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從太空觀察地球，我們會看到一顆蔚藍(lán)美麗的星球。由于海洋的藍(lán)色和森林的綠色都是冷色調(diào)，這樣的地球可能看上去會讓我們感到清朗涼爽。

不過眼睛總是會騙人，實(shí)際情況或許出乎大家意料。地球其實(shí)是一個外冷內(nèi)熱的小火球，內(nèi)部蘊(yùn)含著很高的熱量。雖然不能與太陽這種大火球相比，但據(jù)估計地球中心的溫度也達(dá)到了驚人的 6000 ℃。

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖片來源：flickr/ Argonne ’ s Advanced Photon Source

有學(xué)者認(rèn)為地球熱量來源主要有三個，一是地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量，二是地球內(nèi)部致密物質(zhì)下沉到地心時重力勢能轉(zhuǎn)化成的熱量，三是地球形成時尚未散失的熱量。總而言之，這些都是地球自身產(chǎn)生的熱量。

這些能量能不能被人類利用起來？今天，就給大家介紹一種 " 未來能源 " ——干熱巖。

地下除了溫泉，巖石也很熱啊

雖然地心高溫，但是據(jù)資料顯示，地表年平均溫度只有 15 ℃左右。這是因?yàn)閺牡匦牡降乇?strong>熱量逐漸散失，溫度越來越低，這也讓地層中出現(xiàn)了地溫梯度。在靠近地表的區(qū)域，平均地溫梯度是 3 ℃ /100m，即每深入地下 100 m，溫度就升高 3 ℃；反過來，每向地表靠近 100m，溫度降低 3 ℃。

發(fā)現(xiàn)這些來自地下的熱量后，人類就想加以利用，將其稱為地?zé)豳Y源，并按照產(chǎn)出方式分為水熱型地?zé)豳Y源和干熱型地?zé)豳Y源。

水熱型地?zé)豳Y源可以簡單理解為地下熱水。溫泉就屬于水熱型地?zé)豳Y源，這是地下熱水冒出地表后的產(chǎn)物。還有一些地下熱水并不冒出地表，而是一直封存于地下。水熱型地?zé)豳Y源的應(yīng)用實(shí)例，除了泡溫泉之外，在國內(nèi)比較著名的就是西藏羊八井地?zé)崽?/strong>了，1977 年我國就在此建了一座地?zé)岚l(fā)電站，并取得了良好效益。

泡溫泉就是利用的水熱型地?zé)豳Y源

圖片來源：wikipedia

相應(yīng)的，干熱型地?zé)豳Y源可以理解為雖然地下的巖層很熱，但沒有水或者只存在很少的水。一般是指埋藏于地殼 3~10 km 深處、溫度高于 180 ℃（也有學(xué)者認(rèn)為是 150 ℃或者 200 ℃）的高溫巖體，因此干熱型地?zé)豳Y源也被稱為干熱巖。

之所以強(qiáng)調(diào) 3~10 km 這個深度，倒不是說更深的就不熱了，而是因?yàn)?strong>更深的地方我們夠不著了。目前人類最深的鉆井記錄是蘇聯(lián)的科拉超深井，花了 20 年時間才達(dá)到 12.2 km，而且耗資巨大。因此我們一般只關(guān)注那些地溫梯度比較高，即挖得不深就能很熱的地方，這里投入產(chǎn)出比比較高。中國的干熱巖資源主要集中在西藏羊八井地區(qū)、云南騰沖地區(qū)以及青海共和盆地等地。

中國干熱巖資源分布圖

圖片來源：參考文獻(xiàn) [ 13 ]

干熱巖的資源量是相當(dāng)可觀的。據(jù)麻省理工學(xué)院保守估計，地殼中可開采的干熱巖儲量接近 1.3×1027 J，可供全球使用大約 2.17 億年。而中國大陸 3~10 km 深度的干熱巖資源據(jù)統(tǒng)計約為 2.52×1025 J，大致相當(dāng)于 860 萬億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)中國 2021 年的能源消費(fèi)總量 52.4 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤計算，如果這部分干熱巖可以實(shí)現(xiàn) 2% 的開采率，那么將能夠維持中國 3282 年的能源供給。

不過，干熱巖這種資源這么好，怎么還不開采利用呢？

能量誘人，開采不易

雖然干熱巖資源的前景非常誘人，但開采起來困難極大，直到上世紀(jì) 70 年代才有了較大的理論突破。1970 年，美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室提出了增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced geothermal system， EGS）的概念，基本原理大概是這樣的：向地?zé)醿又写騼蓚€井，注入井和生產(chǎn)井。向注入井中注入冷水，等冷水流經(jīng)地?zé)醿颖患訜岷螅儆蒙a(chǎn)井把熱水抽上來，然后就能用這熱水供暖或發(fā)電了，用完還可以將這些水導(dǎo)入地下循環(huán)利用。

EGS 工程示意圖

圖片來源：作者自制

這個方案乍聽起來簡便劃算，等于說讓冷水去地?zé)醿哟T后，就能帶著熱量滿載而歸了，但實(shí)際存在很多工程技術(shù)上的難題。比如干熱巖資源所處的地層往往又熱又硬，鉆井難度大、成本高；又比如干熱巖儲層可能致密不透水，注入的冷水無法向鉆井周邊擴(kuò)散吸熱，難以流到生產(chǎn)井被抽出。

盡管我們可以通過水力壓裂技術(shù)（注入高壓水破壞儲層結(jié)構(gòu)，在其中形成裂隙網(wǎng)絡(luò)）來改善儲層的滲透率，但由于地下操作看不見摸不著，高壓水注下去后，難以保證裂隙就只按我們想要的方向發(fā)展，萬一它向遠(yuǎn)離生產(chǎn)井的方向發(fā)展，那我們注入的水就收不上來了。

水力壓裂技術(shù)示意圖，向地下注入高壓水溶液，利用高壓使得巖層中產(chǎn)生裂隙，目前頁巖油采集也主要使用本技術(shù)

圖片來源：Wikipedia

1973 年，美國開啟了Fenton Hill 干熱巖試驗(yàn)項(xiàng)目，首次進(jìn)行了 EGS 的工程嘗試。雖然這個項(xiàng)目最終因鉆井設(shè)備缺陷以及工程成本巨大等原因失敗了，但也證實(shí)了 EGS 技術(shù)上的可行性，對干熱巖地?zé)衢_采起到了至關(guān)重要的推進(jìn)作用。此后英國、法國、德國、澳大利亞以及日本等相繼開展了一系列的 EGS 工程嘗試，其中由法、英、德三國于 Soultz 聯(lián)合開展的 EGS 系統(tǒng)是目前世界上較為成功的 EGS 示范項(xiàng)目，于 2008 年實(shí)現(xiàn)了干熱巖地?zé)岚l(fā)電。

在歐洲的 EGS 技術(shù)成功后，美國、韓國和中國等國家也加速了這方面研究。美國能源部于 2015 年 4 月開始實(shí)施了 " 給地球插上插頭 " 的干熱巖 " 地?zé)崮芮把夭t望臺研究計劃 "（FORGE），計劃在 2050 年將 EGS 發(fā)電的總裝機(jī)容量提高到 10 萬兆瓦，相當(dāng)于 4 個三峽大壩。

韓國于 2016 年啟動了國內(nèi)第一個 EGS 項(xiàng)目嘗試— Pohang EGS，其最終目標(biāo)是期望實(shí)現(xiàn) 1 兆瓦（MWe ）的發(fā)電示范。但在該項(xiàng)目啟動后，2017 年在項(xiàng)目所在地附近發(fā)生了一次 5.5 級地震，有研究認(rèn)為可能是這個項(xiàng)目向地下注水時誘發(fā)了地震，因此這個項(xiàng)目被迫停止。

韓國 2017 年項(xiàng)浦地震一角，這是該國近年來最大的地震之一，被懷疑很可能與 EGS 有關(guān)。

圖片來源：wikipedia

中國科學(xué)家 2017 年 5 月在青海共和盆地東部的 GR1 地?zé)峋?3705 米深處鉆獲了 236 ℃的高溫巖體，這是國內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體；2022 年 1 月，在共和盆地成功實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電并網(wǎng)，取得歷史性重大突破。

共和盆地干熱巖壓裂與定向鉆探現(xiàn)場

圖片來源：中國地質(zhì)調(diào)查局

除了傳統(tǒng)的 EGS 方法外，還有學(xué)者另辟蹊徑。其中值得一提的就是我國學(xué)者創(chuàng)新提出的重力熱管技術(shù)，原理很巧妙：把一根導(dǎo)熱性極好的管道插入到干熱巖地層中，然后熱管就會自動把熱量傳導(dǎo)上來。不過由于距離很長，只用熱管的話可能采熱效率不佳，為此我們可以向管中注入氨水，氨水受熱后容易汽化，可以很方便地把熱量以蒸汽的形式帶上來，進(jìn)一步提高了采熱率。

《中國科學(xué)報》2022 年 1 月報道了中國地質(zhì)調(diào)查局與中科院廣州能源研究所合作創(chuàng)新研制的國內(nèi)最長的 4200 米重力熱管采熱試驗(yàn)裝置。在雄安新區(qū)為期 3 個月的現(xiàn)場采熱試驗(yàn)顯示，單井短時采熱功率可達(dá)1.3 兆瓦，平均采熱功率800 千瓦，長期穩(wěn)定運(yùn)行可支撐供暖面積超 2 萬平方米。這一技術(shù)突破也是我國科技工作者對世界地?zé)豳Y源開采事業(yè)的一大貢獻(xiàn)。

重力熱管技術(shù)示意圖

圖片來源：作者自制

干熱巖開采的隱患，怎么解決？

有人擔(dān)憂干熱巖開采可能引發(fā)的問題。一是誘發(fā)地震，如前文提到的韓國地震。不過，事實(shí)上這里的地震問題主要是水力壓裂導(dǎo)致的，其他使用水力壓裂技術(shù)的工作比如頁巖氣開采等也可能引發(fā)類似的問題。而已有研究指出水力壓裂對 3 級以上地震活動影響有限，同時水力壓裂誘發(fā)的微地震可能有助于釋放累積的地應(yīng)力或能量，降低大震風(fēng)險。此外還有學(xué)者認(rèn)為水力壓裂導(dǎo)致的地震是可以控制的。

二是影響地球壽命。地?zé)豳Y源是地球自身熱量的一部分，我們自作主張拿走了地?zé)豳Y源，有人擔(dān)心會是殺雞取卵。應(yīng)該說地球內(nèi)部的龐大熱量確實(shí)是地球還 " 活著 " 的象征，它是地球上多種地質(zhì)活動比如火山和地震的動力來源，等哪一天它消耗用盡后，地球就可能會冷卻成月球那樣，變成沒有生機(jī)與活力的荒原。但大家對此其實(shí)不用太擔(dān)心，因?yàn)槿祟惈@取的這一點(diǎn)熱量相對于整個地球而言實(shí)在是九牛一毛。而且即便人類不拿走，地球也要通過火山或地震來釋放自己的旺盛精力。

三是耗水量大，且影響生態(tài)環(huán)境。在 EGS 儲層改造過程中，通常需要耗費(fèi)數(shù)萬立方米的水資源，如前文提到的 Soultz 項(xiàng)目壓裂液用量就超過 10 萬立方米。而我國干熱巖資源主要分布在青海、西藏等水資源缺乏及生態(tài)脆弱的干旱地區(qū)，水力壓裂帶來的水資源浪費(fèi)和生態(tài)破壞等問題不能忽視。對此有學(xué)者提出了用超臨界 CO2 充當(dāng)壓裂液的方法，一來節(jié)約水資源，二來助力碳中和。目前是研究熱點(diǎn)，希望可以早日大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)踐。

結(jié)語

總的來說，雖然很多國家都制定了開采干熱巖資源的宏偉計劃，但各國普遍還處于小規(guī)模的試驗(yàn)探索階段。中國地質(zhì)科學(xué)院研究員王貴玲直言："（干熱巖開采技術(shù)）50 年的時間沒有特別明顯的進(jìn)展 "。而中國因?yàn)槠鸩捷^晚，技術(shù)積累方面相對更加薄弱。

但毋庸置疑的是，干熱巖是極富潛力的未來能源，儲量巨大，且綠色無污染，一旦在開采技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破，就能很好地造福人類社會。