本文最初刊载于 Knowable Magazine。
在内华达州沙漠干旱的广袤土地上，一座不寻常的发电厂闪耀着光芒，它利用的能源不是来自太阳或风，而是来自地球本身。
这个名为“红色计划”（Project Red）的场地，将水泵入地下数千英尺，那里岩石的温度足以烤熟火鸡。该建筑昼夜不停地将加热后的水抽上来；然后用这些水为发电机供电。自去年11月以来，这种来自地球的零碳能源已输送到内华达州的一个本地电网。
地热能，尽管它在不断地从地球炽热的核心辐射出来，但长期以来一直是一种相对小众的电力来源，主要局限于冰岛等地热泉从地面冒出的火山地区。但地热能源爱好者们一直梦想着在没有这些特殊地质条件的地区（如由能源初创公司Fervo Energy开发的红色计划内华达州场地）获取地球的能量。
这类下一代地热系统已经研究了几十年，但事实证明它们成本高昂且技术难度大，有时甚至会引发地震。一些专家希望，像红色计划这样的新努力，通过借鉴在石油和天然气开采中磨练出的技术来提高可靠性和成本效益，或许终于能标志着一个转折点。
这些进展带来了希望，相信只要有足够的时间和资金，地热能——目前占全球电力供应不到1%，在美国占电力供应的0.4%——就有可能成为主流能源。有人认为，地热能可能是能源系统摆脱化石燃料过渡的关键工具，因为它能够为太阳能和风能等间歇性能源提供持续的备用电力。“对我来说，它长期以来都是最有前景的能源，”斯坦福大学的能源工程师Roland Horne说。“但现在我们正朝着零碳电网迈进，地热能变得非常重要。”
艰难的开端
地热能的最佳发挥需要两样东西：热量，以及足够渗透以输送水的岩石。在熔岩接近地表的地方，水会渗入多孔的火山岩，变热并作为热水、蒸汽或两者一起向上冒泡。
如果水或蒸汽足够热——理想情况下至少在华氏300度左右——就可以从地下提取并用于为发电机供电。在肯尼亚，近50%的电力来自地热能。冰岛25%的电力来自该能源，新西兰约18%，加利福尼亚州6%。
地质学家、油田服务公司SLB旗下的地热能源咨询部门GeothermEx总裁Ann Robertson-Tait表示，美国西部等地仍有一些未开发的天然地热资源。但总的来说，我们正在耗尽高质量的天然地热资源，这促使专家们考虑如何从那些能量更难获取的地区提取地热能。“地球上蕴藏着巨大的热量，”Robertson-Tait说。但她补充道，“其中大部分被锁在不渗透的岩石中。”
要利用这些热量，需要深层钻探并在这些非火山、致密的岩石中制造裂缝，以允许水流过它们。自1970年以来，工程师一直在开发“增强型地热系统”（EGS），这正是这样做的，应用了类似于用于从深层岩石中提取石油和天然气的液压裂解（或水力压裂）方法。水以高压注入深达数英里的井中，以炸开岩石中的裂缝。破裂的岩石和水形成一个地下散热器，水在那里加热，然后通过第二口井上升到地表。美国、欧洲、澳大利亚和日本已经建造了几十个这样的EGS装置——其中大部分是实验性的、由政府资助的——但成效参半。
众所周知，韩国的一个EGS工厂在2017年因“很可能引发了一场5.5级地震”而突然关闭；任何形式的水力压裂都会给附近的构造断层增加压力。其他问题是技术上的——一些工厂产生的裂缝不足以进行良好的热交换，或者裂缝朝错误的方向发展，未能连接两口井。
然而，一些努力已经变成了可行的发电厂，包括1987年至2012年在莱茵河谷建造的几个德国和法国的系统。在那里，工程师利用了岩石中已有的裂缝。
但总体而言，卡尔斯鲁厄德国应用科学大学能源研究所（Fraunhofer IEG）的地球物理学家Dimitra Teza表示，人们对将EGS发展成更可靠、更有利可图的技术缺乏足够的兴趣。她曾参与开发莱茵河谷的一些EGS系统。“这对这个行业来说非常艰难。”
新的势头
对于安全和技术问题都存在解决方案。事实上，有强有力的协议来避免地震，例如避免在活动断层附近钻井。法国和德国运行的EGS工厂的长期监测只记录到微小的震动，这增强了对该技术安全性的信心。重要的是，由于2010年代开始的页岩气开采热潮，钻井和水力压裂技术取得了突飞猛进的进步。“从那时起，我们看到EGS作为一种理念重新受到关注，因为EGS的核心技术在那段时间得到了完善，并且成本大幅下降，”普林斯顿大学的能源系统研究员Wilson Ricks说。
例如，2015年，美国能源部在犹他州启动了一个专门用于推进EGS技术的研究基地。包括Sage Geosystems和E2E Energy Solutions在内的几家北美新创公司，分别在德克萨斯州和加拿大开发新的EGS系统。其中最先进的是Fervo Energy，该公司在其内华达州场地应用了页岩行业的几项技术；现在产生的电力供应给了一个本地电网，其中包括谷歌拥有的耗能数据存储中心。（谷歌与Fervo合作开发了该工厂。）
工程师们向下钻探了近8000英尺的内华达岩石，达到了近380华氏度的高温，然后在底部又钻了3250英尺的水平井，以扩大系统接触的热岩区域——这是石油和天然气开采中用于最大化产量的技术。该公司还在水平井沿线的几个地点压裂了周围的岩石，以创造一个更广泛的裂缝网络，供水渗透。“从技术上讲，与早期的EGS项目相比，‘它们确实是向前迈出了一大步’，”Fervo的科学顾问委员会成员Horne说。
这些新的EGS系统在长期内的表现如何，还有待观察。根据Ricks（普林斯顿大学的同事）和Fervo Energy的几位专家的最新研究，像Fervo这样的系统的优势在于，它们可以通过利用能源价格波动来提高盈利能力。运营商可以关闭出口井，使水在系统内部积累，从而增加压力和热量。然后，可以在能源价值最高的时候提取能源——例如在多云或无风的日子，太阳能或风能无法工作时。
不过，Ricks说，要实现商业可行性，这类系统还需要大幅扩大规模。尽管红色计划提供的蒸汽量比其他任何EGS工厂都多3.5兆瓦，但它仍然相对较小；核电站或燃煤电厂的输出功率很容易达到1000兆瓦，而大型太阳能发电厂或传统地热发电厂的产量通常有几百兆瓦。
Ricks说，EGS领域目前需要的是资金来建造和测试更多此类系统，以激发投资者的信心。“这一切都需要得到很好的证明，直到风险被认为很低为止，”他说。
地热能的转折点？
为此，美国能源部最近拨款6000万美元，用于三个EGS及相关技术的示范项目，作为加速EGS发展的更广泛计划的一部分。该机构2019年的一份报告估计，随着EGS的进步，到2050年，地热能在美国的装机容量可能达到约60吉瓦（60000兆瓦），发电量占美国总发电量的8.5%——比现在高出20多倍。
即使增加几个百分点，也能帮助实现到2050年实现净零碳排放的全球能源转型。“如果十五、二十年后EGS变得可行，我认为它能发挥巨大作用，”Nils Angliviel de La Beaumelle说，他最近在《年度环境与资源评论》上合著了一篇关于全球可再生能源前景的文章。
其他地热技术也可能有所帮助。一些公司正在探索“超高温岩石”地热的可行性——这本质上是EGS的一种年轻、极端的变体，涉及向下钻探到更深的地球地壳，到达水的“超临界”蒸汽状状态，使其能够比蒸汽或液体携带更多能量。在德国南部，能源公司Eavor正在建设世界上第一个“闭环”地热系统：一旦管道将水输送到深层岩石，系统就会扩展成一个平行钻孔网络，水永远不会穿透岩石。Teza说，这是一种更可预测——尽管效率较低——的加热水的方式，因为它不涉及岩石破裂方式的不确定性。“我非常高兴地看到这些技术得到了投资，”她说。“我认为这只会带来帮助。”
总而言之，这对地热能来说是一个重要的时刻——不仅是提供零碳电力，Robertson-Tait说。从地下提取的地热卤水富含锂和其他关键矿物质，可用于制造太阳能电池板和电动汽车电池等绿色技术。人们越来越希望利用直接地热热量来供暖建筑，无论是通过用于住宅建筑的浅层热泵，还是为整个区域设计的更大系统——就像巴黎和慕尼黑已经拥有的那样。
Robertson-Tait说，一些石油和天然气公司认识到变化的到来，对建造各种类型的地热系统越来越感兴趣。“我们的地球是地热的，”她说，“所以我想我们应该尽一切努力去利用它。”
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
编者按：本文于2024年4月22日更新，以纠正将红色计划错误地描述为发电厂的说法。实际上，红色计划只包括EGS基础设施。电力本身由一家另一家公司拥有的发电厂产生。此外，还更新了一个图注，以纠正意大利Larderello的地名拼写。
