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地球的热量能解决我们的能源问题吗?

发布时间:2020/6/15 10:28:48     来源:中国地热网

当今人类面临的最大挑战之一是我们的可再生能源问题。如果我们能找到一种不损害地球的稳定能源,我们就能大大减少对不可再生能源的依赖。解决方案可能就在我们脚下,想象一下,在我们星球深处,每平米都有一个古老的、隐藏的能量源。它是清洁的,灵活的,几乎无限的,完全可再生的,几乎无碳。

地热能是地球自身以热的形式产生的能量,通过对流,热量使地球的外层变暖。但这些热量从何而来?大部分来自于40亿年前地球刚形成时,当密度较大的元素到达地核时,摩擦会产生一些热量。地球内部热量的另一个来源是上地幔和地壳,在那里放射性同位素的衰变,如钾-40,产生能量,进而产生热量。如果我们能找到一种既安全又经济的方法来获取这些热量,我们的能源问题将会得到解决。

在一些接近地面的地方,热量会到达地表。在700°C或更高的温度下,岩石部分熔化,成为岩浆,引发了各种地热现象。如果地下流动的岩浆加热了气体或水,就会产生沸腾的温泉和间歇泉、海底热泉和天然蒸汽泉。这样的地热热点是在构造板块边界附近发现的,比如冰岛,在火山活跃区,比如土耳其,或者在一些地壳很薄的地方,比如美国的黄石国家公园。在这些地方来收集地球的热量,以满足我们的能源需求。每年足够的热流量是全球能源消耗总量的两倍以上。

地热库是无限的,因此,在改变我们全球能源系统的过程中,为什么我们没有采用这种能源呢?自然形成的热液储层的特征是热水在地表附近通过多孔或破裂的岩层渗透,这是最容易获取的地热能源。几千年来,人类社会一直在使用低温(150°C)地热能源产生的热量,其中最著名的例子可能是英格兰巴斯的温泉,由罗马工程师于公元60年修建。在这里,每天有100万升的水在45度左右的温度下流入巴斯市中心,为娱乐浴池供暖,为一些建筑供暖。

当落在附近山上的雨水通过地下深处的多孔石灰岩渗透时,这些热水被加热并重新上升,从而补充了自身的能量。这个特殊的来源是不合适的,因为45度远不是我们可以使用的最低温度。地热能发电机有三种基本类型,从地热水库中提取热水或蒸汽,通过蒸汽涡轮机运行,在被抽回之前,它会损失能量并冷凝。让这个循环继续下去。干蒸汽发生器直接从蒸汽源头获取蒸汽来驱动涡轮机。闪蒸发电厂在100度以上的压力下使用极热的水,然后迅速膨胀,降低沸点,使之变成蒸汽,推动蒸汽涡轮机运转。

这两种情况都需要较高的温度来源,这是罕见的,但它们在冰岛、意大利等地热活跃地区相对常见。奥地利和太平洋火环周围,在这些地区,地热能源很普遍,预计在未来4年将增长28%。印度尼西亚和菲律宾等东南亚国家预计将迎来最大的增长。但我们希望开发这些地区以外的地热能源。无论我们能提取多少能量,我们都不能在能量损失之前将其传输到很远的地方,因为电缆中的电阻会耗尽能量。

通常情况下,我们只使用地热资源,岩石的自然渗透性允许对流热循环。但一项名为"增强型地热系统"(EGS)的新技术,可能为更多地区提供地热能源。首先是在热岩地层中钻一口注水井。然后工程师在压力下注入流体,形成裂缝或扩大现有的裂缝。这增加了与岩石进行热交换的面积。为了进一步增加这个面积,一种无毒且可降解的材料被泵入到这些裂缝中,在压力下形成新的裂缝。我们再往下钻。一旦我们打开了足够数量的通道让水充满,我们就可以钻更多的孔,作为热水的出口。

这听起来很像有争议的水力压裂技术,但它不使用有毒的水力压裂液,这种液体会渗入我们的水循环,它使用水和一些安全的添加剂,但这并不是特别安全的。要做到这一点,我们需要制造出大量的断裂和裂缝,而这可能会带来一些灾难性的后果。2017年,在韩国浦项(Pohang,South Korea)的一处拟建EGS地点进行的钻探,被认为引发了一次5.4级地震造成135人受伤。2006年,瑞士巴塞尔的一家EGS工厂发生了一次事故,当时钻井可能导致了3.4级地震,多栋建筑受损。因此,这两个项目都被取消了。

尽管存在挑战,但发展地热能源的希望还是很大的。钻探业可以在钻井技术中借鉴。工程师们正在研制新型的地热井钻机,以及更好的热岩固井技术。地震风险是真实存在的,但工程师们有地震仪议来监测地震,以确保地震风险可以在早期进行评估。有时,将全球能源系统转换为可再生能源的努力似乎遥不可及,让人感到绝望。但就地热能源而言,它是一种令人兴奋的电力和热能来源,可以为我们的未来提供动力,而它就在我们脚下。

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