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地下20000米处,藏有可供人类用23亿年的无尽能源?美国正在布局

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据《每日邮报》报道,美国一家初创科技公司Quaise Energy正在开发一种波钻技术。这种技术可以让钻头深入地表2万米以下,获得源源不断的地热能。

一旦开发成功,这些能源能够让人类使用23亿年。这个说法听起来很诱人,好像人类终于找到了摆脱化石能源的终极方案。不过,地下20000米是什么环境,23亿年是怎么算出来的,美国实际进展到了哪一步,这几个问题需要分开来看。这种设想是否真的能实现,地球会不会因此被挖穿,可以从以往的深钻经历说起。

人类对世界的探索从未停止。早在上世纪70年代,人们就产生了挖穿地球的想法,比如苏联的科拉超深钻孔计划。但直到1994年计划终止,这口井的钻探深度也只达到12262米。其实科拉计划实施的前期十分顺利,仅用10年时间,钻探深度就达到了12000米。



但在之后的10年里,钻探深度只增加了262米。可见越往后,钻探难度就越高。科拉超深钻孔当年只是科学探测,并不是用来开发地热的。

打到后期,高温和设备损耗越来越严重,项目最终停止。地壳的平均厚度约为17公里,大陆部分的地壳厚度在33千米左右,而科拉超深钻孔至今也仍然停留在地壳之中。

并且随着深度增加,温度也会随之升高,每加深1000米,温度就升高30摄氏度。所以以目前的技术手段来说,挖穿地球是不可能的。

地下20000米也就是20公里,而地球半径约6371公里,所以这个深度只是地壳深部,离地幔还很远,更谈不上地核。这一深度的岩石在很多区域没有地下水,温度很高,行业里把它叫作干热岩。但此前,美国一家公司重新拾起这一计划,开始向地下钻探。这么做的主要目的是获取地热能。



地热能是一种从地壳中抽取的天然热能,以热力的形式存在。它可以通过地下水的流动和熔岩涌至离地面1到5公里的地壳中,再被送到离地面较近的地方。

人们比较熟悉的温泉,利用的就是地热能。早在1904年,意大利王子皮耶罗·吉诺里·康蒂就尝试将地热蒸汽用于发电。通过液压或爆破碎裂法,把水注入岩层,产生高温蒸汽,然后将蒸汽抽出地面,推动涡轮机转动,使发电机发电。没有用到的水蒸气和废气还可以送回地下循环利用。

到了1990年,该地区安装的发电机发电量达到6000兆瓦,直接利用地热资源的总量相当于4.1吨油的发电量。如果人类能够把这些能量开发出来,就可以彻底解决能源危机问题。所以各国科学家都在积极研究地球内部的资源。地球内部的热量,一部分是地球形成之初留下的原始余热,更大一部分来自铀、钍、钾等放射性元素持续衰变释放的热量。



科研人员估算出地球内部热能总量,再除以人类每年消耗的能源总量,就得出了“可供人类使用23亿年”的说法。不过,这只是理论总储量,并不等于能够打井开采出来的能源。

岩石导热能力很差,热量锁在致密坚硬的岩石里,不会自己跑上来,必须人工造储层、打井、注入循环介质才能取出来。真正有意义的指标,是经济上可开采的干热岩资源量。

国内评估显示,大陆地区3到10公里深度的干热岩资源量折合标准煤是天文数字,但在现有技术条件下,只有很小一部分有开采价值。深度超过10公里后,钻井成本和工程难度会呈指数级上涨。

这家美国公司正在开发的波钻技术,声称能钻入地下20千米。这项技术最关键的是钻头,它和以往的普通钻头大不相同。



以前的钻头主要靠破碎岩石,再把碎石吸出来,以此获得深度。随着深度增加,温度也在升高,所以不管钻头材质有多硬,最终都会很快磨损,需要更换。

而这家美国公司使用的是一种不与岩石直接接触的微波钻头。它通过回旋加速器发射高功率毫米波,把岩石熔化、蒸发后再继续前进。不与岩石直接接触可以更好地散热,也提高了钻头的耐用性。钻到目标深度之后,干热岩还要靠增强型地热系统(EGS)取热。

具体做法是:打注入井到高温岩层,用水力压裂造出裂缝,再注入冷水吸收热量,然后从生产井抽回高温流体发电,冷却后的水回灌地下循环使用。它不受昼夜和季节影响,可以常年稳定发电。

难题同样不少。压裂裂缝的走向很难精准控制,一旦失控还可能诱发轻微地震,美国早年部分EGS试验项目就因此遭到居民反对而暂停。



此外,高温会缩短井下设备寿命,持续取热会让岩层降温,一口超深井的投入也动辄上亿元。近几年,美国重新加大了EGS投入。

美国能源部推出专项计划向企业和科研机构拨款,用来验证低成本钻井、精准压裂等技术。风电和光伏规模扩大后,电网需要稳定的基荷电源,地热正好能满足这一需求。

不过,美国的大部分项目还是兆瓦级的小型示范项目,尚未实现商业化。国内也在青海共和等地开展了干热岩示范工程,试验井深度在四五公里级别,井下温度超过200摄氏度,已经实现试验性取热。

国内的路线是先浅后深,先把压裂、回灌、换热等工艺跑通,再逐步向更深的地层探索。正因为如此,很多科学家对此持乐观态度。



但未知的事情总会存在隐患,从未做过的科研项目同样会让人畏惧。所以面对这种新型技术,仍需保持理智,在不伤害地球的前提下获取能源。

在可预见的几十年里,地下20000米基本不会成为商业化开采的目标。总量巨大不等于能够利用,深部地热短期内很难成为主力能源。

不过,一旦技术取得突破、成本降下来,它有望和光伏、风电配合,成为全天候稳定出力的清洁能源。

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