉆井風險，并得到聯(lián)合國環(huán)境計劃署(UNEP)、世界銀行、歐洲重建和發(fā)展銀行對地熱開發(fā)的支持。

 

  3 地熱發(fā)電投資的經(jīng)濟分析

 

  美國能源部(DOE)新的“透明成本數(shù)據(jù)庫”中有成千上萬的估計數(shù)據(jù)，包括超過100 份的研究報告和能源部的方案規(guī)劃及預(yù)算文件，還有部分來自正在嘗試中的各種技術(shù)路線圖的報告，這些資料提供了全面的地熱發(fā)電的經(jīng)濟分析。

 

  3.1 地熱發(fā)電廠成本

 

  地熱發(fā)電的成本主要由兩部分組成：分期償還的初始投資和電力生產(chǎn)運行及維護成本。初始投資成本包括項目開發(fā)建設(shè)所涉及的所有費用，包括開發(fā)中的租賃、許可、勘探、確認和現(xiàn)場建設(shè)，以及一系列相關(guān)費用，可統(tǒng)稱為軟成本。Sanyal 和Koenig認為：“地熱項目融資的風險可細分為資源的存在、資源規(guī)模、投產(chǎn)能力、開發(fā)和運營成本、環(huán)境約束、管理和操作以及資源衰竭等問題”。這兩部分成本受到一系列因素的影響，下面就此進行詳細闡述。

 

  地熱項目具體的投資成本與資源特征和現(xiàn)場條件有著非常密切的關(guān)系。資源的溫度、深度、化學特性和滲透性是影響發(fā)電成本的主要因素，溫度將決定發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換技術(shù)(如選擇閃蒸還是選擇雙循環(huán))，以及發(fā)電過程的整體效率；現(xiàn)場的位置及交通、地形、當?shù)貧夂驐l件、土地利用類型及所有權(quán)都是電廠建設(shè)和并網(wǎng)所需考慮的成本因素。

 

  項目的大小決定著經(jīng)濟投資的規(guī)模，而項目類型(新建和擴建)包含了工程所需的信息，如勘探程度、范圍確認和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。資本結(jié)構(gòu)及財務(wù)狀況(貸款周期和利率)對最終的電力生產(chǎn)成本有著重大影響，這些金融方面的因素還會影響到施工期間的利息成本或進度推遲所造成的相關(guān)成本。市場條件會影響施工過程中所需的商品和服務(wù)的價格，原材料和服務(wù)成本因市場波動可能會發(fā)生失衡或明顯上漲。

 

  電廠的操作和維護(O＆M)成本是指所有為保持電力系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)所需的費用?，F(xiàn)場條件和資源特性對O＆M 成本具有顯著影響， 特別是地熱資源的埋深和化學性質(zhì)。由于勞動力成本的影響，更突顯出大型電廠規(guī)模效益的重要性。值得指出的是， 初始投資成本和后期O＆M 成本之間的平衡極為重要，行業(yè)內(nèi)對這一點非常重視。

 

  市場條件會嚴重影響投資的初始成本，而對于O＆M 成本的影響要相對小一些。在建設(shè)后期，項目考慮的重點會集中到現(xiàn)場和資源方面，特別是其中所涉及的不利因素。因此，地熱行業(yè)若要健康可持續(xù)地發(fā)展，就要學會如何以合理的成本處理好各種困難和復(fù)雜的條件。市場因素對電力生產(chǎn)成本也發(fā)揮著重要作用，不過這是開發(fā)商無法控制的。更加完善的立法可以簡化許可證辦理程序，減少因進度拖延導(dǎo)致的損失，從而有效降低投資成本?？傊?，地熱生產(chǎn)成本與現(xiàn)場和資源特征的關(guān)系非常密切，而且十分重要，具體討論如下：

 

  地熱項目與其他發(fā)電項目一樣，其總的成本將隨著時間的推移、經(jīng)濟狀況的不同而改變。在各種成本影響因素中， 有些是電力行業(yè)的普遍現(xiàn)象，如鋼材及勞動力成本，而環(huán)境政策、稅收優(yōu)惠、融資方案等因素往往因市場環(huán)境變化而產(chǎn)生波動。對地熱電廠而言，其特有的影響因素包括工廠規(guī)模、所選擇的地熱技術(shù)、鉆井成本、并網(wǎng)成本等。金融機構(gòu)承擔了地熱項目的前期風險，時常投資數(shù)百萬美元只是為了驗證地熱資源是否有開發(fā)價值。對于因時間推移而存在的風險，可以考慮采用已有的驗證風能資源風險的效應(yīng)曲線，對地熱項目進行預(yù)測。當然，有時這些風險常?？梢酝ㄟ^稅收優(yōu)惠和擔保人來抵消。所有的地熱公司都必須掌握對項目成本至關(guān)重要的資源信息，包括巖石地層、溫度和化學特征。

 

  為了充分了解情況，開發(fā)商應(yīng)具有對地熱資源的獨家代理權(quán)。租賃和許可證可以極大地影響工程的前期成本，并可能導(dǎo)致進度延誤，尤其是在國有土地上，因而90%的地熱項目都是國有的。

 

  3.2 地熱發(fā)電運行成本

 

  在美國， 由地熱所生產(chǎn)的電力價格為5～11 美分/(kW·h)，其中包括了稅收優(yōu)惠，而加州蓋伊瑟斯(The Geysers)的電力價格只有3～3.5 美分/(kW·h)，這與傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電相比具有相當?shù)母偁幜?。不過電力價格也取決于運行地區(qū)的經(jīng)濟條件，在需求高峰期有些電廠可能會收取更高的費用。

 

  電力成本會給用戶帶來什么樣的影響，往往取決于能源電力公司的投資綜合效益，而這實際上大多由國家政策所驅(qū)動和決定。2008 年由美國勞倫斯伯克利國家實驗室進行的對十幾個州可再生能源政策的一項研究分析表明， 在大多數(shù)情況下，電力價格的波動在幾個百分點范圍內(nèi)，在康涅狄格州和馬薩諸塞州則剛剛超過1%。美國能源信息署(EIA)在2009 年的預(yù)測中指出，到2030 年， 不管各個州政府有沒有可再生能源標準，電費差別都將不會很大。

 

  在尼加拉瓜San Jancinto-Tizate 項目中， 由于在當?shù)劁N售可再生能源電力可享受免除關(guān)稅政策，該稅率比目前以石油為主的能源低30%～35%， 美國Ram Power 公司討論了在2014 年中期增加電力銷售，一旦整個項目完成，將直接使年度收入增加800 萬～1100 萬美元。這不僅提供了廉價的電力，而且還為公司樹立了良好的社會形象。

 

  3.3 經(jīng)濟方面的考慮

 

  發(fā)展地熱必須考慮到影響成本的各種因素，無論是電廠投資或運營成本， 還是最終產(chǎn)品的價格，影響地熱開發(fā)的因素比其他形式的能源利用要多，而且更加復(fù)雜。地熱發(fā)電系統(tǒng)的組成部分包括地熱井、地熱流體管道、電廠自用電設(shè)備和重新回灌系統(tǒng)，耗費了大部分的投資成本。所有這些因素，在展開地熱項目前都必須進行仔細的評估。

 

  ① 電廠最簡單的技術(shù)方案是熱源利用后直接

 

  排大氣(背壓式)，而且比相同容量的凝汽式發(fā)電成本還要低。然而，如果要獲得相同的發(fā)電量，背壓式幾乎需要兩倍于凝汽式發(fā)電運行的蒸汽量，也就是兩倍的地熱資源。由于鉆井成本昂貴，實際上凝汽式發(fā)電模式是一個更便宜的選擇。

 

  ② 地熱流體可以通過隔熱管道長距離運輸，在理想條件下，管線可長達60km。然而，管道自身和所需的輔助設(shè)備(泵、閥等)及其維護費用都是相當昂貴的，從而會大大提高地熱發(fā)電廠的建設(shè)成本和運營成本。因此，應(yīng)盡可能縮短熱源和利用站點之間的距離。

 

  ③ 一個地熱發(fā)電廠的投資成本通常比一個類似的傳統(tǒng)燃料發(fā)電廠要高， 有時甚至會高很多，但地熱發(fā)電廠的自用能量成本以及備品配件( 管道、閥門、泵、熱交換器等)的維修成本卻遠遠小于常規(guī)燃料電廠，較高的投資成本可以從節(jié)省下來的能源成本中獲得回收。因此，可再生能源電廠應(yīng)設(shè)計足夠長的運行周期和運行壽命，以達到抵消高額初始投資的目的。

 

  ④ 地熱發(fā)電廠值得稱道的是通過聯(lián)合熱能系統(tǒng)獲得更高的能源利用率(如加熱和冷卻相結(jié)合的應(yīng)用)或?qū)崿F(xiàn)電廠系統(tǒng)的串聯(lián)連接， 即每個系統(tǒng)利用電廠的余熱水，例如，由發(fā)電+溫室加熱+牧業(yè)聯(lián)合組成集成系統(tǒng)。

 

  ⑤ 為了減少維修費用和停工損失， 電廠技術(shù)的復(fù)雜性應(yīng)維持在本廠技術(shù)人員有足夠能力勝任的水平，或者所需專家能夠招之即來，而高度專業(yè)的技術(shù)人員或設(shè)備廠商只是在定期進行的大檢修或發(fā)生重大緊急故障時才到現(xiàn)場。

 

  ⑥ 如果地熱發(fā)電廠生產(chǎn)的是大眾消費品， 事先必須進行周密的市場調(diào)查，以保證這些產(chǎn)品的銷售。從生產(chǎn)現(xiàn)場到最終產(chǎn)品消費市場的經(jīng)濟運輸所需的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該已經(jīng)存在，或者已包括在最初的項目投資中。

 

  以上僅是定性討論，可以適用于任何地熱能開發(fā)利用形式和任何當?shù)貤l件，如果需要具體的投資和成本定量計算方法，建議參考由聯(lián)合國開發(fā)計劃署、聯(lián)合國經(jīng)社部和世界能源理事會于2000 年出版的世界能源評估報告。表1 和表2 對地熱能和其他各種形式的可再生能源利用進行了比較。

 

  4 地熱發(fā)電的經(jīng)濟效益

 

  與其他任何投資項目一樣，地熱發(fā)電項目也需要對其風險、成本和效益有充分的了解，只有通過前期完善的經(jīng)濟性評估，開發(fā)商和客戶才能得到最大的收益。傳統(tǒng)燃料和電力成本的波動，使得人們擔心將來電力從何而來，不斷上漲的能源成本將如何影響自身的日常生活。而地熱發(fā)電不同于化石燃料發(fā)電，它不存在諸如土地退化、大氣排放、對瀕危動物和植物的破壞以及對人類健康的影響等問題。

 

  此外，由于地熱能是本國自產(chǎn)的，有助于緩解對進口能源的依賴。

 

  4.1 地熱和其他技術(shù)的成本比較地熱發(fā)電是資本密集型產(chǎn)業(yè)，因此初始投資較大，而有利的一面則是基本上所有資源成本都包括在前期投入中。

 

  天然氣和煤炭等化石燃料電廠存在高額的燃料成本，尤其是如果燃料來自于進口。對于地熱項目，一旦工程完成后燃料是免費的。這也意味著地熱能可以作為電力價格的穩(wěn)定因素，有抵消化石燃料價格波動對電力市場影響的作用。當一個地熱發(fā)電項目完成后，大多數(shù)O＆M 成本是已知的，只有少數(shù)市場因素可以影響它們，這就使得地熱電廠在其整個生命周期里的均化成本非常具有競爭力(均化成本的定義為電廠整個生命周期的總投資金額、燃料和O＆M 成本除以其整個生命周期內(nèi)預(yù)計輸出的電力)。一個15MW 的地熱雙循環(huán)發(fā)電廠的均化成本可以低至83 美元/(MW·h)，而一個30MW 的閃蒸廠的成本僅為79 美元/(MW·h)，具有極高的經(jīng)濟競爭力。

 

  表3 預(yù)測了各類發(fā)電廠在2016 年投用時的電力成本(源于2010 年數(shù)據(jù))，整個系統(tǒng)的均化成本必須是考慮整個生命周期中支付的總成本。對于在2016 年開始投產(chǎn)的地熱發(fā)電廠，其均化成本預(yù)計為101.7 美元/(MW·h)。

 

  4.2 地熱市場投資增長

 

  根據(jù)GEA 的測算，地熱能每投資1 美元，可為美國經(jīng)濟增長帶來2.5 倍的回報[6]。換句話說，一個投資4 億美元的地熱項目(假設(shè)平均投資成本為4000 美元/kW)，將帶動10 億美元的經(jīng)濟增長。

 

  按照美國能源部(DOE)的評估，2006 年全球可再生能源技術(shù)項目共得到709 億美元的投資，2007年為1172 億美元[6]。自那時起，投入到地熱項目的資本大幅增長。美國新的地熱項目的投資超過100億美元， 其每年增長的約100MW 容量都是近幾年建設(shè)的項目。DOE 稱，“這不再僅僅是一個有興趣的選擇，而是全球能源市場的大規(guī)模改變”。美國已增加了對包括地熱在內(nèi)的可再生能源技術(shù)的公共投資，2009 年通過《美國經(jīng)濟復(fù)蘇與再投資法案》，有36820 萬美元用于遍及38 個州和哥倫比亞特區(qū)的共148 個“地熱技術(shù)項目”。美國2013 財政年度地熱能源的預(yù)算申請為6500 萬美元，而2012 財年只有3790 萬美元。地熱產(chǎn)業(yè)還得到公共和私人投資的支持。2008 年，Google.org 以超過政府的力度，成為地熱領(lǐng)域最大的私人投資者， 共注入1100 萬美元用于先進地熱技術(shù)的研究和發(fā)展。這些資金有力地推動了地熱技術(shù)路線圖的實現(xiàn)。

 

  4.3 有利于當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展

 

  地熱資源往往位于農(nóng)村地區(qū)， 地熱的開發(fā)，創(chuàng)造了就業(yè)和納稅，可以顯著改善當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展狀況。中美可再生能源公司(MidAmerican)在2006 年是帝國縣最大的單一納稅單位，所有地熱項目貢獻了該縣25%、超過1200 萬美元的稅收。自2005 年《地熱蒸汽法修正案》頒布以來，地熱租賃收入和生產(chǎn)的25%反饋給州政府和地方政府。2008 年，美國內(nèi)華達州獲得750 萬美元，州政府把所有的錢用于支持學校的州政府基金；加利福尼亞州收到990 萬美元， 其中40%分配給原產(chǎn)地，30%投入可再生資源投資基金，其余30%用于補助或貸款給當?shù)氐乃痉ü茌爡^(qū)或私人實體。

 

  值得關(guān)注的是，地熱發(fā)電廠甚至可以成為一個吸引游客、學生、科研人員訪問的場所，從而提升電廠所在地區(qū)的商業(yè)機會。冰島最熱門的旅游目的地之一是藍色瀉湖(Blue Lagoon)的地熱溫泉，它從島內(nèi)西南角連接到Svartsengi 地熱電廠。美國加利福尼亞州的蓋伊瑟斯自2001 年開業(yè)以來， 截至2012年8 月， 共接待了超過75000 名來自美國50 個州和79 個國家的游客[4]。

 

  4.4 發(fā)展中國家的地熱能開發(fā)效益

 

  越來越多的國家，包括中國、美國、澳大利亞、德國、冰島、意大利、日本都力求在世界各地幫助發(fā)展中國家開發(fā)地熱項目， 支持的形式除融資以外，還有技術(shù)交流和培訓。發(fā)展中國家為了尋求能源和經(jīng)濟上的獨立，往往樂于接受來自發(fā)達國家的貿(mào)易補貼。這些地區(qū)除了要開展大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，還要保持環(huán)境友好，而地熱能提供了最佳的選擇。

 

  許多地熱資源豐富的國家，如肯尼亞、印度尼西亞和許多加勒比島嶼，都直接受益于地熱資源的開發(fā)。不過對于這些國家而言，要想使地熱開發(fā)對當?shù)啬茉唇ㄔO(shè)和經(jīng)濟發(fā)展做出更大的貢獻，可能還有很長的路要走。例如，印尼擁有世界上已知地熱資源的40%左右，但已經(jīng)開發(fā)的卻非常少。雖然地熱能開發(fā)帶有地區(qū)性，只能供本地使用，但這樣可以置換出印尼更便于運輸?shù)钠渌茉?，?a href="http://x3sfp.cn/t/煤炭.html" >煤炭和天然氣等用于出口，從而獲得更高的經(jīng)濟利益。在非洲，由于氣候變化而引發(fā)的干旱，使水力發(fā)電缺乏足夠的資源，而追求生物質(zhì)產(chǎn)量則會導(dǎo)致對森林的砍伐，近年來，這些國家更加依賴進口價格昂貴的石油和柴油產(chǎn)品。東非大裂谷擁有極為豐富的地熱資源，應(yīng)著眼于此解決當?shù)氐碾娏?yīng)問題。

 

  盡管潛力巨大，地熱能發(fā)展仍然面臨著一些障礙，包括鉆井的成功率、地熱技術(shù)尚不夠完善以及項目啟動成本高等。今后的工作目標應(yīng)該是盡量消除這些障礙，并隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，勘探更多的地熱資源，包括那些以前認為不適合開發(fā)的地熱資源。

 

  總之， 地熱能開發(fā)使各發(fā)展中國家經(jīng)濟受益。

 

  目前氣候變化問題越來越引起重視，同時化石能源的稀缺性和價格波動，又給未來常規(guī)發(fā)電的成本走向帶來了不確定性，從而使地熱發(fā)電的優(yōu)勢日益顯現(xiàn)[7]。這其中包括：運行成本低，在生命周期內(nèi)地熱發(fā)電廠的平均成本大大低于傳統(tǒng)燃料發(fā)電廠；有利于穩(wěn)定電價以及物價；環(huán)保效應(yīng)顯著；可降低石油對外依存度；可以得到國家和地方政府的補助及激勵政策支持； 有利于促進農(nóng)村和偏遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，增加稅收；可以提供數(shù)以千計的就業(yè)機會；有利于能源供應(yīng)多元化。

 

  5 結(jié)語

 

  地熱發(fā)電不僅符合環(huán)境保護的大趨勢，而且隨著勘探和利用技術(shù)的提高， 已具備市場競爭力，展現(xiàn)出廣闊的開發(fā)利用前景，經(jīng)濟上不可行的觀點已成為歷史。為了充分利用和保護這一寶貴的可再生清潔能源，在地熱開發(fā)與管理中應(yīng)根據(jù)整個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展進行規(guī)劃和布局，遵循“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理、合理布局、綜合利用、以熱養(yǎng)熱”的理念。在統(tǒng)一標準的指導(dǎo)下，推動地熱開發(fā)的商業(yè)化、規(guī)?；_拓地熱利用新領(lǐng)域。加強地熱資源開發(fā)的科學監(jiān)督，加大科研力度，提高地熱發(fā)電的效率及綜合利用水平。國家政策應(yīng)該指導(dǎo)地熱資源的利用及開發(fā)，并鼓勵探索研究更多可開發(fā)的地熱資源，包括以前被認為不適合進行開發(fā)利用的地熱源。建議今后地熱資源的利用不再僅局限于極少數(shù)高溫地熱項目中，而是盡可能發(fā)掘地熱資源的所有潛力。