干热岩发电：挖掘地球热能

干热岩发电：挖掘地球热能

位于冰岛西南角的雷克雅内斯半岛风景优美，地表岩石的年龄约为100万年。时至今日，此处地表形状仍被熔岩流不断重新塑造。初到这里的人多半会立刻察觉到周遭的空气里充斥着腐蛋臭味（硫化氢的气味），以及地热田不断朝上空喷发出的巨大蒸汽柱。

冰岛位于大西洋中脊，两大板块在此互相角力，这使得冰岛成为全世界地壳活动最频繁的国家之一。这条蕴含巨大地热能量的裂缝位于雷克雅内斯半岛下方仅仅数千米的地下，火山熔岩在那里汩汩流淌。得天独厚的地热条件让雷克雅内斯成为许多地热科学家前往的圣地，冰岛地热科学家奥拉夫·弗里德莱弗森便是其中之一。想要利用这座能量宝库，要做的只是往下钻。

冰岛是当之无愧的地热之国，全国遍布地热发电厂。弗里德莱弗森负责的“冰岛深钻项目”（IDDP）又是其中非常特殊的一个，因为它能够利用的蒸汽温度和压力远超其他地热发电厂。弗里德莱弗森团队的工作将有助于完全改变地热利用技术。IDDP的投入使用，标志着人类利用地热进入了新时代。因为从IDDP项目目前的进展看，更高效地利用地热能，使之更大程度满足人类需求可能成为现实。长期没有得到重视的地热能或将成为全球能源阵营的一匹黑马。

从开采角度看，地热能是仅次于太阳能的第二大清洁能源。全球地表以下10千米范围内的地热总量相当于全球煤炭储量的1.7亿倍，其中可利用量相当于5000万亿吨标准煤。如果按照全世界每年消耗190亿吨标准煤计算，这些地热能可以供全人类使用数十万年。

地球内部这极为庞大的热量来自何处？其实，超过半数的地热来自于地球内部矿物质的放射性衰变，其中铀238、铀235、钍232、钾40等元素是释放能量的主力军。那这些放射性元素会不会烧完呢？这也不用担心，因为这四种放射性元素半衰期通常都在几十亿年，寿命很长。

开采地热能规避许多其他新能源面临的难题——风会停，天会阴，但地热不会断。核电、水电又有各自的环境、生态问题要解决。地热能不但供应稳定、清洁并可再生，而且储量丰富。当然，地热发电厂也有缺点，比如初期勘探成本高，因为有开采价值的稳定地下热源很难寻找。地热发电厂的地理局限性也很大，既要有浅层地下热源，也需要水资源充沛，岩层之间还要有贯通的孔隙让水流通过，从而实现换热。即便找到了这样的热源，钻井费用也是高得惊人。

迄今为止，人类对地热这座能源宝库的开发利用远不及太阳能或风能等新能源。人类利用地热发电已经有一个多世纪的历史，可目前地热电发电还不到全球发电总量的1%。如果要普及地热发电厂，不但要提高地热发电厂的发电量，还要想办法让地热发电厂走出传统地热区。

目前人类对地热的挖掘很“肤浅”。地球平均半径6350千米，与之相比，地壳非常薄——平均厚度仅为17千米。即便如此，目前最深的IDDP地热井深度也只有5千米。如果把地球看成是一个鸡蛋，把地壳看作鸡蛋壳，那么人类目前最深的地热井也只不过钻透了“鸡蛋壳”1/3的厚度。

1904年，意大利的托斯卡纳省出现了第一座微型地热发电厂。不过它的发电能力弱得不能再弱——产出的电能只够点亮5个100瓦特的电灯。然而，就是这微弱的电流开启了意大利地热能源的奇迹。

同样在托斯卡纳，千百年前就因为弥漫的硫黄和随处可见的温泉享誉四方，素有“地狱谷”之称的拉德瑞罗现在是意大利重要的地热田。位于这里的地热发电厂总装机容量达800兆瓦，为周边1万户居民用户和商业用户输送用电。但传统地热发电厂只能从地表天然形成的断层中提取热水用于发电，实际上只利用了极少量的地热能，大量更深层的地热资源无法被利用。

科学家迫切希望解答两个问题：如何从地下获取更多热量？如何从地质条件不理想的地区获取地热？1970年，美国科学家莫顿和史密斯提出了利用地下干热岩体发电的设想。所谓干热岩，就是地下深处普遍存在的没有液态水或水蒸气的致密、不渗透的热岩。

1972年，他们在美国新墨西哥北部打了两口约4000米的深斜井，并从一口井中注入冷水，再从另一口井中抽取高温蒸汽。结果让人兴奋，蒸汽功率达2300千瓦。后人在此基础上，利用高压冷水压裂干热岩，形成破碎带（人工热储），让干热岩尽可能增加暴露表面积，提高冷水的渗透率。

这种新技术被称为增强型地热系统（简称EGS）。它的原理是利用水等介质，从地表下3～10千米的干热岩中获取热量发电，十分类似于往烫石头上浇水获取蒸汽的芬兰桑拿浴。干热岩资源遍布全球，是一种无处不在的资源。

不过，干热岩发电面临着不少技术难点，也是阻碍这项技术发展的巨大障碍。难点之一是制造理想的破碎带。由于地下深层具有极高的温度和压力，很多情况下刚刚压裂形成的破碎带，立刻又闭合了，这样水就无法渗透。如果干热岩破碎得“过头”了，造成孔隙太大，渗透太快，冷水还没来得及和高温岩石充分接触就流走了。有些情况下，注入的冷水会莫名其妙地消失在地下裂缝中，一去不复返。

作者：段景颐       来源：《大自然探索》2019年第02期