深层地热能即将迎来大突破

地热发电是可再生能源中永远的失败者，几十年来一直在幕后嘎嘎作响，从未完全打破它的小众地位，总是让能源专家说，“哦，是的，地热……。这是怎么回事？“。

嗯，在报道了大约15年的能源之后，我终于抽出时间深入研究了地热，我在这里报告：这是一个开始关注的绝佳时机！

在多年的失败之后，新的公司和技术已经使地热走出了低迷，以至于它可能最终准备扩大规模，成为清洁能源领域的主要参与者。事实上，如果更热情的支持者是正确的，地热可能是让世界上每个人都能获得100%清洁电力的关键。作为额外的好处，对于苦苦挣扎的石油和天然气行业来说，这是一个机会，可以把他们的资本和技能投入到不会破坏地球的事情上。

油田服务巨头哈里伯顿(Halliburton)的前首席技术官维克·拉奥(Vik Rao)最近告诉地热博客“热拍”，“地热不再是一个利基市场。它是可扩展的，可能是以一种高度物质化的方式。可伸缩性得到了(石油服务)行业的关注。“。

在这篇文章中，我将介绍从地球深处开采热量的技术，然后这些热量可以作为社区的直接热量，用于发电，或者通过“热电联产”实现两者兼而有之。(请注意，地源热泵利用稳定的浅层地温为建筑物或建筑群供暖，有时也包括在地热技术中，但我将把它们放在另一篇文章中。)。

不过，在我们讨论这些技术之前，让我们先来快速了解一下地热能本身。

有趣的事实：地球熔融的核心在4000英里以下，大约和太阳表面一样热，超过6000摄氏度，或10800华氏度。这就是为什么地热能行业喜欢称它为“我们脚下的太阳”的原因。自然产生的放射性元素以大约30太瓦的速度衰变，不断补充热量，几乎是人类能源消耗的两倍。这一过程预计将持续数十亿年。

ARPA-E项目AltaRock Energy估计“只有地球热含量的0.1%就能满足人类200万年的总能源需求。”地壳中只有几英里深的地方有足够的能量，可以为未来几代人的所有人类文明提供动力。我们要做的就是利用它。

要做到这一点，最简单的方法是在温泉、间歇泉和烟囱(火山活动附近的蒸汽口)中，直接利用突破地表的热量。温水可以用来洗澡或洗涤，暖气可以用来做饭。这种使用地热能的方式从最早的人类开始就存在了，至少可以追溯到旧石器时代中期。

稍微复杂一点的是利用接近地表的天然地热库来为建筑物供暖。在19世纪90年代，爱达荷州的博伊西市利用其中一个创建了美国第一个区域供暖系统，一个中央热源向多个商业和住宅建筑供热。(博伊西市中心仍在使用它。)。

之后是更深的挖掘，并利用热能发电。美国第一家商业地热发电厂于1960年在加利福尼亚州的间歇泉开业；今天，美国有60多家地热发电厂在运营。

这些天来，获取深层地热的技术正以令人眼花缭乱的速度发展。让我们来看看它的基本形式，从建立到实验。

地热能一旦到达地表，就会被用于各种各样的目的，主要是因为有很多不同的方式来利用热量。根据资源的热度，它可以被许多行业开采。几乎任何级别的热量都可以直接用来经营渔业或温室，烘干水泥，或者(真正热的东西)制造氢气。

为了发电，需要更高的最低热量。老一代的地热发电厂直接使用来自地面的蒸汽，或将地下的流体“闪蒸”成蒸汽，来驱动涡轮机。(与第一代地热项目相关的水和空气污染都来自闪光发电厂，这些工厂将地下的水煮沸，最终将其中的一切排放出去，包括一些令人讨厌的污染物。)。

闪蒸发电站需要至少200°C的热量。较新的“二元”发电站让地下的流体经过热交换器，然后利用热能闪蒸蒸汽(这意味着地下水不会直接煮沸，也不会造成空气或水的污染)。二元工厂可以从100°C左右的温度产生电力。

把热量送到表面才是诀窍。为此，将地热能技术分为四大类是有用的。

在一些选定的地区(比如冰岛或加利福尼亚州的部分地区)，地核加热的水或蒸汽通过充满裂缝和裂缝的相对渗透性岩石上升，结果却被困在不透水的盖层之下。这些巨大的加压热水蓄水池常常通过喷气孔或温泉露出水面。

一旦确定了油藏的位置，就会钻探井，直到可以找到合适的位置来放置生产井。通过该井上升的热水可能从略高于环境温度到370°C不等，具体取决于场地(要进入比这更热的温度需要更深的温度；稍后会详细介绍)。一旦从其中提取热量，流体就会被冷却，并通过注水井返回油田，以保持压力。

几乎所有的常规地热项目，大多数现在正在运行的项目，都利用高质量的热液资源。

热液储集层的一个问题是，它们的可见表现-温泉和烟囱-仍然是识别它们的唯一可靠方法；新油田的勘探和描述既昂贵又不确定。(这是技术发展迅猛的一个领域。)。

另一个问题是，它们在地理上极其集中。在美国，地热电主要位于加利福尼亚州、内华达州、夏威夷和阿拉斯加，那里的构造板块在地表下打磨。

在热液资源容易获得的地方，地热能的优势是众所周知的。全球地热发电车队的平均装机容量系数-相对于最大装机容量所花费的时间-为74.5%，而较新的发电厂往往超过90%。地热可以提供永远在线、基本负荷的电力；它是唯一可以做到这一点的可再生资源。

截至2019年底，分布在29个国家的全球地热装机容量达到154千兆瓦，其中美国处于领先地位。

最后一个问题是，大多数大的、勘探得很好、特征很好的油田都已经被开发出来了，至少用传统技术是这样。依赖优质热液资源的地热仍然是一种利基解决方案，难以标准化和规模化。这就是为什么它这么长时间都落后于其他可再生资源的原因。

传统的地热系统仅限于热量、水和孔隙度恰好汇聚在一起的专业领域。但这些领域是有限的。

不过，在那些普通的、坚固的、无孔的岩石中储存了大量的热量。如果地热开发商可以建造他们自己的水库呢？如果他们能钻进坚硬的岩石，通过一口井高压注水，压碎岩石让水通过，然后通过另一口井收集热水，会怎么样？

需要明确的是，常规热液资源和需要EGS的资源之间的界限并不清晰。在湿/多孔和干/固体之间有许多等级和变化。

EGS公司费沃能源(Fervo Energy)的创始人兼首席执行官蒂姆·拉蒂默(Tim Latimer)说：“你真正得到的是供应曲线，其中变量是温度、深度、油井渗透率和储层渗透率。”“介于两个极端之间的一切都存在。”

简单地说，随着资源变得更深，岩石变得更热和更少孔隙率，获取它的工程难度增加了。

基本的想法一直是，EGS将从现有的热液储层开始，那里的油田特征相对较好。然后，随着它了解到，磨练了它的技术，降低了成本，它将从“现场”扩展到“近场”资源-靠近储层的坚硬岩石，在类似的深度。最终，它将能够冒险进入更远的新领域，更深地进入更热的岩石。从理论上讲，EGS最终可能位于世界上几乎任何地方。

这是十年来的游戏计划，现在仍然是游戏计划，正如能源部权威的2019年地热GeoVision研究中所阐述的那样。然而，EGS行业在把所有的鸭子都放在一起方面遇到了麻烦。在奥巴马的刺激资金和二元发电厂的基础上，2010年左右出现了一波活动。但到2015年左右，当页岩气革命中的钻探技术开始进入地热领域时，资本已经枯竭，人们的注意力已经转移。

拉蒂默说，直到2020年，一切才终于齐头并进：公众和投资者的浓厚兴趣，真正的市场需求(得益于雄心勃勃的州可再生能源目标)，以及从石油和天然气行业借用的大量新技术。像Fervo这样的EGS初创公司发展迅速，规模越来越大，老牌公司今天都在运营有利可图的EGS项目。

工程上的挑战仍然令人望而生畏，特别是在目标变得更深、更干的情况下。也有公关方面的挑战。在石油和天然气行业中，向地下注入流体以压裂岩石被称为“水力压裂”，而且……。它有点名气。事实上，它在整个美国的州和国家都是被禁止的。

该行业热衷于与天然气水力压裂保持距离。使用的液体是无害的，所以几乎不会有水污染的危险。对诱发地震活动的担忧有些过头了；在石油和天然气钻探中，与地震活动相关的是大量的水处理井，而EGS没有这些。与石油和天然气水力压裂相比，裂缝更小，更受控制，压力也要小得多。只要钻探者避开断层线，而他们在这方面做得越来越好，风险就不大，特别是相对于收益而言。(具有讽刺意味的是，与相对危险得多的石油和天然气项目相比，地热项目必须满足更多的地震安全条件。)。

当然，与天然气水力压裂不同的是，在生产线的尽头没有化石燃料的燃烧。EGS正受益于水力压裂技术的进步，但它并没有做环保主义者讨厌的事情。不过，至少可以说，向公众和政策制定者解释这一点仍然是一个棘手的挑战。

尽管如此，如果工程和营销挑战能够克服，奖励几乎是难以想象的巨大。假设平均井深为4.3英里，最低岩石温度为150°C，GeoVision的研究估计，美国的地热资源总量至少为5157千兆瓦，约为美国目前装机容量的5倍。

或者，使用EGS直接供热可以为美国提供1500万太瓦时的热能(TWhth)。“相比之下，美国每年住宅和商业空间供暖的总能耗为1754Twhth，”能源部写道，“理论上，这种基于EGS的资源足以为美国每座家庭和商业建筑供暖至少8500年。”

在EGS遥远的地平线上是“超热岩石”地热，它试图挖掘极深、极热的岩石。

在极高的热量下，地热的性能不仅仅是上升，而是一次飞跃。当水超过373摄氏度和220巴的压力时，它就变成了“超临界”，这是一种既不是液体也不是气体的新相。超临界水的科学很时髦(就像...。低密度水？)。我不打算解释它，但它经常被工业使用，包括一些先进的燃煤电厂，所以它的性质已经被很好地理解了。

就我们的目的而言，关于超临界水有两件重要的事情。首先，它的焓比水或蒸汽高得多，这意味着它每单位质量所含的能量是水或蒸汽的4到10倍。其次，它是如此炎热，几乎使其转化为电力的卡诺效率翻了一番。

咨询公司LucidCatalyst的清洁能源分析师埃里克·英格索尔(Eric Ingersoll)说：“你不仅可以从油井中获得更多能源，还可以从这些能源中获得更多电力。”

这意味着单个地热项目在400摄氏度时的装机容量约为50兆瓦，而EGS项目在200摄氏度时的装机容量约为5兆瓦-是温度的两倍，功率的10倍。

在400°C的项目中，您可以从3口井中获得比在200°C下的42口EGS井更多的电力，使用的流体更少，占用的物理空间也更少。

到目前为止的经验表明，地热越热，其电价就越有竞争力，以至于超热EGS可能是可用的最便宜的基本负荷能源。

工程上的挑战是艰巨的。(石油和天然气工程师是目前的钻探大师，他们不是为高温而设计的；他们不需要这样做。)。需要开发新的套管和水泥；需要更好地了解高热条件下的水化学；需要完善耐腐蚀和高热的材料；需要继续改进钻井技术。甚至还有新的“非接触钻探”方法正在开发中，包括AltaRock的，它使用该死的激光(从技术上讲，是“毫米波”)。

目前没有一口井利用超临界水发电，但过去的几口井(例如夏威夷和加利福尼亚州的索尔顿海)。都遇到了超临界水，在日本、意大利、墨西哥和其他几个县还有勘探项目要了解更多。(以下是最近对超热岩石史和研究的回顾。)。

让这项技术发展得更快并不需要太多帮助。英格索尔说：“有机会花相对较少的钱来刺激这个行业。”美国目前缺乏强大的清洁能源创新体系，但ARPA-E(AltaRock)有一个超级热岩研究计划，这是一个名为Hotrock Energy Research Organization(HERO)的分支组织，以及几个推动事情向前发展的示范项目。还需要更多。奖励-廉价的基本负载电力，几乎在任何地方都能买到-太大了，不能错过。

最近出现了第四类技术，它提出了类似的承诺，即有朝一日地热发电可能会在任何地方都能获得。

AGS指的是新一代“闭环”系统，在这种系统中，不会将流体引入地球，也不会从地球中提取流体；也不会进行水力压裂。取而代之的是，流体在密封的管道和钻孔中在地下循环，通过传导获得热量，并将其带到地表，在那里可以用来实现可调的热电混合。

闭环地热系统已经存在了几十年，但最近有几家初创公司用石油和天然气行业的技术来增强它们。其中一家由有石油和天然气经验的投资者创办的公司是总部位于艾伯塔省的Eavor。

在Eavor计划的“Eavor-Loop”系统中，两口相距1.5英里左右的垂直井将由一系列水平排列的侧井连接起来，采用一种散热器的设计，以最大限度地扩大表面积，并尽可能多地吸收热量。(精确的横向钻探借鉴于页岩革命和油砂。)。

因为环路是封闭的，一边的冷水下沉，而另一边的热水上升，产生一种“热虹吸”效应，使水自然循环，不需要水泵。没有泵的寄生负载，Eavor可以利用相对较低的热量，大约150°C，几乎在1.5英里以下的任何地方都可以获得。

到目前为止，在艾伯塔省有一个“Eavor-Lite”示范项目，旨在证明基本的概念和技术。结果表明，该方法可以精确定位分支井，发挥热虹吸效应，并能可靠地提前预测装置的成本和产量。该公司有三到四家商业工厂正在不同的规划阶段；下一步可能是计划于2021年在德国格列茨里德破土动工的工厂。(它将利用德国的上网电价。)。在法国和荷兰，Eavor将提供供暖；在日本，Eavor将提供电力；在德国，Eavor将提供混合供暖。

当我与Eavor总裁约翰·雷德费恩(John Redfern)和业务发展主管保罗·凯恩斯(Paul Casns)交谈时，他们告诉我他们最近在设计上的一项改变，将减少物理足迹，并实现更精确的钻探。这两个垂直井不是相距很远，而是紧挨着。支井从它们分叉出来，保持平行，直到它们在末端相遇。如下所示：

由于井之间距离如此之近，它们可以使用“磁性测距”(一口井中有发射器，另一口井中有接收器)来保持彼此之间的固定距离。最后的会面比中间的会面容易。

至于土地利用，在最初的钻探之后，从技术上讲，唯一需要在地面上使用的是空气冷却器，它可以在水下降之前将其冷却。电线，甚至发电机本身，都可能在地下。如果有水冷却器而不是空气冷却器，那也可能是在地下。“理论上，”凯恩斯说，“你可以没有表面足迹。”

由于Eavor需要工作的全部是热岩，而热岩几乎位于世界上任何地点的下方，因此它不需要昂贵的勘探和建模。“我们不是更聪明，”雷德费恩说，“我们只是有更简单的理论问题。”

Eavor-Loop可以充当基本负载(始终开启)电源，但它也可以充当灵活的、可调度的电源-它几乎可以瞬间上升和下降，以补充可变的风能和太阳能。它通过限制或切断流体的流动来做到这一点。随着流体被困在地下的时间越长，它就会吸收越来越多的热量。

因此，与太阳能不同的是，降低植物的产量不会浪费(减少)能源。这种液体只是简单地充电，就像电池一样，所以当它重新打开时，它会产生高于铭牌容量的产品。这使得工厂可以“塑造”其产量，使其几乎与任何需求曲线相匹配。

德克萨斯大学奥斯汀分校(University Of Texas Austin)地热创业组织负责人杰米·比尔德(Jamie Beard)看好AGS(她担心EGS面临的公关问题)，但她警告称，Eavor-与其他前景看好的地热初创公司Fervo Energy、GreenFire Energy和Sage Geossystems一样-还没有解决所有问题，尽管它自信满满。“我想让他们把它装进袋子里，”她说，“但他们还没有装进袋子里。”

在150°C左右的高温下定向钻井仍然很困难，因为设备容易熔化(同样，石油和天然气工程师在设计他们的技术时也没有考虑到高热)。随着岩石变得坚硬，设备也必须硬化以适应额外的振动。电子产品需要更好的绝缘。

Eavor-Lite项目的采矿热量只有70摄氏度左右。(它的目的不是为了在商业上可行。)。为了让地热工作，Eavor和其他公司将需要掌握深入和变得更热。“在90摄氏度的温度下，你不能经济地生产地热能，”比阿说。

.