新型能源竟在“腳下”

王治鈞

地球的地核內(nèi)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(shù)專家杰米·比爾德（Jamie Beard）介紹了幾項關(guān)于地熱能利用的最新技術(shù)。

左圖為杰米·比爾德在TED 大會。她希望能用技術(shù)來解決或者緩解氣候變化問題

地球構(gòu)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(fā)。火山爆發(fā)噴出的熔巖改變著地貌結(jié)構(gòu)，這是地核熱能溢出地表后的呈現(xiàn)形態(tài)。

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(fā)。這個國家?guī)缀跛械慕ㄖ┡紒碜缘責崮埽疫^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(gòu)造板塊和火山活動以蒸汽或熱液態(tài)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(chuàng)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(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)。

地熱能源的利用效率非常高。比如，地熱能發(fā)電的能源利用率平均可以達到73%，有的國家和地區(qū)這一數(shù)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(chǎn)業(yè)。在一些地區(qū)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?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)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(jié)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(fā)電廠，利用地表深處幾百攝氏度的熱能發(fā)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(shù)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(chǎn)生大量的蒸汽，然后這些蒸汽帶動渦輪機的葉片發(fā)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(huán)——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(tǒng)看起來簡單，但是一直沒有大規(guī)模使用，這和熱量地點開采成本和技術(shù)有關(guān)。地熱發(fā)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(fā)地震。

所以，最近十多年來，一些科技創(chuàng)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(shù)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(shù)。比如，高壓高溫鉆井技術(shù)，還有一種彎曲轉(zhuǎn)向鉆井技術(shù)，當無法直著向下鉆探時，我們可以轉(zhuǎn)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(chuàng)新中，有一種成為閉路汲熱系統(tǒng)的技術(shù)。這套系統(tǒng)不需要壓裂巖石來創(chuàng)造地底下的液槽，而是完全通過鉆掘通道來實現(xiàn)熱能汲取，就像在巖石中鋪設(shè)了一個暖氣管道。

地熱發(fā)電廠工作原理示意圖

探采地下能量的創(chuàng)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(shù)人員正在尋找一種更理想的物質(zhì)。

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(shù)的出現(xiàn)已能戰(zhàn)勝種種挑戰(zhàn)，如排放控制系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)加入進來后，也會大大加速這種綠色能源的發(fā)展。

解決全球氣候變化問題需要多種形式的創(chuàng)新，需要不同組織和團隊團結(jié)起來，才能實現(xiàn)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(zhuǎn)向鉆井技術(shù)示意圖

?多種形態(tài)和方式設(shè)計的地下汲熱系統(tǒng)示意圖

?地熱系統(tǒng)的概念就是鉆挖多個深井，并把井底的巖石擊裂，在地下創(chuàng)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(tài)重新流回地面

?閉路汲熱系統(tǒng)示意圖

?石油天然氣行業(yè)和深度地熱勘探有很多技術(shù)應用是相通的

（責任編輯 / 王佳穎? 美術(shù)編輯 / 周游）