近日,我国首个中深层地热能超临界二氧化碳闭式取热示范项目在河南郑州正式投产。一口2500米深的地热井、一套全密闭循环系统、一项新型传热工质,让深藏地下的热能转化为千家万户的温暖,成功实现“取热不取水、换热不用水”的创新突破,标志着我国地热能高效开发利用再攀新高。

  这是中国华能集团有限公司河南分公司锚定“双碳”目标、深耕地热领域、着力培育新质生产力的标志性成果,为我国地热能规模化、绿色化、可持续开发利用提供了可复制、可推广的方案。

  告别水介质

  地热能,藏于地下,取之不竭,作为稳定、可靠、清洁的可再生能源,是我国能源结构转型的重要抓手。长期以来,我国地热开发始终绕不开“以水换热”的传统路径,不仅耗水量大、换热效率偏低,还易引发地下水位下降、水体污染、地面沉降等生态问题。此外,两三千米深井内水流阻力大、泵耗高、设备易腐蚀。诸多痛点叠加,成为阻碍地热产业高质量发展的“卡脖子”难题。

  面对挑战,唯有以自主创新破解行业发展瓶颈。作为华能河南分公司下属企业,华能河南清洁能源有限公司联合西安热工院,深化产学研协同创新,跳出传统技术框架,创新采用超临界二氧化碳替代水作为传热介质,依靠其在特定温压条件下呈现的“类液类气”物理特性,一举突破传统地热开发的技术桎梏。“超临界二氧化碳流动性与传热性能优异,更适配深井长距离循环工况,可高效完成地下‘热量搬运’。”华能河南清洁能源有限公司项目负责人刘锋介绍。

  一组数据给出了有力佐证:较传统水介质地热系统,该项目理论取热能力提升约20%,单位供暖能耗降低10%;系统最高供水温度可达80℃,远超传统地热供热45℃温度上限,应用场景与适配范围大幅拓宽。项目投运后可满足超过1.8万平方米居民住宅集中供暖需求,每年可替代标准煤约288吨,减排二氧化碳约750吨,实现民生保障与生态保护协同共赢。

  依托中原地区丰富的地热资源,华能河南分公司全力推进中深层地热能开发,着力培育新质生产力。从落地首个中深层地热项目,到果断布局超临界二氧化碳换热全新赛道,公司持续开拓产业发展新路。

  系统性创新

  走进该项目换热站,银白色的换热管路有序排布,集控中心实时回传的运行数据清晰直观。运维人员紧盯监控大屏,细致核查压力、流量、温度等各项关键参数。“进井温度8℃,出井温度22℃,换热工况稳定,循环状态良好。”超临界二氧化碳在封闭管路中高速循环流转,精准萃取地下深层热能,全程无需抽取地下水、无地层污染,呈现出高效、绿色、智能的现代化地热开发新图景。

  优异的工程运行表现,是项目团队勇闯技术“无人区”的有力见证。项目启动之初,团队便面临局部系统内二氧化碳热力学稳态维持、深井高压环境下介质密封等重重挑战。团队成员没有退缩,扎根一线,日夜鏖战,围绕密封、防腐、换热、调控、高温供热五大核心技术集中攻坚,接连攻克深井循环、智能调控、极端环境适配等一系列行业难题。

  没有现成工艺,就自主研发;没有参考标准,就牵头制定;没有标准化设备,就定制生产……项目团队以实干把理论数据转化为工程实践,用笃行把技术构想变为落地成果:自主研发的井底密封结构,可承受35MPa高压无泄漏;定制金属防腐涂层,耐腐蚀性能较基材提升10倍以上;创新采用同轴套管换热结构,搭配高效固井、气举吹扫等新工艺,让井下换热效率实现质的飞跃。

  “该项目并非简单替换换热介质,而是围绕地下取热、地面用热、系统调控全流程开展的系统性创新。”刘锋表示,项目成功打造了具备自主知识产权的超临界二氧化碳地热取热技术体系,多项核心专利已成功受理。在华能集团的全力推动下,这项原创性技术从实验室走向应用场,完成“从0到1”的蜕变,为地热能高质量开发利用闯出了一条自主可控、绿色高效的全新路径。

  智能化管控

  加快建设新型能源体系是深入推进能源革命、建设能源强国的必然要求。该项目的顺利投产不仅实现了地热开发领域的重大技术突破,有望推动地热能规模化应用,也为新型能源体系建设注入了本土化、可持续的清洁动能。

  对地热产业而言,该项目创新应用集群式调度优化算法,实现系统运维全流程智能化管控,大幅提升能源调配效率与利用精准度,推动地热产业向数智化转型升级。项目在最大限度保护地下水资源与地质环境的同时,同步破解“环保不经济”难题:二氧化碳闭式系统与地面用热机组协同运行,单位供暖面积能耗较传统模式显著下降,有效降低全生命周期成本,为地热产业规模化、市场化推广筑牢经济根基,助力地热能更好融入新型能源体系建设大局。

  同时,随着取热效率提升,该项目成功打通地热与城市热网高效耦合通道,供暖场景由居民小区拓展至零碳园区、工业供热等多元领域,推动地热从单一民生保障向多场景综合利用升级,进一步丰富新型能源体系的供给结构与应用场景,增强能源系统的灵活性、适配性与韧性。

  站在能源转型新起点,中深层地热开发正朝着安全、高效、低碳、规模化方向迈进。华能河南清洁能源有限公司总经理刘秀航表示,将以该项目为新起点,持续加大地热领域科技研发投入,推动数智化技术与地热开发深度融合,不断完善全场景解决方案,着力提升能源供应的安全性、稳定性、自主性,为国家能源资源安全筑牢坚实支撑。(夏先清 杨子佩)