古有“钻木取火”，今有“钻地取电”？

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长期以来，地热仅限于火山活动地区，但由于新技术出现，地热有望成为一种用途更为广泛的能源。一种不同寻常的设备在干燥又辽阔的内华达沙漠中闪闪发亮。它所用的并非太阳能或风能，而是来自地球本身的能量。这个工作站被称为“红色项目（Project Red）”，它将水泵入地下数千英尺，那里的岩石热到足以烤火鸡。这一设施每天都会吸回被地下热加热的水，然后将其用于发电机供电。自去年 11 月以来，这种无碳的、地球发的电一直在流向内华达州的当地电网。尽管地热能量从地球的超热核心持续辐射，但长期以来都是一个针对范围相对有限的电力资源，主要局限于像冰岛那样温泉在地面冒泡的火山地区。但地热爱好者始终梦想在没有这种特定地质条件的地方开采地球能量 —— 比如由能源初创公司 Fervo Energy 开设的 Project Red 内华达工厂。这种下一代地热系统已经持续工作了几十年。不过，事实证明，这种系统又复杂又贵，甚至有时会引发地震。部分专家相信，“红色项目”等新的努力现在可能终于成为一个转折点 —— 利用在石油和天然气开采中磨练出来的技术来提高可靠性和成本效益。这些进步让人们相信，只要有足够的时间和金钱，地热能可以成为主流能源 —— 尽管目前地热发电额不到全球发电量的 1%，且仅占美国发电量的 0.4%。一些人认为，地热可以为太阳能和风能等间歇性能源提供持续的后备支持，因此可以成为能源系统脱离化石燃料的重要过渡工具。斯坦福大学的能源工程师 Roland Horne 说：“对我来说，长期以来，它一直是最有前途的能源。但现在，我们正在向无碳电网迈进，地热就非常重要了。”坎坷的起步地热能与两样东西配合效果最佳：热量，以及透水性强的岩石。在熔岩靠近地表的地方，水渗透到多孔的火山岩中温度升高，并像热水、蒸汽或两者兼而有之一样向上冒泡。如果水或蒸汽足够热 —— 理想情况下至少在 300 华氏度（约 149℃）—— 它可以从地下提取出来，用于发电机发电。在肯尼亚，近 50% 的电力来自地热；冰岛 25% 的电力来自地热能；而新西兰的约为 18%，加利福尼亚州的则为 6%。油田服务公司 SLB 的地热能咨询部门（GeothermEx）领导、地质学家 Ann Robertson-Tait 说，一些天然地热资源仍未被开发，例如美国西部。但总的来说，我们正在耗尽天然的优质地热资源，这促使专家们考虑如何从更难获取能源的地区提取地热能。Robertson-Tait 说：“地球上的热量非常高。”但她还补充道，“其中大部分都被限制在岩石中，无法渗透。”要挖掘这种热量，就需要在这些非火山岩、致密岩石上进行深入钻探，并制造裂缝让水流通过。自 1970 年以来，工程师们一直在开发“增强型地热系统”（EGS），通过利用类似于水力压裂法（或称压裂法）的方法，从深层岩石中提取石油和天然气。高压泵将水泵入深达数英里的水井中，在岩石上喷射出裂缝。裂开的岩石和水在地下形成一个散热器，在这个地方加热水后通过第二口井上升到地表。在美国、欧洲、澳大利亚和日本已经建造了几十个这样的 EGS 装置，不过其中大部分是由政府资助的实验性装置，成功程度参差不齐。有个出名的事件：2017 年，韩国的一家 EGS 装置可能引发了 5.5 级地震，突然关闭了。任何形式的压裂都会给增加附近构造断层的压力。此外，还有技术上的问题 —— 一些装置没有制造足够的裂缝来进行良好的热交换，或者裂缝的走向错误，未能连接两口井。不过，在一些将奋斗最终落实的发电厂里，包括 1987 年到 2012 年期间在莱茵河谷建造的几个德国和法国系统，工程师们利用了岩石中现有的裂缝进行开采地热能。协助开发了莱茵河谷的一些 EGS 系统的德国卡尔斯鲁厄能源研究所弗劳恩霍夫 IEG 的地球物理学家 Dimitra Teza 说：“但总体而言，人们还没有足够的兴趣将 EGS 发展成为一种更可靠和更有利可图的技术。这对这一行业来说相当艰难。”

新势头

安全和技术问题已找到解决方案。已提出一些避免地震的稳健建议，例如避免在活跃断层附近钻探。对法国和德国运营中的 EGS 设备的长期监测仅记录了轻微震动，这增强了人们对该技术安全性的信心。重要的是，得益于 20 世纪 10 年代开始的页岩油气开采热潮，钻井和压裂技术已取得了重大进步。普林斯顿大学能源系统研究员威尔逊·里克斯说：“从那时起，我们发现人们对 EGS 概念重新产生了兴趣，因为EGS 的核心技术在这段时间内得到了完善，成本也大幅降低。”

例如，2015 年，美国能源部在犹他州建立了一个致力于推进 EGS 技术发展的研究基地。包括 Sage Geosystems 和 E2E Energy Solutions 在内的几家新的北美初创公司正在德克萨斯州和加拿大分别开发新的 EGS 系统。目前技术最先进的是 Fervo Energy 公司，该公司在内华达州的基地应用了页岩行业的多种技术。该基地生产的电力现已供应当地电网，包括谷歌公司拥有的耗能数据存储中心（谷歌与 Fervo 合作开发了该工厂）。

工程师们钻入内华达州岩石近 8000 英尺，温度达到约 193℃（380 华氏度），然后在底部钻了另一口 3250 英尺的水平井，以扩大系统接触的热岩区域——这是油气开采中使用的一种技术，可以最大限度地提高产量。该公司还沿着水平井的几处点位对周围的岩石进行了压裂，以形成更广泛的裂缝网，供水流过。Fervo 公司科学顾问委员会成员霍恩说：“从技术上讲，与早期的 EGS 工作相比，它们实际上取得了重大进展。”

位于内华达州强效地热发电站“红色项目（Project Red）”由初创公司 Fervo Energy 开设，该公司一直在研究如何使地热成为更广泛的电力来源。图源：FERVO ENERGY这些新的 EGS 系统的长期表现如何，还有待观察。根据普林斯顿大学的同事 Ricks 和 Fervo Energy 的几位专家最近的研究，像 Fervo 这样的系统的一个优点是，它们可以利用能源价格的波动来提高利润。操作人员可能会堵塞出口井，导致系统内积水，从而增加压力和热量。
然后，他们就可以在最有价值的时候提取能源，比如在太阳能或风能无法起效的多云或无风时段。
Ricks 说，尽管如此，这种系统要想实现商业化应用，还必须大幅扩大规模。虽然“红色项目”提供的蒸汽足以来产生 3.5 兆瓦，足以为超过 2500 户家庭供电，比任何其他使用 EGS 技术的发电厂都多，但它的规模仍然相对较小。毕竟核电站或煤电站可以轻松产生 1000 兆瓦发电量，而大型太阳能或传统地热发电厂的发电量往往高达数百兆瓦。
Ricks 说，EGS 领域现在需要的是用来构建和测试更多这种系统的资金，以此激发投资者的信心。他说：“所有这些都需要非常充分的证明，才能使可感知的风险达到较低的程度。”
地热发电技术的转折点？为此，美国能源部最近向三个 EGS 和相关技术的示范项目提供了 6000 万美元的资金，作为更广泛倡议去加快 EGS 开发的部分。据该机构 2019 年的一份报告估计，随着 EGS 的进步，到 2050 年，美国的地热发电装机容量将达到约 60 千兆瓦（60,000 兆瓦），发电量将占全国总发电量的 8.5%—— 这比今天增长了 20 多倍。
全球能源转型的目标是到 2050 年实现碳净零排放，即使增加几个百分点，也将有助于实现目标。Nils Angliviel de La Beaumelle 最近在《环境和资源年度评论》上与人合著了一篇关于全球可再生能源前景的文章。他说：“如果在 15 或 20 年内 EGS 可行，我认为它可以发挥重要作用。”
其他地热技术也可能有所帮助。一些公司正在探索“超热岩”地热的可行性 —— 从本质上讲，这是 EGS 的一种年轻、极端的变体，需要钻入地壳更深的地方，到水达到“超临界”蒸汽状态的深度，使其能够携带比蒸汽或液体更多的能量。在德国南部，能源公司 Eavor 正在建造世界上第一个“闭环”地热系统：一旦管道将水输送到深层岩石中，该系统就会形成一个由平行钻孔组成的网络，水永远不会渗透岩石。Teza 说，这是一种更可预测的（尽管效率较低）加热的方式，，因为它不涉及以正确方式压裂岩石的不确定性。“看到有人投资这些技术，我真的很开心。我认为这有所帮助”，她说。
Robertson-Tait 说，总的来说，这是地热能源的重要时刻 —— 而不仅仅是提供无碳电力。从地球提取的地热盐水富含锂和其他重要矿物质，可用于构建太阳能电池板和电动汽车电池等绿色技术。越来越多的人开始推行直接用地热来为建筑物供暖，要么通过住宅建筑的浅层热泵，要么通过为整个地区设计的更大型系统 —— 就像巴黎和慕尼黑已经拥有的那样。
Robertson-Tait 说，一些石油和天然气公司认识到变革即将到来，对建造各种地热系统越来越感兴趣。“我们的地球就是地热，”她说，“因此我认为我们有责任尽我们所能去利用它。”
作者：Katarina Zimmer
翻译：4925
审校：亦山
原文链接：Geothermal power heats up
本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：Katarina Zimmer

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