引言

西藏日喀則地區平均海拔3852m左右,地處高寒、高海拔地區。極端最低溫度-21.3℃,日平均溫度≤5℃為159天,日喀則市現有供暖基礎設施薄弱,城區內尚無集中供暖設施,城區內大多采用柴火爐和分體空調分散供暖。柴火燃燒會產生煙塵,污染環境;燃燒不充分,易引起CO中毒事故;柴火燃燒增加了室內火災危險性,嚴重威脅人民的生命財產安全。分體空調品牌不一,性能不一,能效得不到保障,耗電高,熱舒適性差,已經不適應當前城市發展建設和百姓宜居生活的需要,清潔能源集中供暖設施的建設完善已成為亟待解決的民生問題。

在國家“碳中和、碳達峰”戰略方針下,為提升西藏日喀則地區人民冬季生產生活熱舒適性,促進社會經濟可持續發展,維護民族團結、邊疆穩定和實現國家的長治久安,采用清潔能源用于集中供暖勢在必行。

從西藏日喀則地區的資源稟賦出發,對生物質能、太陽能、地熱能、天然氣、清潔電能等清潔能源用于集中供暖的適用性進行分析。并在清潔能源分析的基礎上,對適用性熱源(生物質能、太陽能、地熱能、天然氣、清潔電能等)進行投資運行經濟性分析,從投資運行經濟性角度對西藏日喀則地區清潔能源集中供暖熱源進行推薦。

1  清潔能源分析

1.1生物質能

生物質能,是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式,即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用,可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料,取之不盡、用之不竭,是一種可再生能源,同時也是唯一一種可再生的碳源。生物質的硫含量、氮含量低、燃燒過程中生成的SO2、NOX較少;生物質作為燃料時,由于它在生長時需要的二氧化碳相當于它排放的二氧化碳的量,因而對大氣的二氧化碳凈排放量近似于零, 可有效地減輕溫室效應。生物質資源包含林業生物質資源、農業生物質資源、以及城市和工業有機廢棄物等。

與煤炭產生的熱量相比,生物質熱值較低。燃燒相同質量的煤與生物質,生物質產生的能量只有煤的三分之一。但生物質燃料來源廣泛,屬于清潔型能源,受國家相關政策扶植。生物質鍋爐熱效率高,可達85%以上,采用炭氣聯產生物質鍋爐,除可提供蒸汽外,還可以提供炭、木焦油、木醋等附屬工業產品,經濟效益較好。

西藏主要生物質有林木、牧草、農作物等,西藏的生物質能資源分布呈現空間分布規律,由林芝地區沿雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江向西北溯流而上呈下降趨勢,那曲、日喀則、阿里等地生物質能資源極其匱乏。

日喀則地區以草甸為主,耕地面積小,耕地面積僅為7.95萬公頃,約占日喀則土地面積的4.5‰, 森林面積較小,森林覆蓋率僅為6.81%。經調查, 日喀則地區生物量降到5t/hm以下。

西藏是我國的生態屏障,生態環境十分脆弱, 生態戰略地位十分重要。考慮到西藏的荒漠、草原、 森林等生物群落的敏感性強、退化嚴重、環境脆弱, 可利用的生物量很有限。生物原材料包括木材、飼草、糧食、有機肥料等,生物質中的主體—林木資源的相當一部分作為商品材出售,牧草主要為家畜和野生動物食用,糧食、油料等以口糧供應和輕工原料為主,一部分畜糞和秸稈還要還田,導致可利用的生物質量更少。

在薪柴能源替代戰略下,生物質能利用具有可行性,但是鑒于其生物質資源有限,自然環境脆弱, 其開發規模要經過科學論證后,因地制宜,適度開發。

從日喀則地區生物質資源稟賦來看,日喀則地區采用生物質做供暖主要燃料,可行性不高,但城市垃圾無害化處理是西藏各城區面臨的痛難點之一,城市有機垃圾也是生物質的來源之一,城市有機垃圾生物質可作為城市集中供暖的備用或輔助燃料考慮,同時解決城市有機垃圾無害化處理問題。

1.2太陽能

西藏的太陽能資源居全國首位,是世界上太陽能資源最豐富的地區之一,比同緯度的平原地區多一倍或1/3;日照時間全國最長的,各地海拔相對較高,加之所處地理位置的特殊性,使得全年可接受的太陽輻射能充裕,全年太陽高度角變化幅度不大,冬夏半年太陽可照時數差別較小。

日喀則地區屬西藏自治區太陽能最豐富的地區之一,年太陽總輻射為6836.6MJ/㎡,太陽總輻射最大月為5月,5月總輻射為742.1 MJ/㎡,太陽總輻射最小月為12月,12月總輻射為427.6 MJ/㎡, 太陽總輻射最大季節為春季,春季總輻射為 2042.2MJ/㎡,太陽總輻射最小季節為冬季,冬季總輻射為1360.9MJ/㎡。日喀則桑珠孜區太陽能輻射量存在季節分配不均的情況,供暖季太陽輻射量相對較小。日喀則最冷月南向垂直面平均總太陽輻照度 Is>200W/m2。

日喀則市地勢高,光照透明度好,太陽能資源穩定性好,經統計,日喀則市年平均日照數為 3004.6h,年內日照時數大于6h/天的日數為301天。根據日喀則太陽能資源的豐富性和穩定性,太陽能供暖條件得天獨厚。

1.3地熱能

地熱能是指地殼內能夠科學、合理地開發出來的巖石中的熱量和地熱流體中的熱量。地熱是一種潔凈的可再生能源,具有熱流密度大,容易收集和輸送、參數穩定、使用方便等優點。

地熱能根據深度不同,可分為淺層地熱和中深層地熱。

淺層地熱位于地下0 m ~200m,主要來自太陽輻射對地表土壤的加熱,約占總的地熱能的5%, 淺層地熱主要以熱水型和蒸汽型存在,主要分布在構造板塊邊緣,淺層地熱受地下熱水資源稀缺,換熱后回灌困難,地下水污染風險較大,長期使用存在熱衰減問題,資源分布局限,能量密度小等因素的制約,使用具有很強的局限性和技術難度。

中深層地熱位于地下200 m ~4000m,主要來自地核熔融巖漿和地殼上部放射性生熱元素衰變,以巖熱型為主,巖熱型地熱能存在于由地溫梯度形成的巖土體中,地溫梯度普遍存在,巖熱型地熱資源普遍存在,地域適用性強。目前,我國的雄安、西安等地已開展中深層地巖熱供暖的工程探索,雖已投運的系統運行時間較短,但根據目前的中深層地巖熱供暖系統運行經驗,取熱井溫度衰減較慢,中深層地熱作為一種長期供熱熱源是穩定、可靠的。

西藏是中國地熱活動最強烈的地區,地熱蘊藏量居中國首位,但日喀則桑珠孜附近無熱水型和蒸汽型淺層地熱資源分布。根據日喀則桑珠孜地熱資源稟賦,中深層巖熱型地熱能用于集中供暖具有較強的適用性。

1.4 天然氣

西藏自治區范圍內尚未探明有天然氣資源,所有的天然氣均需從區外運輸。在項目所在地不具備采用太陽能、電能及地熱能供暖條件,天然氣持續供應量有保證、投資(包括當地配套建設的天然氣儲運、輸配系統)及運行費用均比其他推薦的熱源形式有優勢的條件下,可考慮采用燃氣供暖。

1.5電能

西藏自治區缺乏煤炭、石油、天然氣等能源, 常規能源短缺現象嚴重,常規能源發電受資源稟賦制約。但太陽能、地熱能和水能居全國首位,風能資源較豐富,是新能源的寶庫。西藏能源優勢得天獨厚,開發潛力巨大。

風電潛能:西藏有兩條風帶,推測年風能儲量 930億KW.h,居全國第七位。西藏風能技術可開發量超過1.8億KW,主要分布在那曲、日喀則、山南等高海拔地區,未來可集中開發的連片土地空間較大,利用小時數約2300h/年。

太陽能發電潛能:西藏的太陽能資源居全國首位,是世界上太陽能資源最豐富的地區之一。西藏平均每天日照時長達8h,全年艷陽高照時間達300 天,年日照時間居全國首位。西藏光伏可開發規模超7億KW,資源豐富、出力穩定,利用小時數達 1500 h/年-2000h/年。

地熱發電潛能:西藏是中國地熱活動最強烈的地區,各種地熱顯示點有1000多處。西藏地熱資源儲量近3億KW,其中可用于發電的約300萬KW, 地熱的利用小時數高達8000h/年。

水能發電潛能:西藏的水能資源極為豐富,全區水能資源理論蘊藏量為2億KW,約占全國的 30%,居全國首位。《青藏高原生態文明建設狀況》 白皮書顯示,西藏水能資源技術可開發量為1.74億 KW。

日喀則地處喜馬拉雅山系中段與岡底斯-念青唐古拉山中段之間,南北地勢較高,其間為藏南高原和雅魯藏布江流域。太陽能、地熱能、水能、 風能資源豐富,新能源發電潛能巨大。采用清潔電能(太陽能發電、地熱能發電、風力發電或水利發電)作為集中供暖能源,屬于可接受選項。

1.6 清潔能源分析

通過分析西藏日喀則地區的清潔能源稟賦發現,太陽能、中深層地熱能和清潔電能(太陽能發電、地熱能發電、風力發電或水利發電)資源豐富,可作為集中供暖能源選項;而生物質能受資源量不足的制約,作為集中供暖主要能源的可行性不高, 生活有機垃圾生物質可作為備用或輔助能源,解決城市部分生活垃圾處置問題的同時,增加集中供暖的可靠性;以天然氣為代表的清潔化石能源,西藏暫未探明有儲量,可不考慮作為集中供暖能源。

2熱源分析

根據西藏日喀則地區清潔能源分析,日喀則地區太陽能、地熱能、風能和水能資源豐富,太陽能直接供暖、中深層地巖熱供暖具有可行性,同時新能源發電用于集中供暖熱源具有可行性,利用清潔電做能源的供暖形式有電鍋爐、超低溫空氣源熱泵和電解水制氫合成甲醇鍋爐。生物質鍋爐尤其是以生活有機垃圾為燃料的生物質氣化鍋爐也可作為備用或輔助能源的選擇。

2.1電鍋爐

電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐,它是以電力為能源并將其轉化成為熱能,從而經過鍋爐轉換, 向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體的鍋爐設備。電熱鍋爐具有無污染、無噪聲、占地面積小、安裝使用方便、全自動安全可靠等優點, 但因電屬于二次能源,且電鍋爐耗電量大,熱效率低于100%。在無供電政策,其他熱源豐富的情況下,禁止采用電鍋爐供暖。電鍋爐用于集中供暖熱源投資運行經濟性分析詳見表1:

注:電鍋爐的熱效率按98%計,電費按0.33元 /kWh計;初投資僅考慮一類費,即僅考慮設備投資及項目建設投資,未考慮供電不足新建供電設施投資,未包含末端及管網投資;運行費在電費的基礎上考慮1.3的系數,用于設備運維投入及補水消耗等。

2.2低溫空氣源熱泵

空氣源熱泵用于供暖,是利用清潔電供暖的方式之一。空氣源熱泵從大氣環境中吸取低品位能量, 轉化為高品位能量,用于供熱供暖。空氣源熱泵具有占地面積小,可直接放置于室外,不同設置專用機房,節省土建成本,不采用冷卻塔,免去冷卻水系統投資,模塊化設計,調節靈活等優點。

低溫空氣源熱泵適應嚴寒、寒冷地區的氣候特點,采用噴氣增焓技術或CO2復疊循環技術,實現了超低溫下穩定制熱,為西藏等高寒地區低溫空氣源熱泵供暖提供了技術支撐。低溫空氣源熱泵用于集中供暖熱源投資運行經濟性分析詳見表2:

注:電費按0.33元/kWh計;初投資僅考慮一類費,即僅考慮設備投資及項目建設投資,未考慮供電不足新建供電設施投資,未包含末端及管網投資;運行費在電費的基礎上考慮1.3的系數,用于設備運維投入及補水消耗等;-7.3℃為日喀則供暖室外計算溫度,-21.3℃為極端最低氣溫,-0.3℃為氣溫低于5℃期間平均溫度,1℃為氣溫低于8℃期間平均溫度。

2.3電解水制氫合成甲烷

電解制氫合成甲烷/甲醇工藝,是利用清潔電供暖的另一種方式。首先,將水電解制取氫氣,然后,氫氣與CO2反應合成甲醇,甲醇作為燃料供鍋爐使用。這種利用清潔電能產生化學能的形式,能夠消納CO2的同時,完成了跨季節儲能,在一定程度上實現了夏熱冬用。

2.4 太陽能

根據《太陽能供熱供暖工程技術規范》 (GB50495-2019),在寒冷地區太陽能供暖系統須采用間接供暖系統。太陽能間接供暖系統用于集中供暖熱源投資運行經濟性分析詳見表4:

注:初投資僅考慮一類費,即僅考慮設備投資及項目建設投資,未包含末端及管網投資;運行費在集熱器循環泵和供暖循環泵運行費基礎上,考慮 1.3的系數,用于設備運維投入及補水消耗等。

2.5 地熱能

根據日喀則地區地熱資源稟賦分析,可知日喀則地區無淺層地熱資源分布,不可采用淺層地熱用于集中供暖,可采用中深層地巖換熱清潔供暖技術。

中深層地巖換熱清潔供暖技術采用深層鉆井工藝向地下一定深度的高溫巖層鉆孔,將特制的閉式換熱器埋于孔中,閉式換熱器通過管路與地面換熱設備相連接形成閉式循環系統。閉式換熱器中的循環換熱介質為水,換熱介質與地下深層高溫巖土交換熱量后,將地下深層的熱能交換出來,為地面換熱設備提供熱源鉆孔深度一般為 1500m-3000m,孔徑200m-300mm。成孔后,運行過程中不提取使用地下水,只通過換熱介質提取深層地熱。原理詳見圖2:

中深層地巖換熱清潔供暖技術用于集中供暖熱源投資運行經濟性分析詳見表2-5:

注:初投資僅考慮一類費,即僅考慮設備投資及項目建設投資,未包含末端及管網投資;運行費在集熱器循環泵和供暖循環泵運行費基礎上,考慮 1.3的系數,用于設備運維投入及補水消耗等。

2.6有機生物質氣化鍋爐

有機生物質氣化裂解爐在不完全燃燒條件下, 將垃圾加熱,使垃圾中的有機碳氫化合物發生裂解反應,變成含有 CO、 H2、 CH 4 等可燃氣體的混合氣體;混合氣體產生后隨即燃燒,燃燒產生的高溫將混合氣體中的有害物質有效分解,垃圾處理無害化 100%,并產生可以再次利用的熱能。

氣化熱解過程是一種限氧反應,成本比垃圾焚燒低80%以上。氣化熱解生活有機垃圾能夠滿足就地、即時、無害化垃圾處理,且其設備結構簡單, 操作簡易,處理環保。

有機生物質氣化熱解過程不需要消耗燃料,原料僅為經分類處理的生物質有機垃圾,除鍋爐房建造成本、供暖介質輸送成本和人工成本外不需要其他投入,且產生供暖燃料和生活有機垃圾無害化處理。初投資低,運行費低,環保無污染,但受制于生活有機垃圾數量,無法作為集中供暖主要能源, 但可作為輔助能源以應對極端氣候或檢修狀況。

2.7熱源分析

從上述熱源分析看出,太陽能供暖最經濟,但受天氣影響,熱源穩定性差;電鍋爐初投資最低, 但運行費最高;中深層地巖熱雖初投資高,但運行費低,其可靠性、穩定性有待驗證;電解制氫合成甲醇用于集中供暖,初投資最高,但有附屬產品氧氣產生增值效應,且運行費低,但是否能夠應用, 需要政府出臺相關政策支持;有機生物質垃圾氣化鍋爐供暖初投資低,運行費低,環保無污染,但受制于生活有機垃圾數量,無法作為集中供暖主要能源,但可作為輔助能源以應對極端氣候或檢修狀況。 低溫空氣源熱泵投資較低,僅高于電鍋爐,運行費較電鍋爐低50%,且在寒冷地區運行穩定,可作為主要熱源使用。