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地下两万米处,藏有可供人类用23亿年的无尽能源?美国正在布局

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人类的探测器已经飞出了太阳系,可往自己脚下钻,至今没有钻过13公里。这项纪录属于俄罗斯西北部的科拉超深钻孔。

科学家1970年开钻,想弄清地壳到底由什么构成,也想看看究竟能钻多深。到1989年,钻孔深度达到12262米。

这大约只是陆地地壳厚度的三分之一,却用了将近20年。钻进去以后,井底温度远远超出预期。

原先估计约100℃,实际测到将近180℃,岩石在高温下变得像软泥,钻孔越来越难维持。那几年还流传过一个怪谈,说井下能听到声音,像是从地狱传上来的。

20世纪90年代中期,项目资金耗尽,现场被废弃,井口被封死。比这更深的地方,人类从来没有直接测量过。

现在,美国有公司把目标定在20公里。它们要找的不是石油,是热。"23亿年"这个数字,先打个折:地热有多少?



地核温度可达五六千摄氏度。这些热量约一半是地球形成时留下的余热,经过约45亿年还没散完;另一半来自地壳里铀、钍等放射性元素的衰变,到现在还在不断产生。

研究地热的地质学家吉姆·福尔兹做过一个估算:地球一年产生的地热,大约是美国一年能源需求的10倍。热量总量巨大,这一点学界没有争议。

可"23亿年"是把地球全部内热都算进去、完全不考虑开采成本和技术极限得出的理想值。比较严谨的说法是,地表10公里以内的可利用地热,按现在的能耗水平够人类用几千年。

这已经很惊人了,不过关键不在储量多少,在于人类实际能拿到多少。一个被低估的配角:现实情况有些反差。

按国际能源署的数据,目前地热只满足全球约1%的电力需求。地热有一个太阳能、风能比不了的长处,就是全天候发电。

光伏到了阴天出力就不足,风停了风机也不转。2023年全球地热装机的平均利用率超过75%,风电不到30%,光伏不到15%。



既然这么稳定,为什么用得这么少?因为传统地热发电对地质条件要求很严,热源、水和多孔岩石三样都得有。没有水还好办,可以从地面往下注。

岩石不透水就没法处理了,流体在热岩里流不动,热量也就取不出来。能同时满足这三个条件的地方不多。

冰岛算一个,20世纪初它还是发展中国家,开发火山地热以后,把能源转化成工业产出,现在已是世界上人均收入最高的国家之一。肯尼亚也是。

它位于东非大裂谷,那里的非洲板块正在裂开,地下热量离地表很近。肯尼亚近一半的电力来自地热。

新兴企业Sosian能源筹资9100万美元,建了一座35兆瓦的电厂,绿色的大管道把两三公里深处的蒸汽送进涡轮机。肯尼亚的地热潜力约10吉瓦,目前开发了约1吉瓦。

离开这些地质条件特别好的地方,地热发电长期很难推广。石油工程师带来的新办法:改变这一局面的,是一批从油气行业转过来的人。



Fervo Energy首席执行官蒂姆·拉蒂默,职业生涯起步时在必和必拓做钻井工程师,赶上了得克萨斯南部的页岩气热潮。他意识到,水平井和水力压裂既然改变了油气行业,也同样可以用在地热上。

具体做法是,在致密的热岩里人为压出裂缝,把地下变成一个巨大的换热器。冷水从注入井打下去,流过裂缝吸收热量,再从生产井回到地面发电。

这样一来,原先的三个条件只剩下一个:岩石够热。Fervo 2023年在内华达州用一座小电站验证了这项技术。

今年秋天,它在犹他州的Cape Station取得了实质进展:9月24日并网,9月30日宣布商业运行,比合同约定的日期早一天。

投运的是一期三个33兆瓦发电模块中的第一个,公司表示另外两个将在2027年1月1日前投入商业运行,还有400兆瓦正在建设,预计2028年投运。带动这轮发展的,是美国数据中心快速增长的用电需求。

科技公司需要能全天稳定供电的清洁电源,地热正好符合要求。Fervo与谷歌签了一份396兆瓦、为期15年的"照付不议"购电协议,预计2028年中开始供电。



这样一来,它受约束性购电协议覆盖的容量达到1054兆瓦,合同收入约119亿美元。这些合同的意义不只在金额。

地热项目前期投入很大,有分析认为单个钻孔的成本可达9000万美元以上,而一台燃气发电机组只要100万美元左右。投资者最担心的,是几十年以后的电价能不能保持稳定。

科技公司签下长期合同,等于替开发商承担了一部分远期电价风险。地热能不能做大,财务上的问题和地质上的问题一样重要。

不过账面上还不好看。Fervo第三季度收入只有11.6万美元,当季能录得1170万美元净利润,靠的是利息收入、利率互换收益和税收抵免这几项一次性因素。

另一个风险是地震。压裂会引发地震:2017年,韩国浦项的地热项目同样用了压裂技术,加上井位离断层太近,诱发了一场约5.5级的地震,是韩国有记录以来最强的地震之一。

浦项至今仍是地热诱发地震中最严重的一例,这类事件很少见。但一种能源只要出过几次事故,声誉就会受到严重影响,何况页岩气压裂本来就因为地下水污染和诱发地震而争议不断。

Fervo的做法是公开监测数据。它最大的三次地震都发生在2026年9月,前后相隔约两周,都在新井场压裂期间,震级约在3.0到3.3之间。

按照它的"红绿灯"规则,3.0级及以上的事件必须暂停作业至少24小时,经过评估后才能复工。震级不高,但一个行业要扩张,就必须让电厂周边的居民了解风险,并取得他们的同意。



把地下空间当电池用:同样在得克萨斯,Sage Geosystems走了另一条路。首席执行官辛迪·塔夫在壳牌工作了三十五六年,女儿比她先加入Sage,还劝她"这边有意思多了"。

公司2020年成立,起初的方案和Fervo差不多,后来发现压裂出来的地下空间还能当电池用:用电低谷时把水压进不透水的岩层,岩层像气球一样被撑开;需要用电时把阀门打开,地层压力把水推回地面,带动水轮机发电。

加州和得州中午时段的光伏发电量已经超过需求,多出来的电正好可以这样存起来。这项技术已经开始落地。

Sage在得州Christine建了一座地压储能设施,可以连续6到10小时向电网输出3兆瓦电力,2026年8月正式投运,并公布了120多天的运行结果。

按照公司规划,与地热巨头Ormat在内华达合作的项目预计2027年开始发电,2028年达到满负荷,之后才轮到与Meta合作的150兆瓦项目。20公里的设想:压裂型地热一般只能做到三四公里深。

Quaise Energy首席执行官卡洛斯·阿拉克认为,这还只是冰山一角,要往更热、更深的地方去。他的设想是钻到20公里,大约是民航飞机飞行高度的两倍。



到了这个深度,世界上几乎任何地方都能拥有冰岛那样的地热条件,用不着守在火山旁边。难点在于钻不下去。

那么深的地方是花岗岩、玄武岩一类坚硬的基底岩,常规钻头很难对付。Quaise的办法来自聚变研究。

它以麻省理工学院十多年的研究为基础,用回旋管发射毫米波,把岩石加热到熔化、再到汽化,钻头不用接触岩石。在演示中,两英寸厚的玄武岩砖约90秒就被打出一个四英寸的孔。

公司工程师说,向下钻10公里也许只要几个月,而科拉钻孔用了几十年。新问题随之出现。

岩石加热过度会电离成等离子体,把毫米波反射回去,所以团队又加装了一束类似雷达的诊断光束。2025年,Quaise在得州中部一处花岗岩采石场钻到118米深,用的回旋管功率只有100千瓦。

因此它目前采用混合方案:先用常规钻头钻到基底岩,再换毫米波往深处钻。今年进展加快了。



8月,它完成1.8亿美元B轮融资,由Nabors Industries和Prelude Ventures领投;9月22日,又入选美国能源部最高2500万美元的资助。

俄勒冈州纽贝里火山以南的"黑曜石"项目已经开钻,第一口确认井设计深度约1.5万英尺,约合4600米,用的仍是常规金刚石复合片钻头。按计划,2030年前建成一座50兆瓦电站。

也就是说,20公里仍是图纸上的目标,眼下真正开钻的井在4600米左右。不少地质学家怀疑,那样的深度能不能实现商业化发电。

Quaise自己也承认,他们做的事以前没有人做过,可能遇到挫折,甚至失败。中国的另一条路:中国的思路更务实,先把中浅层地热用足。

截至2025年底,全国地热能供暖制冷面积约16.5亿平方米,其中中深层7.2亿平方米,浅层9.3亿平方米。河北雄县靠地热供暖和100%回灌,成了有名的"无烟城"。



深部也在推进。2024年,中国石化在海南的福深热1井完钻,井深5200米,5000米处温度超过180℃,达到干热岩的温度标准。

在今年5月的第十六届全国地热大会上,中国科学院院士滕吉文提出,向地球深部3000到5000米进军是必须攻克的战略科技问题。

国际能源署预测,随着技术进步和成本下降,到2050年地热可满足全球电力需求增量的15%,对应约800吉瓦装机。

"23亿年"的说法有夸大成分,但地下热量确实巨大,而且一直都在。人类以前利用得少,主要是因为钻得不够深、成本太高。

目前看,最先实现商业化的是四五千米深的井,20公里还只是远期设想。毫米波钻井能不能在井下的高温高压中正常工作,未来两三年应该会有结果。

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