古有“钻木取火”，今有“钻地取电”？

长期以来，地热仅限于火山活动区，但由于新技术的出现，地热有望成为一种应用更广泛的能源。

一种不寻常的设备在干燥而广阔的内华达沙漠中闪闪发光。它使用的不是太阳能或风能，而是来自地球本身的能量。

该工作站被称为“红色项目”（Project Red）“它将水泵入地下数千英尺，那里的岩石足以烤火鸡。该设施每天吸收地下热水，然后用于发电机供电。自去年以来 11 自本月以来，这种无碳的地球发电一直流向内华达州的当地电网。

虽然地热能源继续从地球的超热核心辐射，但它长期以来一直是一种相对有限的电力资源，主要局限于冰岛等温泉在地面上起泡的火山地区。但地热爱好者总是梦想在没有这种特定地质条件的地方开采地球能量 —— 例如，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工作了几十年。然而，事实证明，这种系统既复杂又昂贵，有时甚至会引起地震。一些专家认为，“红色项目”等新努力最终可能成为一个转折点 —— 利用石油和天然气开采中磨练的技术，提高可靠性和成本效益。

只要有足够的时间和金钱，地热能就能成为主流能源 —— 虽然目前地热发电量不足全球发电量 1%，仅占美国发电量的1%， 0.4%。有人认为地热可以为太阳能、风能等间歇性能源提供持续的后备支持，从而成为能源系统脱离化石燃料的重要过渡工具。斯坦福大学能源工程师 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，地热非常重要。”

坎坷的起步

地热能与两样东西结合效果最好：热量和透水性强的岩石。在熔岩靠近表面的地方，水渗透到多孔火山岩中，温度升高，并像热水、蒸汽或两者都有一样向上起泡。

若水或蒸汽足够热 —— 至少在理想情况下 300 华氏度（约 149℃）—— 它可以从发电机发电的地下提取。在肯尼亚，靠近 50% 电源来自地热；冰岛 25% 来自地热能的电力；而新西兰的大约是 18%的加州是 6%。

油田服务公司 SLB 地热能咨询部门（GeothermEx）领导者，地质学家 Ann Robertson-Tait 例如，美国西部等一些天然地热资源尚未开发。但总的来说，我们正在耗尽自然的优质地热资源，这促使专家考虑如何从更难获得能源的地区提取地热能。Robertson-Tait 说：“地球上的热量很高。但她补充说：“大部分都局限于岩石，无法渗透。”

为了挖掘这种热量，有必要对这些非火山岩和致密岩石进行深入钻探，并制造裂缝，使水流通过。自 1970 多年来，工程师们一直在开发“增强地热系统”（EGS），从深层岩石中提取石油和天然气，采用类似于水力压裂法(或压裂法)的方法。高压泵将水泵入数英里深的井中，在岩石上喷射裂缝。开裂的岩石和水在地下形成一个散热器，在这里加热水，然后通过第二口井上升到地面。在美国、欧洲、澳大利亚和日本建造了几十个这样的产品 EGS 但其中大部分是政府资助的实验装置，成功程度参差不齐。

有一个著名的事件:2017年 年，韩国一家 EGS 该装置可能会被触发 5.5 级地震突然关闭。任何形式的压裂都会增加附近结构断层的压力。此外，还存在技术问题 —— 有些设备没有产生足够的裂缝来进行良好的热交换，或者裂缝方向错误，无法连接两口井。

然而，在一些将最终实施斗争的发电厂，包括 1987 年到 2012 在莱茵河谷建造的几个德国和法国系统中，工程师们利用岩石中现有的裂缝开采地热能。

一些莱茵河谷的协助开发 EGS 德国卡尔斯鲁厄能源研究所弗劳恩霍夫系统 IEG 地球物理学家 Dimitra Teza 说：“但总的来说，人们对它没有足够的兴趣 EGS 它已经发展成为一种更可靠、更有利可图的技术。这对这个行业来说非常困难。”

长期以来，地热电仅限于容易获得地下热量的火山地区。然而，新的电厂正在使世界其他地方产生地热成为可能。图源：Knowable Magazine新势头

安全和技术问题都有解决方案。事实上，有一些稳健的建议可以避免地震，比如不要在活动断层附近钻探。对法国和德国正在运行的 EGS 该装置的长期监测只记录了轻微的震颤，使人们对该技术的安全性更有信心。重要的是，得益于它 20 世纪 10 在页岩中开采石油和天然气的热潮中，钻井和压裂方法得到了突飞猛进的改进。普林斯顿大学能源系统研究员 Wilson Ricks “从那时起，我们发现人们是对的 EGS 因为这个概念重新产生了兴趣 EGS 在此期间，核心技术得到了改进，其成本也大大降低。”

例如，2015 2000年，美国能源部在犹他州开设了一个致力于推广的国家 EGS 研究基地的技术发展。包括 Sage Geosystems 和 E2E Energy Solutions 几家新的北美初创公司正在德克萨斯州和加拿大开发新的东西 EGS 系统。目前最先进的技术是 Fervo Energy 该公司在内华达州基地应用了页岩行业的各种技术。该基地生产的这些电力目前正在提供当地电网，包括谷歌的所有能耗数据存储中心（谷歌和 Fervo 该工厂已经合作开发)。

工程师们向下钻进内华达州的岩石 8000 英尺，温度接近 380 华氏度（约 193℃)，然后在底部钻另一口 3250 扩大系统接触的热岩区域的英尺水平井 —— 这是一种用于油气开采的技术，能最大限度地提高产量。公司还沿着水平井的几个点压裂了周围的岩石，形成了更广泛的裂缝网，供水流过。Fervo 公司科学顾问委员会成员 Horne 说:“从技术上讲，与早期相比 EGS 与工作相比，他们实际上迈出了一大步。”

红色工程位于内华达州强效地热发电站（Project Red）由初创公司组成 Fervo Energy 该公司一直在研究如何使地热成为更广泛的电源。图源：FERVO ENERGY

这些新的 EGS 这个系统的长期表现还有待观察。根据普林斯顿大学的同事 Ricks 和 Fervo Energy 最近几位专家的研究，比如 Fervo 该系统的一个优点是，它们可以利用能源价格的波动来增加利润。操作人员可能会堵塞出口井，导致系统中的水，从而增加压力和热量。

然后，他们可以在最有价值的时候提取能量，比如太阳能或风能无法工作的多云或无风时间。

Ricks 尽管如此，为了实现商业应用，该系统还必须大幅扩大规模。虽然“红色工程”提供的蒸汽足以产生 3.5 兆瓦，足以超越 2500 家庭供电比任何其他用途都好 EGS 技术发电厂很多，但规模还是比较小的。毕竟，核电站或煤电站很容易生产 1000 兆瓦的发电量，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 该领域现在需要的是建立和测试更多这个系统的资金，以激发投资者的信心。他说：“所有这些都需要非常充分的证据来降低可感知的风险。”

地热发电技术的转折点？

为此，美国能源部最近向三个方向发展 EGS 提供与相关技术相关的示范项目 6000 作为一项更广泛的倡议，加快1万美元资金的发展 EGS 开发部分。据该机构 2019 年度报告估计，随着年度报告估计 EGS 的进步，到 2050 2000年，美国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比例 8.5%—— 这比今天增加了 20 多倍。

全球能源转型的目标是实现 2050 每年实现碳净零排放，即使增加几个百分点，也有助于实现目标。Nils Angliviel de La Beaumelle 近日，一篇关于全球可再生能源前景的文章出现在《环境与资源年度评论》中。“如果是的话，”他说 15 或 20 年内 EGS 可行，我认为它可以发挥重要作用。”

其它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 —— 本质上，这是 EGS 一种年轻而极端的变体需要钻入地壳较深的地方，以达到“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。能源公司在德国南部 Eavor 世界上第一个“闭环”地热系统正在建设中：一旦管道将水输送到深岩石中，该系统将形成一个由平行钻孔组成的网络，水永远不会渗透到岩石中。Teza 这是一种更可预测的加热方式（尽管效率较低），因为它不涉及以正确的方式压裂岩石的不确定性。“我真的很高兴看到有人投资这些技术。她说：“我觉得这有帮助。”。

Robertson-Tait 总的来说，这是地热能的重要时刻 —— 而不仅仅是提供无碳电。从地球上提取的地热盐水富含锂等重要矿物质，可用于建造太阳能电池板、电动汽车电池等绿色技术。越来越多的人开始使用地热直接供暖建筑，要么通过住宅建筑的浅热泵，要么通过为整个地区设计的更大的系统 —— 就像巴黎和慕尼黑已经拥有的那样。

Robertson-Tait 她说，一些石油和天然气公司意识到变化即将到来，对建造各种地热系统越来越感兴趣。”我们的地球是地热，”她说，“所以我认为我们有责任尽力利用它。”

作者：Katarina Zimmer

翻译：4925

审校：亦山

原文链接：Geothermal power heats up

本文来源于微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：Katarina Zimmer

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