長(zhǎng)期以來，地?zé)醿H限于火山活動(dòng)地區(qū)，但由于新技術(shù)出現(xiàn)，地?zé)嵊型蔀橐环N用途更為廣泛的能源。
一種不同尋常的設(shè)備在干燥又遼闊的內(nèi)華達(dá)沙漠中閃閃發(fā)亮。它所用的并非太陽能或風(fēng)能，而是來自地球本身的能量。
這個(gè)工作站被稱為“紅色項(xiàng)目（Project Red）”，它將水泵入地下數(shù)千英尺，那里的巖石熱到足以烤火雞。這一設(shè)施每天都會(huì)吸回被地下熱加熱的水，然后將其用于發(fā)電機(jī)供電。自去年 11 月以來，這種無碳的、地球發(fā)的電一直在流向內(nèi)華達(dá)州的當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。
盡管地?zé)?/strong>能量從地球的超熱核心持續(xù)輻射，但長(zhǎng)期以來都是一個(gè)針對(duì)范圍相對(duì)有限的電力資源，主要局限于像冰島那樣溫泉在地面冒泡的火山地區(qū)。但地?zé)釔酆谜呤冀K夢(mèng)想在沒有這種特定地質(zhì)條件的地方開采地球能量 —— 比如由能源初創(chuàng)公司 Fervo Energy 開設(shè)的 Project Red 內(nèi)華達(dá)工廠。
這種下一代地?zé)嵯到y(tǒng)已經(jīng)持續(xù)工作了幾十年。不過，事實(shí)證明，這種系統(tǒng)又復(fù)雜又貴，甚至有時(shí)會(huì)引發(fā)地震。部分專家相信，“紅色項(xiàng)目”等新的努力現(xiàn)在可能終于成為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) —— 利用在石油和天然氣開采中磨練出來的技術(shù)來提高可靠性和成本效益。
這些進(jìn)步讓人們相信，只要有足夠的時(shí)間和金錢，地?zé)崮芸梢猿蔀橹髁髂茉?—— 盡管目前地?zé)岚l(fā)電額不到全球發(fā)電量的 1%，且僅占美國(guó)發(fā)電量的 0.4%。一些人認(rèn)為，地?zé)峥梢詾樘柲芎惋L(fēng)能等間歇性能源提供持續(xù)的后備支持，因此可以成為能源系統(tǒng)脫離化石燃料的重要過渡工具。斯坦福大學(xué)的能源工程師 Roland Horne 說：“對(duì)我來說，長(zhǎng)期以來，它一直是最有前途的能源。但現(xiàn)在，我們正在向無碳電網(wǎng)邁進(jìn)，地?zé)峋头浅Ｖ匾??！?/p>
坎坷的起步
地?zé)崮芘c兩樣?xùn)|西配合效果最佳：熱量，以及透水性強(qiáng)的巖石。在熔巖靠近地表的地方，水滲透到多孔的火山巖中溫度升高，并像熱水、蒸汽或兩者兼而有之一樣向上冒泡。
如果水或蒸汽足夠熱 —— 理想情況下至少在 300 華氏度（約 149℃）—— 它可以從地下提取出來，用于發(fā)電機(jī)發(fā)電。在肯尼亞，近 50% 的電力來自地?zé)?；冰島 25% 的電力來自地?zé)崮埽欢挛魈m的約為 18%，加利福尼亞州的則為 6%。
油田服務(wù)公司 SLB 的地?zé)崮茏稍儾块T（GeothermEx）領(lǐng)導(dǎo)、地質(zhì)學(xué)家 Ann Robertson-Tait 說，一些天然地?zé)豳Y源仍未被開發(fā)，例如美國(guó)西部。但總的來說，我們正在耗盡天然的優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源，這促使專家們考慮如何從更難獲取能源的地區(qū)提取地?zé)崮?。Robertson-Tait 說：“地球上的熱量非常高?！钡€補(bǔ)充道，“其中大部分都被限制在巖石中，無法滲透?！?/p>
要挖掘這種熱量，就需要在這些非火山巖、致密巖石上進(jìn)行深入鉆探，并制造裂縫讓水流通過。自 1970 年以來，工程師們一直在開發(fā)“增強(qiáng)型地?zé)嵯?/strong>統(tǒng)”（EGS），通過利用類似于水力壓裂法（或稱壓裂法）的方法，從深層巖石中提取石油和天然氣。高壓泵將水泵入深達(dá)數(shù)英里的水井中，在巖石上噴射出裂縫。裂開的巖石和水在地下形成一個(gè)散熱器，在這個(gè)地方加熱水后通過第二口井上升到地表。在美國(guó)、歐洲、澳大利亞和日本已經(jīng)建造了幾十個(gè)這樣的 EGS 裝置，不過其中大部分是由政府資助的實(shí)驗(yàn)性裝置，成功程度參差不齊。
有個(gè)出名的事件：2017 年，韓國(guó)的一家 EGS 裝置可能引發(fā)了 5.5 級(jí)地震，突然關(guān)閉了。任何形式的壓裂都會(huì)給增加附近構(gòu)造斷層的壓力。此外，還有技術(shù)上的問題 —— 一些裝置沒有制造足夠的裂縫來進(jìn)行良好的熱交換，或者裂縫的走向錯(cuò)誤，未能連接兩口井。
不過，在一些將奮斗最終落實(shí)的發(fā)電廠里，包括 1987 年到 2012 年期間在萊茵河谷建造的幾個(gè)德國(guó)和法國(guó)系統(tǒng)，工程師們利用了巖石中現(xiàn)有的裂縫進(jìn)行開采地?zé)崮堋?/p>
協(xié)助開發(fā)了萊茵河谷的一些 EGS 系統(tǒng)的德國(guó)卡爾斯魯厄能源研究所弗勞恩霍夫 IEG 的地球物理學(xué)家 Dimitra Teza 說：“但總體而言，人們還沒有足夠的興趣將 EGS 發(fā)展成為一種更可靠和更有利可圖的技術(shù)。這對(duì)這一行業(yè)來說相當(dāng)艱難?！?/p>
新勢(shì)頭
安全和技術(shù)問題都有解決方案。實(shí)際上，有一些避免地震的穩(wěn)健提案，比如不在活躍斷層附近鉆探。對(duì)法國(guó)和德國(guó)正在運(yùn)行的 EGS 裝置的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)只記錄了輕微的震顫，這讓人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的安全性更有信心。重要的是，得益于 20 世紀(jì) 10 年代開始的在頁巖中開采石油和天然氣的熱潮，鉆井和壓裂方法已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的改進(jìn)。普林斯頓大學(xué)能源系統(tǒng)研究員 Wilson Ricks 說：“從那時(shí)起，我們發(fā)現(xiàn)人們對(duì) EGS 這一概念重新產(chǎn)生了興趣，因?yàn)?EGS 的核心技術(shù)在這段時(shí)間里得到了完善，其成本也大幅降低?！?/p>
例如，2015 年，美國(guó)能源部在猶他州開設(shè)了一個(gè)致力于推進(jìn) EGS 技術(shù)發(fā)展的研究基地。包括 Sage Geosystems 和 E2E Energy Solutions 在內(nèi)的幾家新的北美初創(chuàng)公司正分別在德克薩斯州和加拿大開發(fā)新的 EGS 系統(tǒng)。目前技術(shù)最先進(jìn)的是 Fervo Energy 公司，該公司在內(nèi)華達(dá)州的基地應(yīng)用了頁巖行業(yè)的多種技術(shù)。這一基地生產(chǎn)的這些電力現(xiàn)正供應(yīng)著當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，其中包括谷歌公司所有的耗能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心（谷歌與 Fervo 合作開發(fā)了該工廠）。
工程師們向下鉆入內(nèi)華達(dá)州巖石近 8000 英尺，溫度達(dá)到近 380 華氏度（約 193℃），然后在底部鉆了另一口 3250 英尺的水平井，以擴(kuò)大系統(tǒng)接觸的熱巖區(qū)域 —— 這是一項(xiàng)用于油氣開采的技術(shù)，可以最大限度地提高產(chǎn)量。該公司還沿著水平井的幾處點(diǎn)位對(duì)周圍的巖石進(jìn)行了壓裂，以形成更廣泛的裂縫網(wǎng)，供水流過。Fervo 公司科學(xué)顧問委員會(huì)成員 Horne 說：“從技術(shù)上講，與早期的 EGS 工作相比，它們實(shí)際上向前邁出了一大步?！?/p>
這些新的 EGS 系統(tǒng)的長(zhǎng)期表現(xiàn)如何，還有待觀察。根據(jù)普林斯頓大學(xué)的同事 Ricks 和 Fervo Energy 的幾位專家最近的研究，像 Fervo 這樣的系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們可以利用能源價(jià)格的波動(dòng)來提高利潤(rùn)。操作人員可能會(huì)堵塞出口井，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)積水，從而增加壓力和熱量。
然后，他們就可以在最有價(jià)值的時(shí)候提取能源，比如在太陽能或風(fēng)能無法起效的多云或無風(fēng)時(shí)段。
Ricks 說，盡管如此，這種系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，還必須大幅擴(kuò)大規(guī)模。雖然“紅色項(xiàng)目”提供的蒸汽足以來產(chǎn)生 3.5 兆瓦，足以為超過 2500 戶家庭供電，比任何其他使用 EGS 技術(shù)的發(fā)電廠都多，但它的規(guī)模仍然相對(duì)較小。畢竟核電站或煤電站可以輕松產(chǎn)生 1000 兆瓦發(fā)電量，而大型太陽能或傳統(tǒng)地?zé)岚l(fā)電廠的發(fā)電量往往高達(dá)數(shù)百兆瓦。
Ricks 說，EGS 領(lǐng)域現(xiàn)在需要的是用來構(gòu)建和測(cè)試更多這種系統(tǒng)的資金，以此激發(fā)投資者的信心。他說：“所有這些都需要非常充分的證明，才能使可感知的風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到較低的程度。”
地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)？
為此，美國(guó)能源部最近向三個(gè) EGS 和相關(guān)技術(shù)的示范項(xiàng)目提供了 6000 萬美元的資金，作為更廣泛倡議去加快 EGS 開發(fā)的部分。據(jù)該機(jī)構(gòu) 2019 年的一份報(bào)告估計(jì)，隨著 EGS 的進(jìn)步，到 2050 年，美國(guó)的地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到約 60 千兆瓦（60,000 兆瓦），發(fā)電量將占全國(guó)總發(fā)電量的 8.5%—— 這比今天增長(zhǎng)了 20 多倍。
全球能源轉(zhuǎn)型的目標(biāo)是到 2050 年實(shí)現(xiàn)碳凈零排放，即使增加幾個(gè)百分點(diǎn)，也將有助于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。Nils Angliviel de La Beaumelle 最近在《環(huán)境和資源年度評(píng)論》上與人合著了一篇關(guān)于全球可再生能源前景的文章。他說：“如果在 15 或 20 年內(nèi) EGS 可行，我認(rèn)為它可以發(fā)揮重要作用?！?/p>
其他地?zé)峒夹g(shù)也可能有所幫助。一些公司正在探索“超熱巖”地?zé)?/strong>的可行性 —— 從本質(zhì)上講，這是 EGS 的一種年輕、極端的變體，需要鉆入地殼更深的地方，到水達(dá)到“超臨界”蒸汽狀態(tài)的深度，使其能夠攜帶比蒸汽或液體更多的能量。在德國(guó)南部，能源公司 Eavor 正在建造世界上第一個(gè)“閉環(huán)”地?zé)嵯到y(tǒng)：一旦管道將水輸送到深層巖石中，該系統(tǒng)就會(huì)形成一個(gè)由平行鉆孔組成的網(wǎng)絡(luò)，水永遠(yuǎn)不會(huì)滲透巖石。Teza 說，這是一種更可預(yù)測(cè)的（盡管效率較低）加熱的方式，，因?yàn)樗簧婕耙哉_方式壓裂巖石的不確定性?！翱吹接腥送顿Y這些技術(shù)，我真的很開心。我認(rèn)為這有所幫助”，她說。
Robertson-Tait 說，總的來說，這是地?zé)崮茉吹闹匾獣r(shí)刻 —— 而不僅僅是提供無碳電力。從地球提取的地?zé)猁}水富含鋰和其他重要礦物質(zhì)，可用于構(gòu)建太陽能電池板和電動(dòng)汽車電池等綠色技術(shù)。越來越多的人開始推行直接用地?zé)醽頌榻ㄖ锕┡?，要么通過住宅建筑的淺層熱泵，要么通過為整個(gè)地區(qū)設(shè)計(jì)的更大型系統(tǒng) —— 就像巴黎和慕尼黑已經(jīng)擁有的那樣。
Robertson-Tait 說，一些石油和天然氣公司認(rèn)識(shí)到變革即將到來，對(duì)建造各種地?zé)嵯到y(tǒng)越來越感興趣?！?strong>我們的地球就是地?zé)?/strong>，”她說，“因此我認(rèn)為我們有責(zé)任盡我們所能去利用它?！?/p>
作者：Katarina Zimmer
翻譯：4925
審校：亦山
原文鏈接：Geothermal power heats up
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