干热岩发电：挖掘地球热能

位于冰岛西南角的雷克雅内斯半岛风景优美，地表岩石的年龄约为100万年。时至今日，此处地表形状仍被熔岩流不断重新塑造。初到这里的人多半会立刻察觉到周遭的空气里充斥着腐蛋臭味（硫化氢的气味），以及地热田不断朝上空喷发出的巨大蒸汽柱。

冰岛位于大西洋中脊，两大板块在此互相角力，这使得冰岛成为全世界地壳活动最频繁的国家之一。这条蕴含巨大地热能量的裂缝位于雷克雅内斯半岛下方仅仅数千米的地下，火山熔岩在那里汩汩流淌。得天独厚的地热条件让雷克雅内斯成为许多地热科学家前往的圣地，冰岛地热科学家奥拉夫·弗里德莱弗森便是其中之一。想要利用这座能量宝库，要做的只是往下钻。

冰岛是当之无愧的地热之国，全国遍布地热发电厂。弗里德莱弗森负责的“冰岛深钻项目”（IDDP）又是其中非常特殊的一个，因为它能够利用的蒸汽温度和压力远超其他地热发电厂。弗里德莱弗森团队的工作将有助于完全改变地热利用技术。IDDP的投入使用，标志着人类利用地热进入了新时代。因为从IDDP项目目前的进展看，更高效地利用地热能，使之更大程度满足人类需求可能成为现实。长期没有得到重视的地热能或将成为全球能源阵营的一匹黑马。

脚下的清洁能源

从开采角度看，地热能是仅次于太阳能的第二大清洁能源。全球地表以下10千米范围内的地热总量相当于全球煤炭储量的1.7亿倍，其中可利用量相当于5000万亿吨标准煤。如果按照全世界每年消耗190亿吨标准煤计算，这些地热能可以供全人类使用数十万年。

地球内部这极为庞大的热量来自何处？其实，超过半数的地热来自于地球内部矿物质的放射性衰变，其中铀238、铀235、钍232、钾40等元素是释放能量的主力军。那这些放射性元素会不会烧完呢？这也不用担心，因为这四种放射性元素半衰期通常都在几十亿年，寿命很长。

开采地热能规避许多其他新能源面临的难题——风会停，天会阴，但地热不会断。核电、水电又有各自的环境、生态问题要解决。地热能不但供应稳定、清洁并可再生，而且储量丰富。当然，地热发电厂也有缺点，比如初期勘探成本高，因为有开采价值的稳定地下热源很难寻找。地热发电厂的地理局限性也很大，既要有浅层地下热源，也需要水资源充沛，岩层之间还要有贯通的孔隙让水流通过，从而实现换热。即便找到了这样的热源，钻井费用也是高得惊人。

迄今为止，人类对地热这座能源宝库的开发利用远不及太阳能或风能等新能源。人类利用地热发电已经有一个多世纪的历史，可目前地热电发电还不到全球发电总量的1%。如果要普及地热发电厂，不但要提高地热发电厂的发电量，还要想办法让地热发电厂走出传统地热区。

往烫石头上浇水

目前人类对地热的挖掘很“肤浅”。地球平均半径6350千米，与之相比，地壳非常薄——平均厚度仅为17千米。即便如此，目前最深的IDDP地热井深度也只有5千米。如果把地球看成是一个鸡蛋，把地壳看作鸡蛋壳，那么人类目前最深的地热井也只不过钻透了“鸡蛋壳”1/3的厚度。

1904年，意大利的托斯卡纳省出现了第一座微型地热发电厂。不过它的发电能力弱得不能再弱——产出的电能只够点亮5个100瓦特的电灯。然而，就是这微弱的电流开启了意大利地热能源的奇迹。

同样在托斯卡纳，千百年前就因为弥漫的硫黄和随处可见的温泉享誉四方，素有“地狱谷”之称的拉德瑞罗现在是意大利重要的地热田。位于这里的地热发电厂总装机容量达800兆瓦，为周边1万户居民用户和商业用户输送用电。但传统地热发电厂只能从地表天然形成的断层中提取热水用于发电，实际上只利用了极少量的地热能，大量更深层的地热资源无法被利用。

科学家迫切希望解答两个问题：如何从地下获取更多热量？如何从地质条件不理想的地区获取地热？1970年，美国科学家莫顿和史密斯提出了利用地下干热岩体发电的设想。所谓干热岩，就是地下深处普遍存在的没有液态水或水蒸气的致密、不渗透的熱岩。

1972年，他们在美国新墨西哥北部打了两口约4000米的深斜井，并从一口井中注入冷水，再从另一口井中抽取高温蒸汽。结果让人兴奋，蒸汽功率达2300千瓦。后人在此基础上，利用高压冷水压裂干热岩，形成破碎带（人工热储），让干热岩尽可能增加暴露表面积，提高冷水的渗透率。

这种新技术被称为增强型地热系统（简称EGS）。它的原理是利用水等介质，从地表下3～10千米的干热岩中获取热量发电，十分类似于往烫石头上浇水获取蒸汽的芬兰桑拿浴。干热岩资源遍布全球，是一种无处不在的资源。

可能引发地震？

不过，干热岩发电面临着不少技术难点，也是阻碍这项技术发展的巨大障碍。难点之一是制造理想的破碎带。由于地下深层具有极高的温度和压力，很多情况下刚刚压裂形成的破碎带，立刻又闭合了，这样水就无法渗透。如果干热岩破碎得“过头”了，造成孔隙太大，渗透太快，冷水还没来得及和高温岩石充分接触就流走了。有些情况下，注入的冷水会莫名其妙地消失在地下裂缝中，一去不复返。

干热岩发电还可能带来另外一些后果。2006年，位于瑞士巴塞尔的一个商业干热岩发电厂引发了当地一场3.4级地震。虽然这次地震没有造成伤亡，但让当地人联想起几百年前发生在此地的一次夷平城市的6.0级地震。2017年，韩国浦项市发生5.5级地震，造成数亿元财产损失。这场地震也被怀疑和附近的干热岩发电厂有关。最终，两个项目都被迫关停。

与矿石开采、油气压裂一样，开采干热岩地热发电确实也可能引发地震，但专家表示，干热岩发电开采地热过程引发大地震的风险很小。即便地震发生，频繁的小规模地震也有助于释放断层积累的应力。如果选址时多做“功课”，并且在地面晃动还较为轻微时降低注入率，发生在瑞士和韩国的地震应该是可以避免的。

超临界水送来10倍能量

为了寻求地热发电厂的突破口，一些科学家开始研究“超临界地热发电厂”。这个想法的提出，要归因于20世纪80年代地熱发电厂发生的几次令人惊恐的高温爆炸。

第一次事故就发生在意大利拉德瑞罗，当时一口钻井在钻探到地下将近4000米深时，遇到了380℃的超高温水。钻头因为无法承受高温而损坏，井壁也无法承受如此高的温度。工作人员在确认了支撑井壁的套管断裂后，意识到这口深井已经无法修复，于是将其废弃。几年后，人们在事故井附近新开钻井。不幸的是，钻头工作中又和同一股地下超高温水不期而遇，结果钻井在一次大规模蒸汽爆炸中被毁。

无独有偶，冰岛在1988年也发生过类似事故。但冰岛的地热科学家并没有因危险而放弃探索。因为他们明白，只要找到控制超临界水的方法，就能驾驭这头凶悍“猛兽”。所谓超临界水，是指当温度超过374℃且压力超过221个标准大气压时的一种特殊状态的水。在这种状态下，液态水和水蒸气的密度完全相等。此时，液态水和气态水完全交融在一起，成为一种新的、呈现高压高温状态的流体。

超临界水对地热发电厂意义重大。因为400℃的超临界水蕴含的能量是普通地热井中200℃地下热水能量的5倍，且前者比后者传递能量更快，黏度也更低，因此更容易流出地表。据计算，超临界地热发电厂的发电能力可达传统地热发电厂的10倍左右。虽然钻到超临界水深度成本很高，但超临界地热发电厂一旦建成，其超高的发电效率很快就能抵消高昂的开发成本。

为了证实超临界地热发电厂的价值，冰岛科学家再一次走在了前面。2009年，他们的钻头成功钻透克拉夫拉火山的岩浆房，注入的冷水成功转化为超临界水并涌出地表。这个超临界地热发电厂运行了两年，虽然最终因为一个阀门失效而不得不封井，但它在短暂的两年时间里，让人们看到了未来。

经历了这次成功后，冰岛科学家们继续他们在雷克雅内斯的研究工作，向更深层地下发起挑战：他们的钻机钻至地下4.6千米，冷水注入后被加热到600℃。从2017年开始，工程师团队不断向井中大量泵入高压冷水，进一步压裂干热岩，增加这些烫石头碎裂后的渗透率。目前科学家已经停止向井中注入冷水，他们在等待干热岩重回高温，届时将启动新测试。

其他许多国家也在纷纷赶上冰岛在地热发电领域的步伐。和雷克雅内斯IDDP项目一样，这些新的超临界地热发电厂也面临同样的风险和挑战：地下深层的高温高压导致钻头极易变形，甚至熔化;超临界水的极强的反应活性能轻易腐蚀阀门：用于监测井内条件的各种设备极易在高温下发生故障……不过，工程师正在不断寻找解决方案，例如用高压流体喷射器或激光器代替镶嵌金刚石的金属钻头。

目前干热岩开发还局限于新火山活动区或地壳较薄的地区。科学团队和能源公司主要在热源较浅的区域建设超临界地热发电厂，比如冰岛、意大利和美国西部。那么，超临界地热项目是否有望在全球所有区域普及？像东欧等地壳较厚的地区，钻机可能需要穿透15千米的地壳才能达到超临界条件。

干热岩发电面临的最大阻碍还是来自经济层面。技术不断成熟的太阳能和风能的单价己经很低，廉价的天然气资源更是充溢国际能源市场，因此，留给地热电的发展空间非常小。

干热岩发电的巨大优势也是显而易见的。干热岩发电不燃烧化石燃料，不排放二氧化碳等温室气体，也不会造成固体物排放;因为水是在封闭系统内循环，所以不产生废水排放：干热岩的储量也很大。据中国科学院估算，仅中国地表下方3～10千米干热岩的热资源总量就相当于715万亿吨标煤。即便只开采2%，都是中国2010年能源消耗总量的4400倍。

我们正在能源转型路口，如何在气候变化和环境恶化最终灭绝人类前找到理想新能源？干热岩发电为我们展示了一个我们够得着的明天。

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