冰島的能源轉型（上）

文 | 本刊特約評論員 何繼江

冰島的能源轉型（上）

文 | 本刊特約評論員 何繼江

冰島：世界可再生能源比例最高的國家

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。活躍的地殼運動、復雜的地形地貌造就了冰島豐富的地熱資源。海洋氣候又帶來了豐沛的降雨，島內年均降水量為2000毫米，人均擁有水資源是歐洲人均水量的600倍。

該國是國際能源署所統(tǒng)計的國家中可再生能源占比最高的國家，2014年，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。2015年，該國的總發(fā)電量是188億千瓦時,人均用電量達到5.7萬千瓦時，也是世界上人均用電量最高的國家。2015年，冰島的水電裝機量為199萬千瓦，年發(fā)電量138億千瓦時，占總量的73.3%。地熱發(fā)電裝機量67萬千瓦，年發(fā)電量50億千瓦時，占26.6%。風電剛剛起步，發(fā)電量只占到0.1%。燃油發(fā)電的裝機量僅有11.7萬千瓦，但極少開機，其發(fā)電量可以忽略不計。

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%。

目前冰島基本不使用天然氣，煤炭使用量也很少，使用的化石能源主要是石油，只占一次能源需求的13%，約有一半用于漁船，另一半主要用于汽車。

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，2014年，一次能源使用量的85%來自本地可再生資源。

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。

表1 冰島一次能源發(fā)電量及占比

19世紀末，冰島大量進口煤炭用于供暖。1914年—1918年，由于第一次世界大戰(zhàn)的影響，煤炭的市場價格升高且供應受限。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。經(jīng)歷了寒冬折磨的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，但規(guī)模仍然比較小。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。二戰(zhàn)后的和平時期內，得益于便宜的國際油價，石油在冰島能源結構中的比重增長比地熱和水電更快，迅速替代煤炭成為主體能源，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，但這也使得其能源轉型加速進行，水電和地熱得到廣泛發(fā)展，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。

圖1 冰島1970年—2015年區(qū)域供熱能源使用情況（資料來源：Orkustofnun）

圖2 冰島1940年—2015年一次能源使用情況（縱軸單位：皮焦）

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。用電來驅動汽車，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。

在地熱領域執(zhí)著的科技創(chuàng)新

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，全國的終端用熱量大約是29皮焦（相當于80.2億千瓦時），其中終端用熱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。

冰島在長期利用地熱過程中，摸索出一套科學高效的地熱梯級利用方法：

1. 從地熱井中抽出高溫熱水和蒸氣，經(jīng)分離后，蒸氣帶動渦輪機發(fā)電，作為第一使用階梯；

2. 高溫熱水將引入的低溫地表水（多為湖水）加熱至80℃左右后輸入市區(qū)，供民居和游泳池采暖與融雪之用，為第二使用階梯；

3. 冷卻后的地熱水含有大量對人體有益的礦物質，引入溫泉療養(yǎng)區(qū)用于洗浴保健，發(fā)展旅游，形成第三使用階梯；

4. 此后的地熱水溫度依然較高，經(jīng)處理后通常用于綠色溫室或魚苗養(yǎng)殖廠供暖，從而形成第四使用階梯。

一、地熱用于供暖

在冰島首都雷克雅未克，大規(guī)模地用熱水進行家用取暖始于1930年。第一個以地熱為基礎的社區(qū)集中供暖系統(tǒng)，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。

1934年—1955年是社區(qū)集中供暖系統(tǒng)發(fā)展階段。工程師Jón Torláksson于1926年發(fā)起雷克雅未克地區(qū)建筑集中供暖系統(tǒng)的討論。他后來于1933年—1935年期間擔任雷克雅未克市市長，大力推進社區(qū)供暖系統(tǒng)。1943年，一條連接地熱田與城市區(qū)的長達18千米的供熱管線投運，成為雷克雅未克區(qū)域供熱系統(tǒng)發(fā)展的里程碑事件。到1945年末，已經(jīng)有2850戶家庭連接到了這個區(qū)域供熱系統(tǒng)中。1940年—1945年，國家研究委員會支持發(fā)展高溫系統(tǒng)內的鉆探工作。1953年，國會通過了一項法律，允許財政支出對鉆探和建設地熱井的總投資可高達80%。雷克雅未克發(fā)達的區(qū)域供熱系統(tǒng)吸引其他城市和鄉(xiāng)村的居民遷居到雷克雅未克，產(chǎn)生了大規(guī)模的遷居潮。直到現(xiàn)在，雷克雅未克及周邊地區(qū)的人口占據(jù)冰島的一半以上。后來，很多村鎮(zhèn)也建設了大量地熱供熱系統(tǒng)。

二、地熱用于發(fā)電

冰島的電力70%以上是水電。該國的水能資源豐富，而且冬季也沒有明顯的枯水期。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。

圖3 冰島2015年各部門終端能源使用情況

冰島的水電和地熱發(fā)電成本都很低，如果換算成人民幣，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)，其中最主要是鋁業(yè)，現(xiàn)在冰島已經(jīng)進入世界鋁業(yè)生產(chǎn)大國的行列。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，以進一步拉動島內地熱發(fā)電業(yè)務。

三、地熱用于溫室大棚

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。溫室產(chǎn)品包括各種蔬菜（如西紅柿、黃瓜和紅辣椒等）和國內市場需求的各種開花植物（如玫瑰和盆栽植物等）。在1990年－2000年期間，每年溫室（玻璃密封）的總面積增加1.9%。在2002年，溫室總面積約為19.5萬平方米。其中，55%的溫室被用于種植蔬菜，45%的溫室被用于種植各種開花植物。溫室生產(chǎn)的西紅柿、黃瓜可滿足國內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。調查顯示，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）。大多數(shù)溫室都位于該國南部，且都是用玻璃密封的。近年來，電照明應用的增加延長了植物的生長期，進一步提高了溫室的生產(chǎn)率。近十幾年來，冰島溫室種植的總產(chǎn)量不斷增加，但溫室的總面積卻有所減少。

20世紀80年代中期，冰島開始開發(fā)地熱養(yǎng)殖業(yè)，通過地熱供熱，魚苗孵化和生長周期大大縮短，而且產(chǎn)量顯著提高，這大大加速了冰島漁業(yè)的發(fā)展。目前，冰島已擁有熱水魚苗場50個，年養(yǎng)殖魚苗4000多噸，捕魚量近200萬噸，是世界人均捕魚量最高的國家。

四、地熱塑造旅游業(yè)

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。大多數(shù)公共游泳池是全年開放的露天游泳池，游泳池主要用于娛樂和游泳訓練。冰島擁有火山口、熔巖流、熱氣孔、熱泥池以及間歇泉等獨特的火山景觀。英語“間歇泉（Geyser）”一詞即源自冰島語。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，2004年，赴冰島旅游人數(shù)已逾百萬。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。電站開采的地熱水在發(fā)電和供熱之后，被排到周圍由熔巖包圍的低洼地上，低洼地有堿性的泉水，而廢水和海水的成分近似，里面飽含鈣、鎂鹽，遇到堿后，原來可溶性的鈣、鎂鹽變成絮狀的白色沉淀物，使巖石不能透水，洼地就成了個蓄水池。由于尾水仍有很高溫度，常有員工在此泡溫泉。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?，F(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。（未完待續(xù)）

（作者單位：清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院）