（来源：中国电力新闻网）

转自：中国电力新闻网

　　我们脚下的地球，其深部是炽热的，一部分热量源自这颗行星剧烈形成过程后残留的余温，更多则来自地层中放射性元素的持续衰变。有时，地球这座隐秘的熔炉会用戏剧性的方式显示自身的热量，比如火山、间歇泉和岩浆流——它们景象壮观且极具实用价值，前提是我们懂得如何利用。

　　传统地热发电一般只擅长在那些大自然替我们“铺好路”的地方施展拳脚，比如断层线使地壳开裂，让热水或蒸汽上涌至近地表的位置。正因如此，冰岛、新西兰、肯尼亚、印度尼西亚等国能将地热转化为家庭供暖和电网电力，但其他大部分地区却与开发这种能源无缘。

　　地热不会像太阳能那样因日落而减弱，也不会如风能般因风停而中断，其吸引力显而易见。过去十年，钻井技术的进步开始将地热能从地质条件的枷锁中解放出来：一些项目致力于改良自然，比如在岩层中人为制造裂隙；另一些则更为大胆，它们挺进地心深处，让地热发电几乎能在地球任何角落实现。

　　地热能源开发公司Quaise Energy的联合创始人马特·霍德说：“我们的终极目标是让地热能覆盖全球。”也就是让它从一种小众资源跃升为大规模能源。

困在局地的理想能源

　　为了将地球内部的热量转化为能源，工程师们将冷水泵入热岩层中天然的储集空间。冷水被加热后，以热水或蒸汽的形式返回地表，驱动涡轮机并发电。随后，这些水被重新注回地下，开启新一轮循环。

　　与化石燃料不同，地热能在人类时间尺度上近乎取之不尽。霍德说：“如果以地壳内储存的能量来衡量，地热能比所有碳氢化合物的总和高出好几个数量级。”问题在于，传统地热发电需要同时具备三个要素：热量、水，以及具备足够渗透性或有裂隙的岩层。因此，传统地热系统的选址非常受限，这也是为什么地热能在冰岛蓬勃发展。

　　冰岛横跨大西洋中脊，上述核心要素异常富集。20世纪70年代的全球石油危机促使冰岛抓住了这一天然优势，如今，地热能已占该国电力供应的1/4以上。听起来可能不算惊人，但冰岛的地热电厂无论阴晴雨雪都能持续发电，是该国电网稳定的支柱。英国帝国理工学院可持续能源专家伊恩·斯塔费尔表示：“地热是让低碳电力系统顺畅运转的理想粘合剂。”

　　然而大多数国家没有冰岛的好运气。它们或许有热、有水、或者破碎的岩层，但三者常常不能兼得，更别提深度还要易于开采。传统地热电厂一般只能开发地下2千米以内的热能，再往下，钻头以及钻井都要承受极端高温高压，工程难度急剧攀升。即便闯过这些难关，假如岩层太过致密，水还是无法流入其中。

　　但开采深部地热的潜在回报巨大。国际能源署估计，假设人们能开采至地下约8千米，地热潜在能量约为当前全球电力需求的150倍。为此，工程师想要钻得更深，在大自然未能提供通道的地方打造地下管网。

造裂缝但不要造地震

　　第一类新型地热技术瞄准地下2至10千米。工程师向高温但不透水的岩层注入高压水，打开或加宽岩缝，制造流体循环通道。这种“增强型地热系统”是地热新时代最成熟的技术。

　　但这种方法存在隐患。2023年的一项研究显示，向深层岩层强行注水，除了会造出有用的裂缝，还可能惊扰古老断层。许多断层原本处于脆弱的应力平衡之下，像一本厚重的书斜放在桌沿，靠摩擦力维持静止；注水等于在断层之间撑开一道缝，会削弱将两者压紧的力——对于本就濒临滑动的断层而言，这足以诱发地震。

　　一项韩国政府委托的调查认定：2017年，一个增强型地热项目曾在浦项市引发5.5级地震，造成80余人受伤，损失3千亿韩元（约合14亿元人民币），是该国历史上破坏性最强的地震之一。

　　美国斯坦福大学的比尔·埃尔斯沃思曾参与该调查，协助厘清地热电站在这场灾难中的角色。他表示，工人们在浦项钻了几口相距很远的井，原本设想向其中一口井注水，让岩层产生足够多的裂缝，延伸至另一口井，从而在两井之间形成水流通道并吸收热量。但在地下强行建立这种连接存在风险，尤其是当它穿过已处于滑动边缘的断层时。

　　埃尔斯沃思表示，这就是为什么如今的新项目会尝试更审慎的做法。例如在冰岛，工程师试图以更温和的方式构建增强型地热储层：他们缓慢地、以相对较低的压力注入冷水，而不是一次性暴力压裂。冰岛能源公司HS Orka的资源部执行副总裁莉莉亚·马格努斯多蒂尔介绍，经过数月缓慢注入，冷却的岩石会收缩并产生裂缝。

　　冰岛还有一个优势——地震频发，因此它早已在地震监测上投入巨资。HS Orka甚至就地取材，以地热井作为早期预警传感器。当岩浆开始移动，挤压周围的岩石，就会在井内产生一种特征信号。马格努斯多蒂尔说：“这是一个非常巧妙的设计。”

　在地底铺“闭环管道”

　　即便增强型地热项目已尝试管控地震风险，但以坚硬岩石为基础的管道系统仍不可靠，流体可能泄漏，裂缝也可能引发其他危险，解决办法之一是彻底不再依赖岩层来输送水。

　　在没有天然裂缝和储层的地方，一种替代方案是在高温岩层中钻出一个密封的循环回路：先垂直向下钻，再横向钻进，随后用钢材和水泥衬砌将地下钻孔密封，形成类似埋地散热器的结构——流体在其中循环，但始终不与岩石直接接触。

　　这种闭环系统被称为“先进地热系统”。由于它不会强行撑开岩层制造裂缝，诱发地震的风险大幅降低；同时，它也不需要持续向裂缝中注水和抽水，风险再度降低。加拿大能源公司Eavor已在德国格雷茨里德用这项技术建成了地热电厂，该厂于2022年动工，2025年底开始发电。

　　该技术还有另一个潜在优势，既然工质流体始终在密封管道内，它就不必是水，而可以是导热效率更高的流体。中国华能集团已建成首座超临界二氧化碳地热示范项目，二氧化碳经过压缩和加热，变成一种介于气态与液态之间的特殊状态。在此状态下，它密度大、流动性强，传热性能极为出色。该试验设施已于今年5月在中国郑州投入运行。

　　但这种系统也存在问题。由于部分管网被岩石碎屑堵塞，Eavor公司最终比原计划缩减了钻井数量。如今工厂虽然保持运转，但效率未达预期。这就引出对其商业价值的担忧。埃尔斯沃思说：“单一闭环系统的构想能否真正走通，目前尚无定论，得靠时间证明。”

　挺进地球更深处

　　虽然先进地热系统可能更安全、更清洁，但它仍然只适用于在可及深度内的热岩层（通常不过地下几千米）。要让地热真正走向全球，能源公司必须钻得更深。霍德说：“严格来说，只要钻得足够深，在全球任何地方都可获取地热。”

　　越往深处，地球越热，只要压力足够，水就会在大约374℃越过一个奇异的临界点，转化为超临界流体，其携带热量的能力远超普通热水或蒸汽，类似于华能示范电厂中的二氧化碳。

　　超临界温度通常出现在地表下至少5至20千米的深度。但越往下，岩石越硬，不再是近地表常见的较软沉积岩层，多为玄武岩或花岗岩，会快速损耗最坚硬的碳化钨或金刚石钻头。霍德表示，工程师们把大量时间用于更换磨损或失效的钻头及设备，这会让成本飞速攀升。

　　Quaise公司希望换一种方式来钻井——完全不用钻头。他们计划在井眼上部采用传统方法钻井，一旦岩层过硬，就切换为高功率微波能量钻井法——在井壁衬以波纹钢板，帮助微波向下传导；当微波能量击中岩层，会将岩石加热至开裂、破碎甚至汽化。岩石被破碎成极细的粉末后，被高压氮气从井中带到地面收集。

　　除了Quaise公司，斯洛伐克的GA Drilling公司也在研究非接触式钻井，他们基于激光和等离子体系统，已于2023年完成了首次现场测试。

　　一旦钻井完成，Quaise计划打造一个深层、类似增强型地热系统的储层，将水注入超高温岩石裂缝，吸热后返回地表发电。他们的测试井深度仅几千米，被视为一个更大规模项目的概念验证。其规划的首座超热地热电厂位于美国俄勒冈州，可在3至5千米深度获取400℃高温，预计2030年投运。“到2035年，我们希望第一口深度超过10千米的超高温井可以开始发电。”霍德相信，这种技术有望把世界上任何地区转化为地热资源区。

　　但埃尔斯沃思也提出质疑：如此深井，能否在地底的巨大压力下保持畅通？因此，验证超高温地热只是第一步，随着深度推进，工程挑战只会越来越大。

　冰岛成未来试验场

　　目前，作为下一代地热技术试验场，冰岛并没有满足于现有的成功，而是希望为世界验证各种未来的地热开发路径。

　　据马格努斯多蒂尔介绍，由冰岛主要能源企业及能源管理局组成的“冰岛深钻项目”所钻的第二口井已于2017年完工，深达4.7千米，是该国最深的地热井，也是全球第一口达到超临界条件的地热井。

　　目前，冰岛的运营商们还在使用增强型地热技术，刺激更深处的断层，让现有地热田能够利用到比当前再深入地下约1千米的岩层热量。明年，“冰岛深钻项目”计划钻探第三口井。据估算，这口井只需钻到略深于2千米，就有望将水加热到超临界状态。但即使在这一相对较浅的深度，工程挑战依然严峻，核心是如何在高温下保持井筒完整，因为，衬在井内的钢制套管此时可能已膨胀、变形甚至失效。工程师一直在测试各种解决方案，包括在套管各段之间安装柔性连接件。

　　地热项目由于前期投资高昂、验证过程缓慢，开发商往往要在商业可行性充满未知的情况下，开展工程技术探索，并获得试验许可，以赢得投资者的青睐。不过，耐心的回报将异常持久。欧洲地热委员会的桑吉夫·库马尔表示，“一旦完成地下钻井，就能用上100多年。”

　　这既体现了地热能的潜力，也是它所遇到难题的缩影。“我们都知道，如果能开采到极深层的地热，那将非常了不起。”埃尔斯沃思说，“只是，我们目前尚不清楚这到底可不可行。”

责任编辑：王萍