新型能源竟在“腳下”

王治鈞

地球的地核內核溫度達到6000攝氏度，和太陽表面的溫度相同。我們賴以生存的地殼漂浮在地幔這個隔熱層上，它很好地把熱量隔絕在地下，保護著我們。2021年TED大會上，氣候活動家、鉆探技術專家杰米·比爾德（Jamie Beard）介紹了幾項關于地熱能利用的最新技術。

左圖為杰米·比爾德在TED 大會。她希望能用技術來解決或者緩解氣候變化問題

地球構造板塊的交接處會有一些地球能量的外泄，比如劇烈的火山爆發。火山爆發噴出的熔巖改變著地貌結構，這是地核熱能溢出地表后的呈現形態。

劇烈的地熱能源外泄會危及地球生命，但也有很多地熱能源可以直接被人類利用。比如，冰島雖然天氣寒冷、潮濕又多風，但地表之下有著無窮無盡的熱量在蒸發。這個國家幾乎所有的建筑供暖都來自地熱能，且過程中幾乎沒有任何碳排放。

冰島的地熱易取，并能被大量利用，原因是構造板塊和火山活動以蒸汽或熱液態水的形式將熱量從地核推向地表，而熱量溢出的位置接近地面。其實世界上有不少類似的地方都可以利用這些熱能，比如中國西藏的羊八井熱電站。

1886 年，新西蘭的塔拉威拉火山噴出熔巖復原圖

這么看來，任何地方只要想開采地下的地熱能，就要想辦法創造類似冰島的地熱條件：鉆過地下滿是高溫的巖石，巖石中要有空隙，用高溫高壓水蒸氣填滿那些空隙。這些條件看似簡單，然而世界上沒有多少地方天然就能具備，只能依靠技術創新實現。

地熱能源的利用效率非常高。比如，地熱能發電的能源利用率平均可以達到73%，有的國家和地區這一數字甚至可以達到90%。同時，地熱能在二氧化碳減排方面作用顯著。

目前地熱應用較多的是基于地面淺層的地熱供暖產業。在一些地區幾米或幾百米深的泥土下，可達到至少20攝氏度，地熱熱泵將水或者防凍液體通過管道在這層泥土里抽取能量，然后這些液體被泵送到當地的基礎設施中，擴散熱量后，再次在地面下穿梭吸收更多的能量，不僅運行成本低，它的節能性也是化石燃料的兩倍。

冰島的一個地熱電廠

另一種地熱能源的利用就是建造地熱發電廠，利用地表深處幾百攝氏度的熱能發電。

首先，工程師會在砂巖或者玄武巖這樣的可滲透巖石上鉆一口數千米的井，隨著高溫高壓的地下水流入井中，迅速變化的壓力和溫度產生大量的蒸汽，然后這些蒸汽帶動渦輪機的葉片發電。最后，剩余的冷卻水和冷凝汽被重新注入地下，這就形成一個閉環——在不失水的情況下提供電力。

冰島的地熱點冒出蒸汽

這個系統看起來簡單，但是一直沒有大規模使用，這和熱量地點開采成本和技術有關。地熱發電廠需要利用很難找到的高溫地熱田，而且鉆這么深的井口成本不菲，密集地鉆井也會引發地震。

所以，最近十多年來，一些科技創新團隊一直在尋找新的方法來利用地下熱能。

冰島等一些國家的科學家開始嘗試利用新技術鉆井，探尋如何利用地下的熱量。他們的目標是利用這些熱量為能源匱乏的世界提供一部分動力。

首個實驗項目選擇在冰島一個火山巖附近鉆探一個深井。

地熱供暖示意圖

他們利用了一些新技術。比如，高壓高溫鉆井技術，還有一種彎曲轉向鉆井技術，當無法直著向下鉆探時，我們可以轉動并控制鉆頭改變方向，非常精準地到達地下幾千米的確切位置。

在諸多創新中，有一種成為閉路汲熱系統的技術。這套系統不需要壓裂巖石來創造地底下的液槽，而是完全通過鉆掘通道來實現熱能汲取，就像在巖石中鋪設了一個暖氣管道。

地熱發電廠工作原理示意圖

探采地下能量的創新方向有很多，用什么樣液體也有不少科學家在研究。目前大部分采用的依然是水，而高壓水的鉆井過程也可能給地下水帶來某種程度的污染，所以技術人員正在尋找一種更理想的物質。

盡管地熱能源是干凈、可再生的，但鉆取過程并不是完全無害的，鉆井會釋放出含有污染物的蒸汽，例如甲烷和硫化氫。幸運的是，新技術的出現已能戰勝種種挑戰，如排放控制系統可以捕獲污染物，電磁檢測可以幫助檢測地震風險等。

成熟的石油及天然氣產業加入進來后，也會大大加速這種綠色能源的發展。

解決全球氣候變化問題需要多種形式的創新，需要不同組織和團隊團結起來，才能實現碳中和的遠景目標。希望終有一天，我們能夠僅靠各種潔凈能源維持人類的生存。

彎曲轉向鉆井技術示意圖

?多種形態和方式設計的地下汲熱系統示意圖

?地熱系統的概念就是鉆挖多個深井，并把井底的巖石擊裂，在地下創造出一個“水壺”式儲液空間，地底下幾百攝氏度的熱能會將泵下去的水或者液體煮沸，液體吸收熱量變成高溫高壓形態重新流回地面

?閉路汲熱系統示意圖

?石油天然氣行業和深度地熱勘探有很多技術應用是相通的

（責任編輯 / 王佳穎? 美術編輯 / 周游）