地热能正努力成为全球清洁能源未来的主力军

随着技术进步和政策制定者的热情，倡导者认为下一代地热能的时代已经到来。2024年11月14日自然杂志Nature刊文发表了一篇题目为《Geothermal power is vying to be a major player in the world’s clean-energy future》的文章介绍了地热能的发展现状和未来方向。

在过去的几个月里，科技巨头亚马逊、微软和谷歌的核能交易引起了全球媒体的关注。但是，包括Meta和谷歌在内的几家公司也在投资另一种低碳能源——下一代地热能。美国能源部（DoE）地热技术办公室负责人、地质学家Lauren Boyd表示，这些协议表明这项技术“即将”在商业上取得广泛成功。

10月17日，总部位于德克萨斯州休斯顿的初创公司Fervo Energy在美国政府批准扩建其在犹他州比弗县建设的地热电厂后，得到了重大支持。这个项目最终可能产生多达2000兆瓦的电力——相当于两个大型核反应堆的容量。尽管实现这一目标可能需要一段时间，但该电厂已经有400兆瓦的产能在规划中，并将在2028年前为谷歌耗电量巨大的数据中心和其他客户提供全天候电力。在8月，另一家初创公司Sage Geosystems宣布与Facebook的母公司Meta合作，计划在2027年前为Meta的数据中心提供多达150兆瓦的地热电力。

非天然地热

Sage、Fervo和其他全球公司正在竞相利用地球深处不断流动的热能。与已经存在了近一个世纪的传统地热能不同，这些项目是自己创造而不依赖天然温泉。

该过程涉及钻探一个深达数公里的孔洞，岩石温度约为200摄氏度，并以高压注入水和沙子。这会使岩石产生裂缝，增加其渗透性，形成一个可以通过第二个孔洞不断提取的热水库。然后，用加压的热水来发电。

这种方法——称为增强型地热系统（EGS）——自1970年代以来就已经尝试过，但大多数项目未能提取到显著的能量。

过去十年的改进来自采用石油和天然气行业的技术，包括更好的岩石裂缝制造方法和水平钻探方法。研究人员必须将这些方法适应高温岩石钻探，或者找到自己的解决方案。Boyd直接参与了美国能源部推动EGS技术的犹他州FORGE项目，她说，该项目引入了一些创新，几乎将钻探成本减半。

横向钻探

犹他大学盐湖城分校的地质学家Joseph Moore说，水平钻探对EGS的成功至关重要，因为压裂产生的裂缝“往往是垂直的”。Moore是犹他FORGE的负责人，他说，水平孔洞将穿越许多裂缝，并向大量岩石注入或提取水。

尽管犹他FORGE项目推动了EGS的边界，并开发了钻探更深更热岩石的技术，但Fervo在犹他州的电厂和之前的两个试点项目表明，EGS概念可以使用现成的工具来实现，Fervo位于内华达州雷诺的高级地质学家Emma McConville说：“我们可以以极快的速度向市场提供大量地热能。”

下一代地热能公司的高管们说，大量拥有石油和天然气钻探经验的员工是一个现成的资源，应有助于其业务的快速增长。在设备方面也与石油和天然气行业有大量重叠：用于钻井的30米高的井架与用于提取碳氢化合物的井架相同，McConville说：“能够继续使用这些设备，但用于无碳能源——这是我最喜欢的行业之一。”

减少地震风险

EGS的发展部分受到阻碍，因为涉及的水力压裂（压裂）过程会引发地震活动。包括瑞士巴塞尔和韩国浦项的项目在内的一些项目因压裂与显著的地震活动有关而不得不关闭。

犹他FORGE、Fervo和其他公司正在遵循能源部的指导方针来限制诱发地震活动，并使用地震仪持续监测其场地。McConville说：“如果超过某个阈值，我们就会关闭。”尽管压裂确实会产生地震，但这些地震的震级通常小于2，她补充道。“如果我们小心，不在可能滑动的断层中钻探，我们就不会产生你能感觉到的地震事件，”Moore说。

另一家公司采用了一种更为谨慎的方法。总部位于加拿大卡尔加里的Eavor公司将其地热技术称为“先进型”而非“增强型”，并完全不使用压裂。该公司开发了一种复杂的磁性导向系统，在这种系统中，两个孔洞的钻头相互引导并在地下形成闭环。公司首席技术官Matt Toews说：“在地下四公里半深处，没有GPS。”

在Eavor的项目中，每个孔洞分支成一组平行的水平管道，然后在另一个孔洞处重新连接。这也意味着水从不直接接触岩石，而是通过管道外壳吸热。“优点是我们不需要压裂，”Eavor公司德国分部的首席地质学家Carsten Reinhold说。

Eavor正在德国格雷茨里德附近建设其第一个商业地热电厂，该电厂应在明年开始利用深4500米处160摄氏度的水。该电厂主要为附近城镇的建筑物提供供暖，但也将产生约8兆瓦的电力。

未来市场

钻探数公里深的孔洞是非常昂贵的，每个孔洞的成本可达数百万。尽管预计成本会下降，但下一代地热能仍预计比许多其他形式的能源更昂贵。但由于它可以随时可用，因此它可以补充固有不稳定的低碳资源，如太阳能和风能。“它填补了一个很少有选择的空白，”新泽西州普林斯顿大学的能源系统研究员Wilson Ricks说。它的主要竞争对手将是其他昂贵的能源来源，如核能、生物质能和氢能。

地热能是否会成为经济解决方案在很大程度上还取决于地理位置。一般来说，钻得越深，岩石越热，但地质学的变幻莫测意味着岩石达到发电所需的高温（约200摄氏度）的深度在全球范围内差异很大。例如，能源部的一项调查显示，美国西部的潜力远远高于东部（见“潜力分布”）。

在今年早些时候发表在《自然能源》上的一项研究中，Ricks和包括Fervo联合创始人Jack Norbeck在内的合作者模拟了美国的能源市场。Ricks说，他们发现地热能在美国西部大部分地区比核能便宜。但该研究的一个关键假设是，电厂可以根据需求波动调节其电力生产。即将建设的设施是否能在不造成过度磨损的情况下做到这一点，将是一个重大考验。