不過(guò)眼睛總是會(huì)騙人，實(shí)際情況或許出乎大家意料。地球其實(shí)是一個(gè)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(yáng)這種大火球相比，但據(jù)估計(jì)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(lái)源：flickr/ Argonne’s Advanced Photon Source

　　有學(xué)者認(rèn)為地球熱量來(lái)源主要有三個(gè)，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(shí)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成的熱量，三是地球形成時(shí)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(lái)？今天，就給大家介紹一種“未來(lái)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?span style=" padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">熱量逐漸散失，溫度越來(lái)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(guò)來(lái)，每向地表靠近100m，溫度降低3 。

　　發(fā)現(xiàn)這些來(lái)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(jiǎn)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(guó)內(nèi)比較著名的就是西藏羊八井地?zé)崽?/span>了，1977年我國(guó)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(lái)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(méi)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(gè)深度，倒不是說(shuō)更深的就不熱了，而是因?yàn)?span style=" padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">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(shí)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(guó)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(guó)干熱巖資源分布圖  圖片來(lái)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(jì)，地殼中可開(kāi)采的干熱巖儲(chǔ)量接近1.3 10^27 J，可供全球使用大約2.17億年。而中國(guó)大陸3~10 km 深度的干熱巖資源據(jù)統(tǒng)計(jì)約為2.52 10^25 J，大致相當(dāng)于860萬(wàn)億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)中國(guó)2021年的能源消費(fèi)總量52.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，如果這部分干熱巖可以實(shí)現(xiàn)2%的開(kāi)采率，那么將能夠維持中國(guó)3282年的能源供給。

　　不過(guò)，干熱巖這種資源這么好，怎么還不開(kāi)采利用呢？ 

　　能量誘人，開(kāi)采不易

　　雖然干熱巖資源的前景非常誘人，但開(kāi)采起來(lái)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(guó)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?chǔ)層中打兩個(gè)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?chǔ)層被加熱后，再用生產(chǎn)井把熱水抽上來(lái)，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(lái)源：作者自制

　　這個(gè)方案乍聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)便劃算，等于說(shuō)讓冷水去地?zé)醿?chǔ)層串門(mén)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(chǔ)層可能致密不透水，注入的冷水無(wú)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(guò)水力壓裂技術(shù)（注入高壓水破壞儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)，在其中形成裂隙網(wǎng)絡(luò)）來(lái)改善儲(chǔ)層的滲透率，但由于地下操作看不見(jiàn)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(wàn)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(lái)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(yè)巖油采集也主要使用本技術(shù)   圖片來(lái)源：Wikipedia

　　1973年，美國(guó)開(kāi)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(gè)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(duì)干熱巖地?zé)衢_(kāi)采起到了至關(guān)重要的推進(jìn)作用。此后英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞以及日本等相繼開(kāi)展了一系列的EGS 工程嘗試，其中由法、英、德三國(guó)于Soultz聯(lián)合開(kāi)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(guó)、韓國(guó)和中國(guó)等國(guó)家也加速了這方面研究。美國(guó)能源部于2015 年4 月開(kāi)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(tái)研究計(jì)劃”（FORGE），計(jì)劃在2050 年將EGS 發(fā)電的總裝機(jī)容量提高到10 萬(wàn)兆瓦，相當(dāng)于4個(gè)三峽大壩。

　　韓國(guó)于2016 年啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)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(dòng)后，2017年在項(xiàng)目所在地附近發(fā)生了一次5.5級(jí)地震，有研究認(rèn)為可能是這個(gè)項(xiàng)目向地下注水時(shí)誘發(fā)了地震，因此這個(gè)項(xiàng)目被迫停止。

　　韓國(guó)2017年浦項(xiàng)地震一角，這是該國(guó)近年來(lái)最大的地震之一，被懷疑很可能與EGS有關(guān)。  圖片來(lái)源：wikipedia

　　中國(guó)科學(xué)家2017年5月在青海共和盆地東部的GR1 地?zé)峋?705 米深處鉆獲了236 的高溫巖體，這是國(guó)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(guó)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(chǎng)  圖片來(lái)源：中國(guó)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(guó)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(huì)自動(dòng)把熱量傳導(dǎo)上來(lái)。不過(guò)由于距離很長(zhǎng)，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(lái)，進(jìn)一步提高了采熱率。

　　《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2022年1月報(bào)道了中國(guó)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(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的4200米重力熱管采熱試驗(yàn)裝置。在雄安新區(qū)為期3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)采熱試驗(yàn)顯示，單井短時(shí)采熱功率可達(dá)1.3兆瓦，平均采熱功率800千瓦，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行可支撐供暖面積超2萬(wàn)平方米。這一技術(shù)突破也是我國(guó)科技工作者對(duì)世界地?zé)豳Y源開(kāi)采事業(yè)的一大貢獻(xiàn)。

　　重力熱管技術(shù)示意圖  圖片來(lái)源：作者自制

干熱巖開(kāi)采的隱患，怎么解決？

　　有人擔(dān)憂干熱巖開(kāi)采可能引發(fā)的問(wèn)題。一是誘發(fā)地震，如前文提到的韓國(guó)地震。不過(guò)，事實(shí)上這里的地震問(wèn)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(yè)巖氣開(kāi)采等也可能引發(fā)類似的問(wèn)題。而已有研究指出水力壓裂對(duì)3級(jí)以上地震活動(dòng)影響有限，同時(shí)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(xiǎn)。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(huì)是殺雞取卵。應(yīng)該說(shuō)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(dòng)比如火山和地震的動(dòng)力來(lái)源，等哪一天它消耗用盡后，地球就可能會(huì)冷卻成月球那樣，變成沒(méi)有生機(jī)與活力的荒原。但大家對(duì)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(duì)于整個(gè)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(guò)火山或地震來(lái)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(chǔ)層改造過(guò)程中，通常需要耗費(fèi)數(shù)萬(wàn)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(guò)10萬(wàn)立方米。而我國(guó)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(lái)的水資源浪費(fèi)和生態(tài)破壞等問(wèn)題不能忽視。對(duì)此有學(xué)者提出了用超臨界CO2充當(dāng)壓裂液的方法，一來(lái)節(jié)約水資源，二來(lái)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(yǔ)

　　總的來(lái)說(shuō)，雖然很多國(guó)家都制定了開(kāi)采干熱巖資源的宏偉計(jì)劃，但各國(guó)普遍還處于小規(guī)模的試驗(yàn)探索階段。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院研究員王貴玲直言：“（干熱巖開(kāi)采技術(shù)）50年的時(shí)間沒(méi)有特別明顯的進(jìn)展”。而中國(guó)因?yàn)槠鸩捷^晚，技術(shù)積累方面相對(duì)更加薄弱。

　　但毋庸置疑的是，干熱巖是極富潛力的未來(lái)能源，儲(chǔ)量巨大，且綠色無(wú)污染，一旦在開(kāi)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(huì)。

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作者：肖易東 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所