地熱資源開發(fā)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(qū)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??茖W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(wěn)定,地熱能的提供將持續(xù)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(zhàn)性是有物理原因的:必須挖得更深,發(fā)電效率才能更高。一個與地熱發(fā)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(huán)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(tài)。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(fā)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(huán)。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(fā)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(tǒng)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。