地热能：一种未被充分利用的可再生能源

文章来源：物理研究更新

原文作者：大锅天眼

太阳系中的所有行星，都是由与太阳相同的热等离子体球形成的。太阳与行星之间的主要区别在于太阳更大，它的引力可以维持核聚变，而较小的行星（例如我们的地球）无法做到这一点。不过，行星冷却需要很长时间。因此，地球实际上仍然是一个由热等离子体组成的球，只是它现在有一个已经冷却的地壳。

所以当我们向下挖掘时，挖得越深，温度就越高。科学家认为，地核的温度不仅来自等离子体的初始热量，还部分来自放射性衰变。地球核心的温度估计有五-七千摄氏度，这与太阳表面的温度差不多。如果我们想利用地热能，我们不需要数千摄氏度，几百摄氏度就足以将水煮沸并驱动涡轮机，而这样的温度可以在地球上大多数地方的几公里深处找到。

地球科学家估计地壳上部10公里的总能量储备约为10^27焦耳。目前，全球每年的总能源消耗约为5×10^20焦耳。这意味着如果能源需求保持稳定，地热能的提供将持续数亿年。这听起来不错，但实际上，地热能目前在地球上的大部分地方的作用都非常小。2020年，全球地热发电总容量约为15吉瓦，这大约占全球太阳能装机容量的 1%。

根据IPCC的数据，大多数地热发电厂的二氧化碳排放量与太阳能相当。但与太阳能相比，地热源能一年365天、一天24小时不间断供电。地热能也不贵，地热发电厂的平均电力成本目前与太阳能和风能相当。这可能会让您认为地热能会蓬勃发展，但事实并非如此。

地热能的问题在于，它的分布非常不均匀，这意味着在许多地方必须深入挖掘。地热发电厂的成本主要集中在早期费用上，而运营成本与太阳能和风能相当。地热井的深度通常是油井的两倍多，钻井成本占总成本的50%以上。钻井之所以如此昂贵，是因为有很多事情不能按计划进行，我们可能会遇到有东西破裂、漏水或地面不符合预期等问题。

如何让人们更好地钻井呢？通过教他们物理。2020年，美国得克萨斯州的两名研究人员为钻井工人开发了一项培训计划，教他们有关岩石和裂缝等知识。这将钻井时间缩短了一半，并显着降低了成本。

地热钻井比石油钻井更具挑战性是有物理原因的：必须挖得更深，发电效率才能更高。一个与地热发电厂效率特别相关的因素是一个物理量，称为水的比焓。焓测量物质可以携带多少能量，它是温度和压力等环境条件的函数。大约200倍大气压力下的水的焓在 374 摄氏度时突然增加，这时的水处于“超临界”状态。超临界水每单位质量可以携带多几倍的能量，并且向电能的转换变得更加高效。

世界上有超过25个地热井达到了374摄氏度以上的温度，但到目前为止，没有一个地热井可以长时间用于能源提取。意大利人在托斯卡纳钻了一个适合建造超临界发电厂的井。但是这些井不仅很热，岩石之间还含有许多令人不快的化学物质。这使得钻探的水呈强酸性，从而破坏设备。类似的问题还有很多。

现在，科学家正在研究新的技术，来帮助更快、更好的钻井。例如，美国使用一束微波来钻小孔、开裂岩石，然后用可生物降解的物质堵塞裂缝。这样可以防止水渗入岩石，他们就可以钻得更深，形成并扩大裂缝网络，然后水可以通过这些裂缝循环。除此之外，英国研究人员提出了冲击钻孔，可以将钻孔速度提高多达10倍，并将成本降低一半。法国和英国的研究人员正在开发另一种增加高压水射流的新钻井技术，这个想法是利用水将岩石切割成特定的形状，这样它就可以更容易地被流体动力冲击锤打碎。麻省理工学院的研究人员希望将传统的旋转钻孔与毫米波激光相结合，他们声称通过这种方式，能够在短短 100天内钻深20公里。

编辑：陆定辞