新型能源竟在“腳下”

王治鈞

地球的地核內(nèi)核溫度達(dá)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(gè)隔熱層上，它很好地把熱量隔絕在地下，保護(hù)著我們。2021年TED大會(huì)上，氣候活動(dòng)家、鉆探技術(shù)專家杰米·比爾德（Jamie Beard）介紹了幾項(xiàng)關(guān)于地?zé)崮芾玫淖钚录夹g(shù)。

左圖為杰米·比爾德在TED 大會(huì)。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(huì)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?zé)崮茉赐庑箷?huì)危及地球生命，但也有很多地?zé)崮茉纯梢灾苯颖蝗祟惱谩１热纾鶏u雖然天氣寒冷、潮濕又多風(fēng)，但地表之下有著無窮無盡的熱量在蒸發(fā)。這個(gè)國家?guī)缀跛械慕ㄖ┡紒碜缘責(zé)崮埽疫^程中幾乎沒有任何碳排放。

冰島的地?zé)嵋兹。⒛鼙淮罅坷茫蚴菢?gòu)造板塊和火山活動(dòng)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(shí)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(fù)原圖

這么看來，任何地方只要想開采地下的地?zé)崮埽鸵朕k法創(chuàng)造類似冰島的地?zé)釛l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(shí)現(xiàn)。

地?zé)崮茉吹睦眯史浅８摺１热纾責(zé)崮馨l(fā)電的能源利用率平均可以達(dá)到73%，有的國家和地區(qū)這一數(shù)字甚至可以達(dá)到90%。同時(shí)，地?zé)崮茉诙趸紲p排方面作用顯著。

目前地?zé)釕?yīng)用較多的是基于地面淺層的地?zé)峁┡a(chǎn)業(yè)。在一些地區(qū)幾米或幾百米深的泥土下，可達(dá)到至少20攝氏度，地?zé)釤岜脤⑺蛘叻纼鲆后w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(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施中，擴(kuò)散熱量后，再次在地面下穿梭吸收更多的能量，不僅運(yùn)行成本低，它的節(jié)能性也是化石燃料的兩倍。

冰島的一個(gè)地?zé)犭姀S

另一種地?zé)崮茉吹睦镁褪墙ㄔ斓責(zé)岚l(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(huì)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(dòng)渦輪機(jī)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(gè)閉環(huán)——在不失水的情況下提供電力。

冰島的地?zé)狳c(diǎn)冒出蒸汽

這個(gè)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(diǎn)開采成本和技術(shù)有關(guān)。地?zé)岚l(fā)電廠需要利用很難找到的高溫地?zé)崽铮毅@這么深的井口成本不菲，密集地鉆井也會(huì)引發(fā)地震。

所以，最近十多年來，一些科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)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(xué)家開始嘗試?yán)眯录夹g(shù)鉆井，探尋如何利用地下的熱量。他們的目標(biāo)是利用這些熱量為能源匱乏的世界提供一部分動(dòng)力。

首個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇在冰島一個(gè)火山巖附近鉆探一個(gè)深井。

地?zé)峁┡疽鈭D

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(dāng)無法直著向下鉆探時(shí)，我們可以轉(zhuǎn)動(dòng)并控制鉆頭改變方向，非常精準(zhǔn)地到達(dá)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(shí)現(xiàn)熱能汲取，就像在巖石中鋪設(shè)了一個(gè)暖氣管道。

地?zé)岚l(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(xué)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?zé)崮茉词歉蓛簟⒖稍偕模@取過程并不是完全無害的，鉆井會(huì)釋放出含有污染物的蒸汽，例如甲烷和硫化氫。幸運(yùn)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(cè)可以幫助檢測(cè)地震風(fēng)險(xiǎn)等。

成熟的石油及天然氣產(chǎn)業(yè)加入進(jìn)來后，也會(huì)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(tuán)隊(duì)團(tuán)結(jié)起來，才能實(shí)現(xiàn)碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)。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(jì)的地下汲熱系統(tǒng)示意圖

?地?zé)嵯到y(tǒng)的概念就是鉆挖多個(gè)深井，并把井底的巖石擊裂，在地下創(chuàng)造出一個(gè)“水壺”式儲(chǔ)液空間，地底下幾百攝氏度的熱能會(huì)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?zé)峥碧接泻芏嗉夹g(shù)應(yīng)用是相通的

（責(zé)任編輯 / 王佳穎? 美術(shù)編輯 / 周游）