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地热能

地热能能否彻底取代燃料？

我们脚下就有一种几乎取之不尽的能源。我们来讲讲地热能的故事。然后比较传统地热发电厂、可调节输出以平衡风能和太阳能的增强型地热系统，以及供单栋建筑使用的地源热泵。我们还会看看一种不切割岩石、而是将其汽化的新型深钻技术，这条路或许能让地热能在地球上几乎任何地方都成为可能。

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影响速度成本成熟度自然影响

3.4总体

解决方案评分

  • 影响4 / 5全天候清洁电力，新钻井技术让更多地点也能利用。
  • 速度3 / 5每座电站都要钻好几年；要更大范围推广，得把钻井成本降下来。
  • 成本3 / 5钻井很贵，之后运行成本却很低。
  • 成熟度4 / 5已验证一个世纪；下一代钻探技术仍在发展中。
  • 自然影响3 / 5占地极小；有轻微小震风险。

指南

这是这部影片的图文版旁白稿。本指南目前仅提供英文版 - 你的语言版本即将推出。

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测验

第 1 题，共 10 题

1904年，谁最先利用地球热量发电？

得分 0 / 10

旁白稿

从史前的柴火到现代的化石燃料，人类一直痴迷于燃烧东西。事实上，人类已经把这件事做得太好了，至今烧掉的碳相当于目前地球上所有植物的总量，足足4500亿吨[1,2]。

但如果火的时代能结束呢？如果人类能利用地球的能量，把地球本身变成一座巨型发电站呢？

听起来可能像科幻，但在地球表面之下，藏着一种几乎取之不尽的秘密能源，有潜力为世界供能数千年：地热能。

早在人类开始燃烧化石燃料之前，地球本身就为古代文明提供热量。事实上，古人认为地热温泉是神圣的[3,4]。

古罗马人甚至围绕它们建起了建筑群[5,6,7]，这样他们就能做一件比烧东西更让人类着迷的事：泡在热气腾腾的水里，而罗马作家兼泡澡爱好者老普林尼在编写世界上第一部百科全书[9,10]时，也很享受[4,8]这种消遣。

但地球的热量也可能具有毁灭性，后来老普林尼就发现了这一点 - 公元79年，维苏威火山喷发，他和庞贝城一起被火山灰和有毒气体掩埋[11,12,13]。

直到1904年，富有创意的意大利王子皮耶罗·吉诺里·孔蒂发现，只要钻一个非常、非常深的洞，就能获取地球的热量并用来发电[14,15,16]。

但这么多能量从哪里来？像孔蒂那台装置这样的机器，究竟是怎么运作的？

地球外表看起来很宜居，但它凉爽翠绿的外层就像蛋壳，只是一层薄而脆的地壳，盖在厚厚的熔融和半熔融岩石上。越往下，温度越高。地核温度超过5000 °C[17,18]，和太阳表面一样热[19,20]。

还好它在地下近3000千米处[17,21]，不然那些热气腾腾的罗马浴场可能会烫得多！

其中一部分热量，是45亿年前地球炽热形成时留下的能量，其余则来自岩石中放射性元素的衰变[22,23]。两者产生的能量如此之多，流向地表的热量理论上可以供人类使用数百万年[24,25]。

那么，人类怎样才能释放这颗星球的潜力？

主要有三种方法：

1）传统地热

2）增强型地热

3）地源热泵

传统方法需要天然的高温地下水和蒸汽，而冰岛就到处都是。它位于两块相互分离的构造板块交界处，本质上又是一大群火山，因此地表下不远处就有充足的蒸汽和高温热水。钻井获取这些资源后，蒸汽可以推动涡轮机发电。

如果在热水冷却后把它送回地下，对储层进行可持续管理，这个过程就能持续数百年[26-29]。其中一部分由地热加热的水，也可以通过管道直接为住宅、温室，甚至游泳池供暖，让住在那里的人全年都能泡澡。

事实上，冰岛的地热能多到惊人，如今能满足其70%的一次能源需求[30,31]。

但如果你没那么幸运，没有住在火山附近，脚下也没有高温储水层呢？这就轮到方案2登场了。

即使在没有天然蒸汽的地区[32,33,34]，也可以把水注入地下热岩，造出一个人工高温热水储层，叫作增强型地热系统[35,36,37]，然后用和传统系统差不多的方式来提供能源。

增强型地热储层还可能应对风能和太阳能面临的最大挑战。

人类的能源需求有一定规律：早上人们起床烤面包时上升，出门上班后下降，回家看电视、开灯时又会上升。

讽刺的是，太阳能最充足的时候，往往正是最不需要的时候。

而风能供应又有点随机，所以即使两者结合，也常常达不到所需水平。

另一方面，增强型地热储层的能量输出可以在一天中调节，这意味着人类需要电的时候，总会有电。

这真是绝佳组合[43-56]。那问题在哪儿？

传统和增强型地热系统都需要钻穿数百米（有时甚至数千米）的岩石。而熟悉岩石的人都知道，它出了名地硬，钻起来可不轻松。

未来，毫米波等技术的进步 - 它们用高能光束把岩石汽化[38,39] - 或许有一天能让人类钻得足够深[40]，从而几乎能在地球任何地方获取地热。

但如果有一种更便宜、更简单的地热利用方式呢？

这就轮到第三种方案了：地源热泵！

和传统及增强型地热系统不同，它们可以安装在浅得多的地下。这些系统利用地面的热量，把一种专用流体加热到比较温和的温度，再通过热交换系统提高它的温度，把热量传给水，并让水在管道中循环，为人们的家供暖[41,42]。

听起来可能有点离谱，但用这种方式提高热量后，地下仅仅几米深处那点微妙的暖意，就足以把洗个舒服热水澡的水烧热。

而且它比传统锅炉高效得多！

地热能真的能帮人类戒掉燃烧东西的瘾吗？能！

只要有合适的投资、税收优惠、研究和技术，人类或许终于能释放地球的全部潜力，从火山温泉到郊区花园，处处获取这种地下能源，创造一个不用火、人人都有热气腾腾澡可泡的未来。

专家顾问

我们要感谢

Prof. Jon Gluyas

杜伦大学

The Geological Society 会长

地球科学系

Dr. Andrea Paulillo

伦敦大学学院

化学工程系

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延伸阅读

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信息摘要

历史

工作原理

概述（传统）

增强型地热

地源热泵

毫米波钻探

参考资料

这里的所有链接内容都是英文。

  1. [1] 分析：哪些国家在历史上对气候变化负有责任？ | Carbon Brief（见参考注释*）
  2. [2] 地球上所有生命的重量 | ESALQ - College of Agriculture, University of São Paulo
  3. [3] 人类与地热现象漫长关系的简史 | Proceedings World Geothermal Congress
  4. [4] 各个时代的地热能 - 电力与替代能源 | Alberta's Energy Heritage
  5. [5] 罗马浴场温泉水热量回收系统 | Buro Happold
  6. [6] 泡温泉：从罗马浴场回收热量 | CIBSE Journal
  7. [7] 巴斯修道院将利用城市温泉水供暖 | Energy | The Guardian
  8. [8] 希腊罗马世界的药用温泉与疗愈水疗（In: Leisure, Pleasure and Healing） | Supplements to the Journal for the Study of Judaism
  9. [9] 自然百科全书：阅读普林尼 | Leonardo's Library | Spotlight at Stanford
  10. [10] 缅怀老普林尼与第一部百科全书 | Knowable Magazine
  11. [11] 论老普林尼之死 | Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences
  12. [12] 老普林尼的悲剧性死亡与庞贝的最后时日 | The Collector（见参考注释*）
  13. [13] 庞贝遗骸石膏模型：沉积后过程的方法学见解 | PLOS ONE（见参考注释*）
  14. [14] 地热之城：历史 | MIT
  15. [15] 你知道吗……意大利拥有世界上最古老的地热电站？ | Utah FORGE
  16. [16] 世界上第一座地热电站 | World-Energy
  17. [17] 地核 | National Geographic
  18. [18] 地核为什么这么热？科学家又如何测量它的温度？ | Scientific American
  19. [19] 地核为什么不会把地球熔化？ | BBC Science Focus
  20. [20] 2015年TESS会议提出日冕加热理论的有力证据 | NASA
  21. [21] 地核条件下铁的热导率和电导率 | Nature
  22. [22] 什么是地热能？ | Planète Energies
  23. [23] 地热能：在英国用于供热和发电的潜力 | House of Lords Library
  24. [24] 增强型地热系统（EGS）全球综述 | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  25. [25] 地热能：为大城市能源结构脱碳的方式 | Communications Earth & Environment | Nature
  26. [26] 地热田回灌：2020年最新全球综述 | Geothermics
  27. [27] 回灌 - 概述 | ScienceDirect Topics
  28. [28] 区域供暖应用中中深层地热井的寿命和功率密度 | The European Physical Journal Plus
  29. [29] 地热能 | National Geographic
  30. [30] 岛屿型100%可再生能源战略中的地热能开发。特内里费岛（西班牙）案例研究 | Journal of Cleaner Production
  31. [31] Energy Figures 2021 | Orkustofnun（另见 Primary Energy Use in Iceland 1940-2020 | Orkustofnun）
  32. [32] 预测地热发电厂的地理适宜性 | Journal of Cleaner Production
  33. [33] CGG向美国能源公司授权支持能源转型的地热多客户研究 | Viridien
  34. [34] 从热岩到实用能源：增强型地热系统潜力的全球估算 | Applied Energy
  35. [35] 增强型地热系统（EGS）情况说明书 | US Department of Energy
  36. [36] 地热技术项目：增强型地热系统 | NLR (NREL)
  37. [37] 增强型地热系统 - 概述 | ScienceDirect Topics
  38. [38] 利用毫米波或直接能量钻井的地热能 | Geoengineering Global
  39. [39] Quaise Energy
  40. [40] 使用毫米波技术进行深层地热钻井 | OSTI.GOV
  41. [41] 清洁能源101：地源热泵 | RMI
  42. [42] 地源热泵：工作原理 | AHRI
  43. [43] 灵活资源助力可再生能源 | 速览 | California ISO
  44. [44] 为什么选择抽水蓄能？ | Queensland Hydro
  45. [45] 实时运行电网 | U.S. Energy Information Administration (EIA)
  46. [46] 利用聚类分析捕捉英国住宅日能源需求曲线随时间的变化 | Applied Energy
  47. [47] 需求很聪明，会适应价格曲线的变化 | AleaSoft Energy Forecasting
  48. [48] 图1：风电和太阳能发电曲线与电力对比（载于：稳定风电场发电的压缩空气新混合模型） | International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering
  49. [49] 图1：可再生能源储能下的每日供需（载于：地质孔隙储存层中压缩的可再生气体能源的地球物理评估） | SpringerPlus
  50. [50] 图4：风电场预测和实际功率输出（载于：基于风电预测误差的风电场集群调度方法） | Journal of Modern Power Systems and Clean Energy
  51. [51] 图1：风电和火电发电量及半小时现货价格（载于：变化的风向：风能如何与新西兰电力系统互动） | Electricity Authority
  52. [52] 图1：每半小时平均用电量（载于：智能电表未来的用电量和家庭特征：对人口普查的启示）| Computers Environment and Urban Systems
  53. [53] 图1：风电、太阳能、风光混合系统输出和负荷曲线的模拟逐小时曲线（载于：利用风光资源互补性减少储能需求）| AIMS Energy
  54. [54] 图2：对照期内每半小时的平均用电需求（载于：夏令时如何影响用电需求？来自西澳大利亚一项自然实验汇总数据的答案）| Energy Economics
  55. [55] 储层内储能对地热发电灵活调度的价值 | Applied Energy
  56. [56] 图15（载于：使用布谷鸟搜索算法，为喀麦隆三个偏远地区供电的光伏/风电混合系统与不同储能技术的定量技术经济比较）| Journal of Energy Storage

参考注释

1

报告称有1718 Gt CO2，相当于468.54 Gt碳。

12,13

额外材料 - 老普林尼最后时刻的沐浴（见动画）

[12] 老普林尼观察到一大片不祥的云从维苏威火山顶部出现。他判断情况异常后，没有选择逃离以求自保，而是派出一支战舰舰队援助沿岸的其他人，并随舰出发。收到朋友雷克蒂娜求救的信后，这次航行作为救援任务的性质很快便明确了。老普林尼抵达了雷克蒂娜位于庞贝5公里外的家，舵手劝他撤退 - 但普林尼拒绝了，继续前行去帮助他在斯塔比亚的另一位朋友蓬波尼亚努斯。两人在此尝试放松、用晚餐、沐浴，并等待当夜的危险过去。但夜里，火山灰和浮石开始如雨落下，震动摇晃着地基，熔岩流吞没了远处的房屋，并迅速逼近这座房子。情况越来越糟，屋内外的危险都在增加。到了早晨，他们决定撤离并前往海滩 - 可惜在逃亡途中被不断升高的热浪、火焰和令人窒息的烟气压垮了。

[13] 澄清了这并不是一场单一事件造成的灾难，而是多场灾难不断累积，人们有时间在炽热的火山灰和浮石落下时尝试逃离，之后火山碎屑流夺走了大多数庞贝居民的生命。这进一步支持了这样的结论：老普林尼在开始撤离前有时间洗澡和放松。

43-56

能源需求图表

图表基于[43-56]，用4个主要参数简化展示了每日能源需求变化和可再生能源间歇性带来的问题：

  • 能源需求通常会随着人们一天中的日常活动而变化。人们起床或下班回家时，往往会打开灯、电视、烹饪电器等，因此早晚用电量通常达到高峰 - 而在中午，人们上班、出行或在户外时，用电量通常会趋于平稳或下降。可以预见，夜间人们睡觉时需求最低。
    （不同文献中的具体需求模式有所不同；为绘制这张图，参考了多个来源并进行了简化。）
  • 太阳能发电 - 太阳能发电的供电量会在日照最强的中午达到峰值，并随着太阳落山而在傍晚下降。这一常见规律与人们的用电情况并不一致，在需求最大时造成供电缺口：即使太阳升起、供电增加，也不足以覆盖早晨的需求高峰。但换个角度看，当太阳升至最高处时，中午会出现电力盈余，而需求相对较低。
  • 风能发电 - 风力发电的供电量本身相对多变且不稳定。短期内（按小时看），风不像阳光那样有一致、可预测的规律（尽管有些来源认为风力通常会在下午达到峰值）。但和太阳能一样，风能也可能在一天中的某些时段产生盈余，在其他时段又无法满足需求。可能连续几天风平浪静，风力不足以满足需求，也可能遇上持续大风的日子，带来不断的电力盈余。归根结底，单靠风能并不是可靠的能源来源。即使结合风能和太阳能，它们也常常无法在需求高峰期提供足够电力，尤其是在阴天无风时。
  • 互补电力 - 可以利用其他能源来补偿风能和太阳能间歇性带来的供电缺口，帮助供给满足需求。水电、生物燃料和增强型地热等能源可在一天中灵活调节，需要时提供额外能源，或在低谷时段减少过度发电和浪费的盈余电力。这样就能通过多种能源组合，在一天中的任何时段持续满足需求。使用可再生能源（而不是化石燃料）作为可调节的互补供给，有助于在满足需求的同时不产生更多不必要的碳排放。

负荷跟踪与基荷电力：

增强型地热能是关键例子：它能灵活、动态地调整，以跟上由间歇性和人类用能习惯造成的实时需求变化，被称为“负荷跟踪”电力供应。化石燃料或核能发电厂等其他能源，传统上被称为“基荷”电力供应 A。这意味着它们能持续、可靠地供电，满足我们最基本的能源需求；但与增强型地热不同，它们不容易调节，输出功率也无法快速升降来跟上需求。额外的发电厂被称为“调峰电站”，会接入电网，在需求高峰期提供额外电力。但即使是调峰电站，启停也需要时间，造成低效、过度生产和浪费。

我们的图表是鸭子曲线 B 的简化变体，这是一张广为人知的图，展示太阳能（/风能）供需差额，以及由此给电网系统带来的负荷 - 即它显示的是扣除已由太阳能（/风能）满足的部分后，剩余的净需求，从而把这些参数合并成一条曲线。它强调，虽然风能和太阳能有助于满足能源需求，但它们（目前）无法完全替代基荷电力。如果不能始终满足100%的需求，它们可能会给电网带来额外压力，因为这需要传统、升降功率较慢的基荷电站更快、更频繁地调节来补偿（或者至少，无法避免设备闲置、大量低效和电力浪费）。例如，傍晚太阳能发电量下降时，正好也是用电需求达到高峰的时候，运营基荷电站的公用事业公司必须迅速提高发电量来替代太阳能。这不仅会带来运行压力，而且这些电站只有持续运行才具有经济性 - 一天内反复启停会让它们失去经济可行性。

这类解决方案的目标是“压平鸭子的肚子”（从而减少基荷电站必须升降功率的幅度），包括：

  • 提高基荷运行的灵活性，以更灵活地调整输出
  • 调整我们的用能习惯，让一天中的能源消费更稳定
  • 将盈余电力转用于其他应用
  • 纳入电网规模的储能
  • 转向增强型地热或水电等更灵活的“负荷跟踪”能源

另见： 分析鸭子曲线十年：NREL在2008年的一项发现如何帮助如今的电网接入更多太阳能 | NLR（NREL） （已存档）

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