地熱資源開發利用

地熱能:一種未被充分利用的可再生能源

地大熱能太陽系中的所有行星,都是由與太陽相同的熱等離子體球形成的。太陽與行星之間的主要區別在于太陽更大,它的引力可以維持核聚變,而較小的行星(例如我們的地球)無法做到這一點。 不過,行星冷卻需要很長時間。因此,地球實際上仍然是一個由熱等離子體組成的球,只是它現在有一個已經冷卻的地殼。


地熱能:一種未被充分利用的可再生能源-地大熱能



所以當我們向下挖掘時,挖得越深,溫度就越高。科學家認為,地核的溫度不僅來自等離子體的初始熱量,還部分來自放射性衰變。地球核心的溫度估計有五-七千攝氏度,這與太陽表面的溫度差不多。如果我們想利用地熱能,我們不需要數千攝氏度,幾百攝氏度就足以將水煮沸并驅動渦輪機,而這樣的溫度可以在地球上大多數地方的幾公里深處找到。


地球科學家估計地殼上部10公里的總能量儲備約為10^27焦耳。目前,全球每年的總能源消耗約為5×10^20焦耳。這意味著如果能源需求保持穩定,地熱能的提供將持續數億年。這聽起來不錯,但實際上,地熱能目前在地球上的大部分地方的作用都非常小。2020年,全球地熱發電總容量約為15吉瓦,這大約占全球太陽能裝機容量的 1%。


根據IPCC的數據,大多數地熱發電廠的二氧化碳排放量與太陽能相當。但與太陽能相比,地熱能一年365天、一天24小時不間斷供電。地熱能也不貴,地熱發電廠的平均電力成本目前與太陽能風能相當。這可能會讓您認為地熱能會蓬勃發展,但事實并非如此。


地熱能:一種未被充分利用的可再生能源-地大熱能

 

有東西破裂、漏水或地面不符合預期等問題。


如何讓人們更好地鉆井呢?通過教他們物理。2020年,美國得克薩斯州的兩名研究人員為鉆井工人開發了一項培訓計劃,教他們有關巖石和裂縫等知識。這將鉆井時間縮短了一半,并顯著降低了成本。


地熱鉆井石油鉆井更具挑戰性是有物理原因的:必須挖得更深,發電效率才能更高。一個與地熱發電廠效率特別相關的因素是一個物理量,稱為水的比焓。焓測量物質可以攜帶多少能量,它是溫度和壓力等環境條件的函數。大約200倍大氣壓力下的水的焓在 374 攝氏度時突然增加,這時的水處于“超臨界”狀態。超臨界水每單位質量可以攜帶多幾倍的能量,并且向電能的轉換變得更加高效。

 

世界上有超過25個地熱井達到了374攝氏度以上的溫度,但到目前為止,沒有一個地熱井可以長時間用于能源提取。意大利人在托斯卡納鉆了一個適合建造超臨界發電廠的井。但是這些井不僅很熱,巖石之間還含有許多令人不快的化學物質。這使得鉆探的水呈強酸性,從而破壞設備。類似的問題還有很多。

 

現在,科學家正在研究新的技術,來幫助更快、更好的鉆井。例如,美國使用一束微波來鉆小孔、開裂巖石,然后用可生物降解的物質堵塞裂縫。這樣可以防止水滲入巖石,他們就可以鉆得更深,形成并擴大裂縫網絡,然后水可以通過這些裂縫循環。除此之外,英國研究人員提出了沖擊鉆孔,可以將鉆孔速度提高多達10倍,并將成本降低一半。法國和英國的研究人員正在開發另一種增加高壓水射流的新鉆井技術,這個想法是利用水將巖石切割成特定的形狀,這樣它就可以更容易地被流體動力沖擊錘打碎。麻省理工學院的研究人員希望將傳統的旋轉鉆孔與毫米波激光相結合,他們聲稱通過這種方式,能夠在短短 100天內鉆深20公里。