冰島從歐洲最貧窮的國家之一，以依靠煤泥和進口煤炭的能源，轉移到生活水平較高的國家，幾乎所有的固定能源都來源于可再生資源。冰島是國際能源署所統(tǒng)計的國家中可再生能源占比最高的國家，2015年，冰島一次能源使用量的85％來自本地可再生能源，其中66% 是地熱。冰島的目標是到2050年完全擺脫對化石能源的依賴。
早在1933年冰島首都雷克雅未克污染很嚴重，被黑色的煙霧籠罩。冰島的各種化石能源都是匱乏的，這恰恰使冰島人民的科技創(chuàng)新愿望得到激發(fā)。通過在地熱領域持續(xù)的科技創(chuàng)新，該國在地熱供暖、地熱發(fā)電、地熱井二氧化碳捕集，乃至綠色甲醇領域創(chuàng)造了世界領先的科技水平，并進而創(chuàng)造了能源轉型的奇跡。如今不用煤炭，美麗如畫的藍天白云?，F(xiàn)在冰島99％的房屋是用可再生能源加熱的，主要是地熱。
冰島能源轉型歷程
冰島作為一座火山島，本地沒有石油、煤炭和天然氣的資源。但該國也經(jīng)歷過以煤炭、石油等化石能源作為主體能源的時代，經(jīng)過漫長的轉型，才形成目前可再生能源占絕對主導的局面。
19 世紀末，冰島大量進口煤炭用于供暖。1918 年冬季，冰島出現(xiàn)極端寒冷的氣候條件，煤炭供應不足導致供暖得不到保障，冰島人民開始探索地熱集中供暖，這成為冰島能源轉型的最初嘗試。二十世紀二三十年代，地熱供暖有了初步的發(fā)展。1940 年時，該國的能源結構中煤炭占比達到70% 以上。二戰(zhàn)時期進口煤炭的緊張形勢再次激發(fā)了地熱和水電的快速發(fā)展，1960 年左右，用煤供暖被淘汰。
1973 年的石油危機重創(chuàng)冰島經(jīng)濟促進能源加速轉型，石油消費比重迅速下降，并逐步退出電力和供熱領域。20 世紀90 年代，氣候變化成為推動冰島能源轉型的另一個重要因素，減少碳排放的追求使得可再生能源對煤炭和石油的替代進一步加速。
1914 年至2014 年的一百年間，冰島通過可再生能源替代化石能源實現(xiàn)的二氧化碳減排量總計達到3.5 億噸。由于冰島的供熱和發(fā)電已經(jīng)幾乎完全來自可再生能源，所以，能源轉型的任務焦點目前已經(jīng)轉移到交通能源轉型，關鍵是如何用可再生能源替代汽柴油。
冰島的目標是到2050 年完全擺脫對石油能源的依賴。主要的途徑有生物燃料、電動汽車、綠色甲醇汽車和氫燃料電池。經(jīng)過一些年的探索，該國目前最主導的發(fā)展方向是電動汽車。在冰島而言，是減排效益最好的，因為所有的電力都是可再生資源生產(chǎn)的，幾乎是二氧化碳零排放的。
冰島能源結構現(xiàn)狀
冰島位于北大西洋靠近北極圈的海域，是歐洲第二大島國。全國面積為10.3 萬平方公里， 人口約33 萬，擁有豐富的水能資源和地熱資源。冰島是一座火山島，位于美洲板塊和亞歐板塊的邊界地帶，兩大板塊的交界線從西南向東北斜穿全島?；钴S的地殼運動、復雜的地形地貌造就了冰島豐富的地熱資源。
冰島首都——雷克雅未克的緯度是64度，中國哈爾濱的緯度才48度。在寒冷的冬季，水電行嗎？冬季水電是否會結冰而大幅減少發(fā)電量呢？冰島國家能源局局長約翰內(nèi)松表示不會，一方面由于北大西洋暖流的影響，冰島的冬季并不是特別冷，另一方面，很多冰川融水是地熱融化的，冬季不會結冰。
冰島的足球場幾乎都是有地熱供暖的，四季都可以練球
冰島的電力系統(tǒng)已經(jīng)完全是可再生能源發(fā)電，主要是水電和地熱發(fā)電。是世界上人均用電量最高的國家。2015年冰島的發(fā)電數(shù)據(jù)，地熱發(fā)電裝機量665兆瓦，發(fā)電總量50億度千瓦時，占26.6%，水電裝機1986兆瓦，發(fā)電總量138億千瓦時。風電剛剛起步，只占到1%。2015 年，冰島的水電裝機量為199 萬千瓦，占總量的73.3%。燃油發(fā)電的裝機量僅有11.7萬千瓦，但極少開機可以忽略不計。
冰島的供熱能源也幾乎全部來自可再生能源。全國的終端用熱中，地熱達到96%。就建筑等空間供熱而言，2014 年，地熱供熱占比達90%，電供熱約占9%，主要指熱泵和電鍋爐用電，石油供暖僅為1%。
冰島各領域應用地熱能
在冰島，地熱的應用領域非常廣泛。除了供暖和發(fā)電，地熱能還廣泛用于溫室種植養(yǎng)殖業(yè)、工廠烘干、雪融化、洗浴與旅游服務等諸多產(chǎn)業(yè)。2015年，終端用熱46.1% 用于居民供暖，40.9% 是商業(yè)服務，包括熱水游泳池和融雪，此外還有7.1%用于漁業(yè)、3.6% 用于工業(yè)，溫室大棚使用了2.4% 的熱。
冰島的供熱價格很低，僅僅2.3 歐分/千瓦時（約合人民幣0.18 元/ 千瓦時），遠低于丹麥的9.01 歐分/ 千瓦時、德國的7.04歐分/ 千瓦時。
在冰島首都雷克雅未克，1930年第一個以地熱為基礎的社區(qū)集中供暖系統(tǒng)建成，共鉆探14 眼井， 最大井深246 米， 水溫87℃，自流量14 升/ 秒。從地熱田至Laugarveitan 集中供暖系統(tǒng)的供熱主管道長3 千米，將熱水送到兩個小學、一個游泳館、醫(yī)院主樓、公共建筑以及首都城區(qū)60 個家庭的房屋。當時，冰島全國主要是農(nóng)場，供暖問題是個大問題。雷克雅未克有了地熱供應，吸引全國的人搬到這里。大家支持在其它一些人少一些的地方搞區(qū)域供熱，于是在全國探尋地熱資源。
冰島地熱還用于發(fā)電。冰島的電力70% 以上是水電，該國的水能資源豐富，但出于對能源安全的考慮，特別是氣候變化加劇冰川融化將對水能資源造成較大的影響，冰島很早就開始著手利用地熱進行發(fā)電。并在實踐中不斷克服地熱井發(fā)電所遇到的高溫、酸腐蝕、有毒的硫化氫氣體等技術問題，地熱發(fā)電規(guī)模不斷擴大。目前全國有7 個地熱發(fā)電廠，裝機容量超過60 萬千瓦。
冰島的水電和地熱發(fā)電成本都很低，換算成人民幣，工業(yè)平均電價不到0.2 元/ 千瓦時。便宜的電力生產(chǎn)帶動了以鋁業(yè)為龍頭的高耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前全國總電力的73% 左右用于工業(yè)。該國可用于建設地熱發(fā)電站的資源還有很多，只是限于本地電力負荷，沒有得到充分開發(fā)。冰島還考慮進一步擴大鋁業(yè)規(guī)模，或者建設冰島至英國的海上特高壓輸電線路，以進一步拉動島內(nèi)地熱發(fā)電業(yè)務。
冰島地熱大棚
冰島地熱用于溫室大棚。調(diào)查顯示，冰島每年溫室種植消耗的總地熱能約為940 太焦（約2.6 億千瓦時，相當于3.6 萬噸標煤）。溫室加熱是冰島最古老和最主要的地熱能應用之一。冰島氣候寒冷，可耕地面積僅占國土總面積的1%，糧食、蔬菜、水果曾嚴重依賴進口。1924 年起，該國開始嘗試建設地熱綠色溫室，發(fā)展生態(tài)農(nóng)副業(yè)，獲得成功。溫室生產(chǎn)的西紅柿、黃瓜可滿足國內(nèi)70% 的市場需求。依靠地熱溫室種植，冰島已成為歐洲最大的香蕉種植出口國。
據(jù)介紹，從2002年到2011年，黃瓜、西紅柿和辣椒的生產(chǎn)率翻了一番。冰島用地熱給大棚供暖，用清潔電力給大棚供電，采用智能系統(tǒng)對熱、光、水、營養(yǎng)進行調(diào)控，這種現(xiàn)代化的綠色農(nóng)業(yè)模式值得中國借鑒。中國北方地區(qū)特別是京津冀地區(qū)有大量的農(nóng)業(yè)大棚，部分大棚目前還采用燃煤供暖，成為霧霾的不可忽視的污染源，我國需要盡快著手解決溫室大棚的清潔供暖問題。
游泳池池水加熱是冰島重要的地熱能利用之一。在該國約有160 個游泳池，其中，130 個游泳池利用地熱能加熱。冰島依賴獨特的地貌和眾多溫泉療養(yǎng)保健區(qū)，每年吸引著大量外國游客。藍湖溫泉是著名的旅游勝地，但它并不是天然溫泉，而是Svartsengi 地熱發(fā)電廠的地熱尾水形成的天然瀉湖。1999 年，發(fā)電廠將尾水池正式改造為售票洗浴的藍湖（Blue Lagoon）。改造后的藍湖采用自動化設備調(diào)配熱水與冷泉水比例，溫度恒定，并由多個出口排出，保證整個湖的水溫均勻。現(xiàn)在Blue Lagoon 是冰島最有名的旅游區(qū)，每年的旅游人數(shù)不斷增加。
冰島西部地區(qū)的海藻制造廠直接利用地熱資源進行烘干。當?shù)仄髽I(yè)通過使用專用的船只，收割西北部河底的海藻，再利用107℃的地熱水對海藻進行烘干。該公司于1976 年建成烘干工廠，每年生產(chǎn)約2000 噸至4000 噸的墨角藻和海藻粉。在冰島，還有企業(yè)利用地熱能生產(chǎn)魚干產(chǎn)品，烘干的鱈魚頭年出口量達1.5 萬噸。寵物食品烘干是一個新興起的行業(yè)，每年產(chǎn)量約為500 噸。
為了探索深層地熱能的開發(fā)技術，冰島還發(fā)起了“冰島深度鉆孔計劃（IDDP）”。這個項目的核心目的是，計劃使鉆井深度達到4000 米—5000 米，以了解“超臨界含水液體”在400℃—600℃時的性狀。
冰島深度鉆孔計劃（IDDP）項目啟動于2000 年， 由3 家冰島能源公司和冰島國家能源局共同發(fā)起。2005 年，能源聯(lián)盟與國際科學基金會和美國國家科學基金會（NSF） 加入IDDP 計劃。2007年—2008 年，又有一家國際鋁業(yè)公司Alcoa Inc 和挪威石油公司加入。
在開發(fā)第一個全尺寸的IDDP-1井時，曾計劃使鉆井深度達到4500 米。然而，由于意外鉆至熔巖，鉆井作業(yè)被迫終止。2010 年，對這口井進行的流量測試顯示，它產(chǎn)生了約30 千克/秒的330℃過熱蒸汽，壓力為165 巴，大約相當于2 萬千瓦的發(fā)電能力。
第二口深鉆井—— 雷克雅日IDDP-2 井的鉆井作業(yè)于2017 年2 月1 日圓滿完成，深度為4659 米，完成了所有初步目標。井底溫度為427℃，流體壓力為340 巴，達到超臨界狀態(tài)。以此建設地熱發(fā)電廠，單井的發(fā)電規(guī)?？蛇_5 萬千瓦，是目前普通地熱井發(fā)電能力的約10 倍。通過IDDP 計劃，人類正在掌握更多深地科技，深層地熱層的開發(fā)利用很有可能引起一場能源變革。
冰島交通能源轉型的探索
冰島的地熱還有一個特殊的供熱領域——加熱路面和融化積雪。這項工作是從20 世紀80 年代開始的。冰島首都雷克雅未克市中心地區(qū)的人行道和街道地下安裝了雪融化系統(tǒng)，該系統(tǒng)所消耗的能量主要來自地熱供熱系統(tǒng)的回流水。雷克雅未克地區(qū)雪融化系統(tǒng)的總面積約為55 萬平方米，全國雪融化系統(tǒng)的總面積約為74 萬平方米。冰島凱夫拉維克機場的融雪跑道則是世界上利用地熱融雪的典范。
冰島首都雷克雅未克主干街道的地熱融雪施工圖
冰島曾計劃在2050 年之前把整個交通系統(tǒng)改造成依靠氫動力。2008年，該國曾投運氫燃料電池汽車，并投運第一艘氫動力商船。然而，2008年的金融危機對冰島的氫燃料電池汽車發(fā)展造成很大影響。金融危機過后，其將零排放汽車的發(fā)展重點放在電動汽車方面。
冰島具備電動車普及的兩大基礎條件：75% 的人口居住在離首都雷克雅未克不到37 英里的范圍內(nèi)，其鄉(xiāng)村地區(qū)由一條長為840 英里的環(huán)形公路串接，按電動車單次充電行駛里程數(shù)為40 英里計算，約用20 個充電站即可相連；此外，85% 的能源為可再生能源，主要為地熱與水力。
2009 年10 月，首都雷克雅未克城市環(huán)境和交通委員會成立一個特別小組，負責推廣電動汽車在首都地區(qū)的使用和充電站的建立。該委員會主席Gísli Marteinn Baldursson 稱，基于冰島的綠色和可持續(xù)能源的發(fā)展，雷克雅未克有成為世界主要電動車市場的特定條件。特別小組的主要任務是負責制定電動車在該市得以廣泛使用的時間表及付諸實施的具體辦法。
冰島政府對燃油征收很高的稅收，這使得電動汽車等零排放汽車產(chǎn)生巨大的優(yōu)勢。2016 年，在電動汽車銷量（插電式混合動力汽車）占本國汽車銷量比重的全球排行榜中，冰島以6.3% 的比例僅次于挪威，排名世界第二。
用綠色甲醇替代汽、柴油燃料也是冰島探索交通系統(tǒng)去碳化的嘗試方向。地熱電廠的熱水伴生二氧化碳，形成一定的碳排放，于是冰島的地熱公司努力探索二氧化碳的捕集。創(chuàng)立于2007 年的Carbon RecyclingInternational（碳循環(huán)國際）公司將地熱發(fā)電過程中伴生的二氧化碳進行捕集和再利用，用可再生能源制的氫氣或化工行業(yè)副產(chǎn)的氫氣與二氧化碳進行作用，制成甲醇，替代汽、柴油燃料，實現(xiàn)交通能源的近零碳。2014年，冰島的甲醇年產(chǎn)能達到4000 噸，碳捕集量約6000 噸。這也為其他國家能源產(chǎn)業(yè)轉型起到示范作用 。
學習借鑒冰島的成功經(jīng)驗
冰島在環(huán)保意識和零碳理念的推動下持續(xù)推進能源轉型，向世界展示了100% 可再生能源的可信情景，向世界提供了一個電力系統(tǒng)轉型、供熱能源轉型和交通能源轉型協(xié)同推進的系統(tǒng)性樣本。中國的能源結構目前是以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主，但有著豐富的可再生能源資源，如風能、太陽能、水能、生物質(zhì)能，以及海洋能。中國借鑒冰島的經(jīng)驗，能夠更加堅定能源轉型的信心，可以考慮勇敢地設定100% 可再生能源的目標，加速能源轉型。
2016 年12 月，中央財經(jīng)領導小組要求推進北方地區(qū)冬季清潔取暖。在治理霧霾的共同愿景下，供熱能源的去煤炭化正在加速。地熱是一種可以快速、大規(guī)模替代煤炭的清潔能源。在河北省雄縣、陜西省武功縣等地區(qū)，中深層地熱已經(jīng)取代燃煤成為供熱主體能源。雄縣地熱供暖面積已經(jīng)達到450 萬平方米，覆蓋率超過95%。可以預測，在地熱資源豐富地區(qū)，地熱有可能成為供熱的主體能源。
今年4 月，中央提出建設雄安新區(qū)，已經(jīng)采用地熱供暖的雄縣和容城縣都在雄安新區(qū)內(nèi)。以地熱作為主體能源，實現(xiàn)雄安新區(qū)的清潔供熱已經(jīng)成為各方共識。雄縣地熱田面積300 余平方公里，是中國東部平原中地熱水資源埋藏淺、溫度高、水質(zhì)優(yōu)、資源豐富、開發(fā)利用條件好的地熱田之一。雄安新區(qū)的地熱開發(fā)將為中國供熱能源轉型和地熱融入城市能源體系樹立典范。
今年6月1日上午，國家能源局副局長李凡榮在北京會見冰島國家能源局局長約翰內(nèi)松一行，雙方就兩國能源發(fā)展情況，地熱能領域合作現(xiàn)狀、合作前景及下一步計劃等深入交換了意見。當天下午，冰島能源局局長約翰內(nèi)松在清華大學做了題為“地熱平臺上的可再生能源體系”的主題報告。
對地熱技術的再思考
保護自然與改造自然的平衡。冰島著名的溫泉——藍湖并不是天然溫泉，而是地熱發(fā)電廠的地熱尾水排到火山熔巖形成的天然瀉湖，它是一種人類技術改造后的自然，能否將其看作是人與自然關系的一種創(chuàng)新？在地熱開發(fā)利用的過程中，如何處理保護自然與改造自然的平衡？
冰島溫泉
地熱資源的可再生性。冰島全國人口數(shù)只有33 萬，面積為10 萬平方公里。單位面積上的用能負荷很低。但在中國，人口密度大，用能密度高出冰島許多倍。中國有很多縣，人口總量超過百萬，但面積卻只有1000 多平方公里，相當于冰島的百分之一，更不要說人口高度密集的北京、天津這樣的超大型城市了。在這些城市和鄉(xiāng)村，清潔供暖如果采用地熱，在地熱資源的可持續(xù)性方面將面臨巨大挑戰(zhàn)，需要在地熱開發(fā)時進行特別謹慎的考慮。
回灌問題。冰島最初開發(fā)地熱時，并不考慮地熱水的回灌問題。但在中國，必須考慮回灌，現(xiàn)在冰島也把回灌列入監(jiān)管體系。應當說，回灌的技術標準和監(jiān)管體系還遠未完善，這在中國的地熱開發(fā)中，是必須要著力解決的。
地熱開采誘發(fā)地震問題。石油開發(fā)的鉆井工程會影響地下的地質(zhì)條件，進而會誘發(fā)地震。地熱井因鉆井深度超過2000 米，也對地層造成明顯的擾動，已有的研究表明，地熱井會誘發(fā)地震。但目前這方面的研究尚不足，也缺乏相應的技術標準。雄安新區(qū)的地熱開發(fā)將需要建設大量的地熱井，在規(guī)劃建設階段就必須考慮誘發(fā)地震因素，提前準備地層變化監(jiān)測和地震監(jiān)測體系，以備開展科學研究，制定相應技術標準和管理標準，最大程度減少地熱開發(fā)誘發(fā)地震造成的不良后果。
我國的地域、人口、能源規(guī)模都遠遠大于冰島，能源轉型的復雜程度肯定也遠超后者。但制約中國能源轉型的并不是資源，而是有效利用可再生能源的科學技術。中國在放眼全球，學習冰島等國能源轉型經(jīng)驗的同時，更要持續(xù)開展各領域的科技創(chuàng)新。中國這樣的大國，應當為世界承擔起能源轉型技術研發(fā)者和引領者的角色。（文/何繼江，整理/朱曉宇）
注：本文根據(jù)何繼江博士公開發(fā)表的文章、演講報告綜合整理而成。何繼江簡介：男，博士，副研究員，清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院政策發(fā)展研究室主任。中國能源研究會能源互聯(lián)網(wǎng)專委會副秘書長、中國電動汽車充電技術與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長、電能替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進聯(lián)盟專家委員會委員、中國電機工程學會用電與節(jié)電專業(yè)委員會第五屆專業(yè)委員會委員。
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