“下一代地热”能的进展和挑战

地热能是一种清洁、持续的能源在许多地区均可获取但其发展一直较为缓慢。近2000年前罗马人就已广泛利用地热能——即来自地球内部的热量——包括在现今英国巴斯地区的温泉综合体中。电力首次从地热源产生是在20世纪初的意大利。在美国加利福尼亚州的盖瑟斯地热田于1960年开始大规模发电如今常规发电量超过725兆瓦的基本负荷电力。根据国际能源署IEA的数据地热能目前仍占全球能源需求不到1%尽管肯尼亚超过40%的电力来自地热和冰岛近30%的电力和90%的供暖来自地热等国家已实现广泛应用。近年来技术进步、私人资本涌入以及能源与环境政策的转变推动了人们对扩大地热开发的 兴趣。如果项目成本持续下降国际能源署预测地热能可满足2024年至2050年间全球电力需求增长的15%。包括美国、印度尼西亚、新西兰和土耳其在内的许多国家正将地热能扩张作为其更广泛能源战略的重要组成部分。要实现地热源的大规模发电取决于所谓“下一代地热”的显著扩展。这指的是从温度介于100°C至超过400°C的源岩中提取热量通常位于地表以下数公里深处。前麻省理工学院教授杰夫·泰斯特领导的具有里程碑意义的2006年报告《地热能的未来》在二十年前对国家地热战略发挥了重要作用。2008年等离子体科学聚变中心PSFC的研究人员在麻省理工学院能源倡议MITEI首批种子创新的支持下发明了毫米波钻井技术。该技术对于超高温和深层岩石中的地热装置尤其有用目前正由麻省理工学院衍生公司Quaise Energy进行商业化。麻省理工学院能源倡议MITEI正通过其“未来能源系统中心”资助下一代地热项目。地表以下几十米深处的温度通常全年保持稳定。在某些地点这些温度冬季高于地表、夏季低于地表使得利用地热热泵全年调节建筑物温度成为可能。俯瞰查尔斯河的波士顿大学19层计算与数据科学中心估计90%的供暖和制冷需求正是通过此类地热系统满足的。在大型机构或整个城镇的尺度上热力网络、区域供热及其他方法可高效地从浅层地热源供应热量且不产生温室气体排放。开采更热、通常更深的地热源可在单一站点持续数十年产生大量电力。“下一代地热”是用于描述这些采用增强型、先进型和超高温技术开发的更高温系统的术语。增强型地热指在深度大、干燥、原生渗透率相对较低的岩石中通过人工裂缝系统循环流体。先进型地热采用闭环方式即将工作流体通过在地下嵌入的管道循环而被加热。尚处于起步阶段的超高温地热很可能将使用增强型地热技术使超临界水在接近400°C的岩石中循环。下一代地热只要钻得足够深大陆下方几乎普遍存在更高温度的资源但早期开发必须集中于最有前景的场地在这些地方可以测试和完善常规抵达这些更热岩石的方法与技术。像冰岛和美国西南部内华达州这样的地区由于板块分离或地球外层变薄其地表附近温度高于美国东北部等地——后者地壳古老、厚重且较冷。然而即使在美国西南部要通过地热系统达到发电所需的高温仍需常规钻探至结晶岩中四公里以上的深度。这比在世界大多数石油和天然气储量所在的沉积盆地中钻井要困难得多。一个地点若要适合建设下一代地热设施不仅需要热量还需要流体通常是水来携带热量。用于提取热量而在岩层中循环的水可以是天然存在的也可以从别处引入并注入储层。此类系统还需要连通的渗透性例如定向设计的人工裂缝网络以防止显著的流体损失并将流体导向提取井。闭环先进型系统则用具有优良热特性并被限制在管道内的工作流体替代自由循环的水。各种地球物理方法被用于寻找地表几公里内具备足够热量的场地这是将其发展为下一代地热设施的前提条件。除了直接测量测试钻孔中的温度外电阻率和大地电磁勘测是最有用的推断地下温度的方法之一。这两种技术均可推断地下电导率结构从而识别相对更温暖、更具渗透性的岩石。钻井往往是准备地热厂址最耗时、最昂贵的部分。对于下一代地热而言尤其如此因为其目标可能很深或者系统设计可能需要大规模水平钻井。过去几年中众多创新提高了钻井速率、可达到的深度和温度并降低了成本。尽管如此即使拥有高质量的地球物理勘测“你可能花费1000万美元打一口勘探井却找不到热量”麻省理工学院Proto Ventures的地热渠道创业构建师安德鲁·英格利斯说。超高温地热作为一种快速发展的下一代地热方法带来了特殊挑战。金属钻井工具、地层中的岩石以及循环流体在数百摄氏度的高温下表现截然不同标准做法、材料和传感器必须经过重大改造才能耐受严苛条件。一旦钻孔中温度超过约374°C即使深度仅约1公里水便进入超临界状态。这为从地层中提取热量带来了显著优势但也引发了快速金属腐蚀以及盐类和二氧化硅沉淀的风险这些物质可能迅速堵塞钻孔。研究人员正在 investigate 用超临界二氧化碳替代水作为超高温地热的工作流体。推动下一代地热的麻省理工学院创新由等离子体科学聚变中心PSFC发明、并由Quaise Energy商业化的毫米波钻井技术是目前为止从麻省理工学院涌现的最受关注的下一代地热创新。毫米波技术利用微波能量汽化岩石其速度可能比传统钻井快数倍。PSFC与一个跨学科的麻省理工学院团队正在筹建专用实验室以研究毫米波钻井在真实压力和温度条件下与结晶岩的相互作用并测试现有技术的改进方案。PSFC临时主任兼首席研究科学家史蒂夫·武基奇指出“我们正在麻省理工学院建设的设施将允许我们测试比目前可能大500倍的样本。这对于研究有望解锁超高温地热能的技术而言是重要的一步。”麻省理工学院Proto Ventures专注于基于麻省理工学院发明技术创建初创企业目前设有由英格利斯领导的专门地热能源渠道。自2024年底加入麻省理工学院以来英格利斯已识别出来自机械工程、材料工程、地球科学和化学等不同学科的、可推进下一代地热的发明与研究。源自麻省理工学院研究人员的技术实例包括测量高温岩石微裂纹的传感器、能以钛合金一小部分成本承受超高温流体的先进金属合金以及保护管道免受热深系统中常见腐蚀性地质流体侵害的防污涂层。