原位SOFC技术在地下油页岩转化中的经济评估：成本、收益及商业可行性

《Geothermics》：Economic evaluation of in-situ SOFC technology for subsurface oil shale conversion: Costs, returns, and commercial scalability

　　•一个九堆叠的地热燃料电池系统同时提供了29.1千瓦时的地下热量和4.4千瓦时的可输出电力。•在接近稳态运行条件下，该GFC系统实现了55%的综合热电效率和大约28%的映射性能效。•回收未反应的重整流可以将整体综合热电效率从55%提高到大约66%。•电力联合生产为中国原位油页岩转化提供了重要的收入来源，增强了其经济竞争力。•未反应燃料的回收和阳极废气的再利用成为提高大规模GFC应用回报率的最佳工程策略。

**引言**
中国拥有世界上第四大的油页岩资源，自然资源部估计松辽、鄂尔多斯和准噶尔盆地的油页岩储量超过7000亿吨，相当于约4760亿桶页岩油（Borgia等人，2012年）。这一资源是中国重要的国内能源储备，但其目前对能源供应的贡献几乎为零，因为还没有任何回收方法能够在与国家能源系统规模相匹配的情况下既实现可接受的成本又具备可接受的环境影响。中国提出的双碳目标——即2030年前达到碳排放峰值、2060年前实现碳中和——加剧了对更清洁的就地转化途径的需求。随着油价的上涨、能源安全问题的加剧以及碳中和目标的明确，人们对这些油页岩资源的兴趣持续增长，同时资源量与开发规模之间的巨大差距也推动着研究人员朝更低排放、更高经济效率的转化技术方向发展（Zhang等人，2020年）。这一挑战主要源于热能问题：油页岩并非液态石油的储藏库，而是一种细粒沉积岩，其中的油母质（有机前体）与矿物基质紧密结合在一起。要提取可用碳氢化合物，必须将岩石加热到裂解温度并保持足够长的时间。任何技术的可行性都取决于热能的产生方式、传递方式以及成本控制。

**研究内容**
本研究探讨的技术旨在更高效地解决这一问题。国内基于这些油页岩层的开发从未超出试点阶段，每次技术热潮都会因供应过程热能的成本超过所回收油资源的价值而消退，这使得热能传递效率成为决定该资源长期发展前景的关键因素（Pruess，2006年）。有机物的转化通过裂解实现，即油母质在高温下分解为液态油、碳氢气体和富碳残渣。实验室和现场研究表明，显著的转化开始温度约为300°C，而实际加工过程则适宜在350–400°C范围内进行。研究表明，较低温度下的缓慢加热能产生质量更轻、品质更高的产品（Chang等人，2024年；Zhang等人，2022年）。Green River地区的油母质属于I型湖泊有机物质，其分阶段分解过程（首先形成富含极性物质的沥青，随后生成富含碳氢化合物的油）已在大约330–350°C的温度下经过水合和非水合裂解实验验证。产品的产率和沸点分布显著受加热速率、围压和停留时间的影响（Chang等人，2023年）。另一个复杂因素是油页岩本身几乎没有天然孔隙性和渗透性，油气分子的逸出路径是在油母质转化过程中形成的，因此热传递和流体传输是耦合在一起的。

**转化方法**
主要的转化方法有两种：
1. **地面开采法**：将油页岩开采出来后破碎并在地面设备中加热。这种方法已在爱沙尼亚和中国应用多年，但存在大量用水、土地破坏以及废弃岩屑处理困难的问题；当资源埋藏在数百米厚的覆盖层下时，这种方法变得不具可行性。
2. **原位转化法**：在地下直接加热油页岩，使油母质发生裂解并通过常规井口产出油气。这种方法避免了地面开采和加工，显著减少了地面占地面积，能够开发深层和厚层的资源，因此成为近期研究的重点（Chang等人，2026年）。

**关键技术挑战**
每种原位转化方法的核心挑战都是如何以较低的成本高效地将大量热能传递到低渗透性的岩层中。已提出多种原位加热方案，并可根据热能传递机制进行分类：
- **传导式**：在岩层中布置加热器依靠热扩散传递热能，其中最有代表性的是Shell原位转化工艺（Shell In Situ Conversion Process），该工艺使用电阻式井下加热器阵列，其能量消耗和温室气体排放已得到详细分析（Elkezza等人，2024年）。ExxonMobil Electrofrac工艺则通过水力压裂岩层并将导电焦炭注入裂缝中，使每个裂缝成为平面电阻元件，从而提升热能传递距离（Chang等人，2024年）。
- **对流式**：注入蒸汽或空气等热流体将热能传递到岩层中；
- **辐射式**：利用射频或微波场实现能量体积传递。
比较研究表明，这些方法在加热速率、产品质量、井间距及所需辅助能源消耗之间存在权衡（Arastounia和Jahangir，2026年）。

**系统设计**
现有技术的局限性主要体现在热传导效率低（形成物的热导率低）以及流体传输和热传递过程难以协同控制。所有方法均依赖外部能源（通常是电网电力），这使得转化过程本质上成为高品位能量的消耗者而非生产者。当所需热能通过电网电阻加热提供时，约只有三分之一的初级能源以有用热能的形式到达目标岩层，导致能量损失较大（Abdullah和Kamarudin，2015年）。

**地热燃料电池技术**
地热燃料电池（GFC）通过在现场发电过程中产生所需热能，打破了这一模式。这种技术利用固体氧化物燃料电池在约750°C下工作，将燃料电化学转化为电能的同时释放大量热量。GFC将电池部署在油页岩层中，其产生的余热可裂解周围油母质，而电能则作为副产品出售（Al-Othman等人，2022年；Chowdury等人，2024年）。配置为热电联产的GFC系统总效率可接近85%。在地下应用中，通常优先考虑热能传递而非电能产出，系统设计需协调这两个目标（Bagheri等人，2016年）。早期研究通过单模块实验（Rajendran和Prabhu，2017年）、4.5千瓦模块的稳态热电化学建模（Rehman等人，2023年）及调度优化证明了GFC的性能优势（Sullivan等人，2016年），而一项试点项目展示了九堆叠系统的实际运行情况及其能量平衡（Sullivan等人，2016年）。由于部分产生的天然气可回收用作燃料，系统启动后可实现燃料自给自足；调度分析表明，其热能传递效率远高于电网供电的电阻加热方法（Anyenya等人，2017年）。

**本研究**
基于前述示范项目的数据，本研究重新评估了该九堆叠GFC系统的实际运行情况，对其进行了综合能量和映射性能评估。研究目标有三方面：
1. 在准稳态运行条件下建立系统的第一定律能量平衡，量化电能输出、传递给周围岩层的热量及综合热电效率；
2. 建立相应的映射性能量平衡，以便比较电能和热能输出的热力学质量，确定能量损失的主要部位并量化燃料成本；
3. 利用这些热力学和经济分析结果，确定提高项目经济效益的工程措施（特别是未反应燃料回收和阳极废气再利用）。

**结论**
本研究通过基于映射性能量的分析，揭示了之前未被注意到的现象：即使第一定律效率较高，当大部分输出为热能时，第二定律效率也可能较低。这种方法为评估同时产生热能和电能的原位转化系统提供了新的视角，弥补了现有文献中侧重能量和成本分析的不足（Anyenya等人，2018年；Liu等人，2023年；Nadkarni等人，2022年）。实际应用表明，未反应燃料的回收和阳极废气再利用能显著提升项目经济效益。此外，该研究还为未来更大深度、更高负载条件下的GFC系统提供了统一的评估基准。本文的其余部分描述了系统及其分析框架，展示了在现场运行点下的能量和熵值结果，并讨论了这些结果对技术进一步发展和最终规模扩大的影响。

**材料与方法**
本文分析的系统是九层堆叠的地热燃料电池装置，其地下现场运行情况首次由Hui等人（2016年）报道。所使用的运行温度、质量流量、气体组成及电气测量数据均来自该研究。本节总结了物理系统和现场安装情况，明确了数据来源的仪器设备，并阐述了能量和熵值的分析框架及计算程序。

**结果**
研究结果是基于第3节中定义的65安培运行条件下的24小时准稳态情况得出的。首先呈现了第一定律能量平衡的结果，接着是第二定律熵值分析（这也是本次重新评估的重点），最后展示了测得的地下热响应数据。每个数值都是记录的温度、流量、端电压和电流的24小时移动平均值。

**讨论**
从研究结果来看，该现场系统虽然在作为热源时表现良好，但其作为电源的潜力并未得到充分发挥。熵值分析揭示了其与潜在发电能力之间的差距。据报道，以天然气为燃料的简单SOFC发电系统的第一定律和第二定律效率在配置和优化运行条件下可以达到55%至60%（Boak和Kleinberg，2020年；Jacobson等人，2013年）；而热电联产系统则能进一步提高效率。

**结论**
本研究通过结合2014年11月至12月期间约600小时连续地下运行过程中记录的温度、流量和电气数据，运用能量和熵值分析方法重新评估了先前报道的九层堆叠地热燃料电池装置的现场示范情况。在65安培的准稳态条件下，该装置向周围地质环境输送了29.1千瓦的热量，并产生了4.4千瓦的电能。

**作者贡献说明**
黄文颖：概念构建、方法论设计、形式化分析、数据调研、初稿撰写。
王Pan：项目监督、行政管理、数据验证、审阅与编辑、资源协调。
Zoe A. Patel：数据整理、可视化处理、软件应用、形式化分析、审阅与编辑。

Wenying Huang | Pan Wang | Zoe A. Patel