新型能源竟在“脚下”

王治钧

地球的地核内核温度达到6000摄氏度，和太阳表面的温度相同。我们赖以生存的地壳漂浮在地幔这个隔热层上，它很好地把热量隔绝在地下，保护着我们。2021年TED大会上，气候活动家、钻探技术专家杰米·比尔德（Jamie Beard）介绍了几项关于地热能利用的最新技术。

左图为杰米·比尔德在TED 大会。她希望能用技术来解决或者缓解气候变化问题

地球构造板块的交接处会有一些地球能量的外泄，比如剧烈的火山爆发。火山爆发喷出的熔岩改变着地貌结构，这是地核热能溢出地表后的呈现形态。

剧烈的地热能源外泄会危及地球生命，但也有很多地热能源可以直接被人类利用。比如，冰岛虽然天气寒冷、潮湿又多风，但地表之下有着无穷无尽的热量在蒸发。这个国家几乎所有的建筑供暖都来自地热能，且过程中几乎没有任何碳排放。

冰岛的地热易取，并能被大量利用，原因是构造板块和火山活动以蒸汽或热液态水的形式将热量从地核推向地表，而热量溢出的位置接近地面。其实世界上有不少类似的地方都可以利用这些热能，比如中国西藏的羊八井热电站。

1886 年，新西兰的塔拉威拉火山喷出熔岩复原图

这么看来，任何地方只要想开采地下的地热能，就要想办法创造类似冰岛的地热条件：钻过地下满是高温的岩石，岩石中要有空隙，用高温高压水蒸气填满那些空隙。这些条件看似简单，然而世界上没有多少地方天然就能具备，只能依靠技术创新实现。

地热能源的利用效率非常高。比如，地热能发电的能源利用率平均可以达到73%，有的国家和地区这一数字甚至可以达到90%。同时，地热能在二氧化碳减排方面作用显著。

目前地热应用较多的是基于地面浅层的地热供暖产业。在一些地区几米或几百米深的泥土下，可达到至少20摄氏度，地热热泵将水或者防冻液体通过管道在这层泥土里抽取能量，然后这些液体被泵送到当地的基础设施中，扩散热量后，再次在地面下穿梭吸收更多的能量，不仅运行成本低，它的节能性也是化石燃料的两倍。

冰岛的一个地热电厂

另一种地热能源的利用就是建造地热发电厂，利用地表深处几百摄氏度的热能发电。

首先，工程师会在砂岩或者玄武岩这样的可渗透岩石上钻一口数千米的井，随着高温高压的地下水流入井中，迅速变化的压力和温度产生大量的蒸汽，然后这些蒸汽带动涡轮机的叶片发电。最后，剩余的冷却水和冷凝汽被重新注入地下，这就形成一个闭环——在不失水的情况下提供电力。

冰岛的地热点冒出蒸汽

这个系统看起来简单，但是一直没有大规模使用，这和热量地点开采成本和技术有关。地热发电厂需要利用很难找到的高温地热田，而且钻这么深的井口成本不菲，密集地钻井也会引发地震。

所以，最近十多年来，一些科技创新团队一直在寻找新的方法来利用地下热能。

冰岛等一些国家的科学家开始尝试利用新技术钻井，探寻如何利用地下的热量。他们的目标是利用这些热量为能源匮乏的世界提供一部分动力。

首个实验项目选择在冰岛一个火山岩附近钻探一个深井。

地热供暖示意图

他们利用了一些新技术。比如，高压高温钻井技术，还有一种弯曲转向钻井技术，当无法直着向下钻探时，我们可以转动并控制钻头改变方向，非常精准地到达地下几千米的确切位置。

在诸多创新中，有一种成为闭路汲热系统的技术。这套系统不需要压裂岩石来创造地底下的液槽，而是完全通过钻掘通道来实现热能汲取，就像在岩石中铺设了一个暖气管道。

地热发电厂工作原理示意图

探采地下能量的创新方向有很多，用什么样液体也有不少科学家在研究。目前大部分采用的依然是水，而高压水的钻井过程也可能给地下水带来某种程度的污染，所以技术人员正在寻找一种更理想的物质。

尽管地热能源是干净、可再生的，但钻取过程并不是完全无害的，钻井会释放出含有污染物的蒸汽，例如甲烷和硫化氢。幸运的是，新技术的出现已能战胜种种挑战，如排放控制系統可以捕获污染物，电磁检测可以帮助检测地震风险等。

成熟的石油及天然气产业加入进来后，也会大大加速这种绿色能源的发展。

解决全球气候变化问题需要多种形式的创新，需要不同组织和团队团结起来，才能实现碳中和的远景目标。希望终有一天，我们能够仅靠各种洁净能源维持人类的生存。

弯曲转向钻井技术示意图

 多种形态和方式设计的地下汲热系统示意图

 地热系统的概念就是钻挖多个深井，并把井底的岩石击裂，在地下创造出一个“水壶”式储液空间，地底下几百摄氏度的热能会将泵下去的水或者液体煮沸，液体吸收热量变成高温高压形态重新流回地面

 闭路汲热系统示意图

 石油天然气行业和深度地热勘探有很多技术应用是相通的

（责任编辑 / 王佳颖  美术编辑 / 周游）