干熱巖發(fā)電：挖掘地球熱能

段景頤

位于冰島西南角的雷克雅內(nèi)斯半島風(fēng)景優(yōu)美，地表巖石的年齡約為100萬年。時(shí)至今日，此處地表形狀仍被熔巖流不斷重新塑造。初到這里的人多半會(huì)立刻察覺到周遭的空氣里充斥著腐蛋臭味（硫化氫的氣味），以及地?zé)崽锊粩喑峡諊姲l(fā)出的巨大蒸汽柱。

冰島位于大西洋中脊，兩大板塊在此互相角力，這使得冰島成為全世界地殼活動(dòng)最頻繁的國家之一。這條蘊(yùn)含巨大地?zé)崮芰康牧芽p位于雷克雅內(nèi)斯半島下方僅僅數(shù)千米的地下，火山熔巖在那里汩汩流淌。得天獨(dú)厚的地?zé)釛l件讓雷克雅內(nèi)斯成為許多地?zé)峥茖W(xué)家前往的圣地，冰島地?zé)峥茖W(xué)家奧拉夫·弗里德萊弗森便是其中之一。想要利用這座能量寶庫，要做的只是往下鉆。

冰島是當(dāng)之無愧的地?zé)嶂畤?，全國遍布地?zé)岚l(fā)電廠。弗里德萊弗森負(fù)責(zé)的“冰島深鉆項(xiàng)目”（IDDP）又是其中非常特殊的一個(gè)，因?yàn)樗軌蚶玫恼羝麥囟群蛪毫h(yuǎn)超其他地?zé)岚l(fā)電廠。弗里德萊弗森團(tuán)隊(duì)的工作將有助于完全改變地?zé)崂眉夹g(shù)。IDDP的投入使用，標(biāo)志著人類利用地?zé)徇M(jìn)入了新時(shí)代。因?yàn)閺腎DDP項(xiàng)目目前的進(jìn)展看，更高效地利用地?zé)崮?，使之更大程度滿足人類需求可能成為現(xiàn)實(shí)。長期沒有得到重視的地?zé)崮芑驅(qū)⒊蔀槿蚰茉搓嚑I的一匹黑馬。

腳下的清潔能源

從開采角度看，地?zé)崮苁莾H次于太陽能的第二大清潔能源。全球地表以下10千米范圍內(nèi)的地?zé)峥偭肯喈?dāng)于全球煤炭儲(chǔ)量的1.7億倍，其中可利用量相當(dāng)于5000萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。如果按照全世界每年消耗190億噸標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，這些地?zé)崮芸梢怨┤祟愂褂脭?shù)十萬年。

地球內(nèi)部這極為龐大的熱量來自何處？其實(shí)，超過半數(shù)的地?zé)醽碜杂诘厍騼?nèi)部礦物質(zhì)的放射性衰變，其中鈾238、鈾235、釷232、鉀40等元素是釋放能量的主力軍。那這些放射性元素會(huì)不會(huì)燒完呢？這也不用擔(dān)心，因?yàn)檫@四種放射性元素半衰期通常都在幾十億年，壽命很長。

開采地?zé)崮芤?guī)避許多其他新能源面臨的難題——風(fēng)會(huì)停，天會(huì)陰，但地?zé)岵粫?huì)斷。核電、水電又有各自的環(huán)境、生態(tài)問題要解決。地?zé)崮懿坏?yīng)穩(wěn)定、清潔并可再生，而且儲(chǔ)量豐富。當(dāng)然，地?zé)岚l(fā)電廠也有缺點(diǎn)，比如初期勘探成本高，因?yàn)橛虚_采價(jià)值的穩(wěn)定地下熱源很難尋找。地?zé)岚l(fā)電廠的地理局限性也很大，既要有淺層地下熱源，也需要水資源充沛，巖層之間還要有貫通的孔隙讓水流通過，從而實(shí)現(xiàn)換熱。即便找到了這樣的熱源，鉆井費(fèi)用也是高得驚人。

迄今為止，人類對(duì)地?zé)徇@座能源寶庫的開發(fā)利用遠(yuǎn)不及太陽能或風(fēng)能等新能源。人類利用地?zé)岚l(fā)電已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)的歷史，可目前地?zé)犭姲l(fā)電還不到全球發(fā)電總量的1%。如果要普及地?zé)岚l(fā)電廠，不但要提高地?zé)岚l(fā)電廠的發(fā)電量，還要想辦法讓地?zé)岚l(fā)電廠走出傳統(tǒng)地?zé)釁^(qū)。

往燙石頭上澆水

目前人類對(duì)地?zé)岬耐诰蚝堋澳w淺”。地球平均半徑6350千米，與之相比，地殼非常薄——平均厚度僅為17千米。即便如此，目前最深的IDDP地?zé)峋疃纫仓挥?千米。如果把地球看成是一個(gè)雞蛋，把地殼看作雞蛋殼，那么人類目前最深的地?zé)峋仓徊贿^鉆透了“雞蛋殼”1/3的厚度。

1904年，意大利的托斯卡納省出現(xiàn)了第一座微型地?zé)岚l(fā)電廠。不過它的發(fā)電能力弱得不能再弱——產(chǎn)出的電能只夠點(diǎn)亮5個(gè)100瓦特的電燈。然而，就是這微弱的電流開啟了意大利地?zé)崮茉吹钠孥E。

同樣在托斯卡納，千百年前就因?yàn)閺浡牧螯S和隨處可見的溫泉享譽(yù)四方，素有“地獄谷”之稱的拉德瑞羅現(xiàn)在是意大利重要的地?zé)崽?。位于這里的地?zé)岚l(fā)電廠總裝機(jī)容量達(dá)800兆瓦，為周邊1萬戶居民用戶和商業(yè)用戶輸送用電。但傳統(tǒng)地?zé)岚l(fā)電廠只能從地表天然形成的斷層中提取熱水用于發(fā)電，實(shí)際上只利用了極少量的地?zé)崮?，大量更深層的地?zé)豳Y源無法被利用。

科學(xué)家迫切希望解答兩個(gè)問題：如何從地下獲取更多熱量？如何從地質(zhì)條件不理想的地區(qū)獲取地?zé)幔?970年，美國科學(xué)家莫頓和史密斯提出了利用地下干熱巖體發(fā)電的設(shè)想。所謂干熱巖，就是地下深處普遍存在的沒有液態(tài)水或水蒸氣的致密、不滲透的熱巖。

1972年，他們?cè)诿绹履鞲绫辈看蛄藘煽诩s4000米的深斜井，并從一口井中注入冷水，再從另一口井中抽取高溫蒸汽。結(jié)果讓人興奮，蒸汽功率達(dá)2300千瓦。后人在此基礎(chǔ)上，利用高壓冷水壓裂干熱巖，形成破碎帶（人工熱儲(chǔ)），讓干熱巖盡可能增加暴露表面積，提高冷水的滲透率。

這種新技術(shù)被稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（簡稱EGS）。它的原理是利用水等介質(zhì)，從地表下3～10千米的干熱巖中獲取熱量發(fā)電，十分類似于往燙石頭上澆水獲取蒸汽的芬蘭桑拿浴。干熱巖資源遍布全球，是一種無處不在的資源。

可能引發(fā)地震？

不過，干熱巖發(fā)電面臨著不少技術(shù)難點(diǎn)，也是阻礙這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的巨大障礙。難點(diǎn)之一是制造理想的破碎帶。由于地下深層具有極高的溫度和壓力，很多情況下剛剛壓裂形成的破碎帶，立刻又閉合了，這樣水就無法滲透。如果干熱巖破碎得“過頭”了，造成孔隙太大，滲透太快，冷水還沒來得及和高溫巖石充分接觸就流走了。有些情況下，注入的冷水會(huì)莫名其妙地消失在地下裂縫中，一去不復(fù)返。

干熱巖發(fā)電還可能帶來另外一些后果。2006年，位于瑞士巴塞爾的一個(gè)商業(yè)干熱巖發(fā)電廠引發(fā)了當(dāng)?shù)匾粓?chǎng)3.4級(jí)地震。雖然這次地震沒有造成傷亡，但讓當(dāng)?shù)厝寺?lián)想起幾百年前發(fā)生在此地的一次夷平城市的6.0級(jí)地震。2017年，韓國浦項(xiàng)市發(fā)生5.5級(jí)地震，造成數(shù)億元財(cái)產(chǎn)損失。這場(chǎng)地震也被懷疑和附近的干熱巖發(fā)電廠有關(guān)。最終，兩個(gè)項(xiàng)目都被迫關(guān)停。

與礦石開采、油氣壓裂一樣，開采干熱巖地?zé)岚l(fā)電確實(shí)也可能引發(fā)地震，但專家表示，干熱巖發(fā)電開采地?zé)徇^程引發(fā)大地震的風(fēng)險(xiǎn)很小。即便地震發(fā)生，頻繁的小規(guī)模地震也有助于釋放斷層積累的應(yīng)力。如果選址時(shí)多做“功課”，并且在地面晃動(dòng)還較為輕微時(shí)降低注入率，發(fā)生在瑞士和韓國的地震應(yīng)該是可以避免的。

超臨界水送來10倍能量

為了尋求地?zé)岚l(fā)電廠的突破口，一些科學(xué)家開始研究“超臨界地?zé)岚l(fā)電廠”。這個(gè)想法的提出，要?dú)w因于20世紀(jì)80年代地?zé)岚l(fā)電廠發(fā)生的幾次令人驚恐的高溫爆炸。

第一次事故就發(fā)生在意大利拉德瑞羅，當(dāng)時(shí)一口鉆井在鉆探到地下將近4000米深時(shí)，遇到了380℃的超高溫水。鉆頭因?yàn)闊o法承受高溫而損壞，井壁也無法承受如此高的溫度。工作人員在確認(rèn)了支撐井壁的套管斷裂后，意識(shí)到這口深井已經(jīng)無法修復(fù)，于是將其廢棄。幾年后，人們?cè)谑鹿示浇麻_鉆井。不幸的是，鉆頭工作中又和同一股地下超高溫水不期而遇，結(jié)果鉆井在一次大規(guī)模蒸汽爆炸中被毀。

無獨(dú)有偶，冰島在1988年也發(fā)生過類似事故。但冰島的地?zé)峥茖W(xué)家并沒有因危險(xiǎn)而放棄探索。因?yàn)樗麄兠靼?，只要找到控制超臨界水的方法，就能駕馭這頭兇悍“猛獸”。所謂超臨界水，是指當(dāng)溫度超過374℃且壓力超過221個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的一種特殊狀態(tài)的水。在這種狀態(tài)下，液態(tài)水和水蒸氣的密度完全相等。此時(shí)，液態(tài)水和氣態(tài)水完全交融在一起，成為一種新的、呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的流體。

超臨界水對(duì)地?zé)岚l(fā)電廠意義重大。因?yàn)?00℃的超臨界水蘊(yùn)含的能量是普通地?zé)峋?00℃地下熱水能量的5倍，且前者比后者傳遞能量更快，黏度也更低，因此更容易流出地表。據(jù)計(jì)算，超臨界地?zé)岚l(fā)電廠的發(fā)電能力可達(dá)傳統(tǒng)地?zé)岚l(fā)電廠的10倍左右。雖然鉆到超臨界水深度成本很高，但超臨界地?zé)岚l(fā)電廠一旦建成，其超高的發(fā)電效率很快就能抵消高昂的開發(fā)成本。

為了證實(shí)超臨界地?zé)岚l(fā)電廠的價(jià)值，冰島科學(xué)家再一次走在了前面。2009年，他們的鉆頭成功鉆透克拉夫拉火山的巖漿房，注入的冷水成功轉(zhuǎn)化為超臨界水并涌出地表。這個(gè)超臨界地?zé)岚l(fā)電廠運(yùn)行了兩年，雖然最終因?yàn)橐粋€(gè)閥門失效而不得不封井，但它在短暫的兩年時(shí)間里，讓人們看到了未來。

經(jīng)歷了這次成功后，冰島科學(xué)家們繼續(xù)他們?cè)诶卓搜艃?nèi)斯的研究工作，向更深層地下發(fā)起挑戰(zhàn)：他們的鉆機(jī)鉆至地下4.6千米，冷水注入后被加熱到600℃。從2017年開始，工程師團(tuán)隊(duì)不斷向井中大量泵入高壓冷水，進(jìn)一步壓裂干熱巖，增加這些燙石頭碎裂后的滲透率。目前科學(xué)家已經(jīng)停止向井中注入冷水，他們?cè)诘却蔁釒r重回高溫，屆時(shí)將啟動(dòng)新測(cè)試。

其他許多國家也在紛紛趕上冰島在地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域的步伐。和雷克雅內(nèi)斯IDDP項(xiàng)目一樣，這些新的超臨界地?zé)岚l(fā)電廠也面臨同樣的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)：地下深層的高溫高壓導(dǎo)致鉆頭極易變形，甚至熔化;超臨界水的極強(qiáng)的反應(yīng)活性能輕易腐蝕閥門：用于監(jiān)測(cè)井內(nèi)條件的各種設(shè)備極易在高溫下發(fā)生故障……不過，工程師正在不斷尋找解決方案，例如用高壓流體噴射器或激光器代替鑲嵌金剛石的金屬鉆頭。

目前干熱巖開發(fā)還局限于新火山活動(dòng)區(qū)或地殼較薄的地區(qū)?？茖W(xué)團(tuán)隊(duì)和能源公司主要在熱源較淺的區(qū)域建設(shè)超臨界地?zé)岚l(fā)電廠，比如冰島、意大利和美國西部。那么，超臨界地?zé)犴?xiàng)目是否有望在全球所有區(qū)域普及？像東歐等地殼較厚的地區(qū)，鉆機(jī)可能需要穿透15千米的地殼才能達(dá)到超臨界條件。

干熱巖發(fā)電面臨的最大阻礙還是來自經(jīng)濟(jì)層面。技術(shù)不斷成熟的太陽能和風(fēng)能的單價(jià)己經(jīng)很低，廉價(jià)的天然氣資源更是充溢國際能源市場(chǎng)，因此，留給地?zé)犭姷陌l(fā)展空間非常小。

干熱巖發(fā)電的巨大優(yōu)勢(shì)也是顯而易見的。干熱巖發(fā)電不燃燒化石燃料，不排放二氧化碳等溫室氣體，也不會(huì)造成固體物排放;因?yàn)樗窃诜忾]系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，所以不產(chǎn)生廢水排放：干熱巖的儲(chǔ)量也很大。據(jù)中國科學(xué)院估算，僅中國地表下方3～10千米干熱巖的熱資源總量就相當(dāng)于715萬億噸標(biāo)煤。即便只開采2%，都是中國2010年能源消耗總量的4400倍。

我們正在能源轉(zhuǎn)型路口，如何在氣候變化和環(huán)境惡化最終滅絕人類前找到理想新能源？干熱巖發(fā)電為我們展示了一個(gè)我們夠得著的明天。