乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

相信大家對地熱能都比較熟悉,由於地球內部是一個巨大的熱源,在地層中蘊藏著巨量的熱能資源,這些熱能統稱為地熱能,像溫泉就是典型的地熱資源之一,由於地熱能沒有汙染、不需要額外消耗、安全性高且可再生,在採暖、發電、溫室、康養、農業、提取工業原料等方面,已經獲得了廣泛的應用。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

不過,大家對乾熱巖這個概念應該還比較陌生,其實它是地熱資源的一種表現形式,是將地球內部熱能的一種儲存方式,只不過儲存的介質不是水,而是岩石而已。和其它地熱資源一樣,乾熱巖也具備儲量大、可再生、清潔無汙染、開發成本低、不受季節影響等特點,近年來受到很多國家的重視,開發利用方面的研究和實踐越來越多。據不完全統計,全球地熱巖的總儲量,相當於5000萬億噸標準煤,是世界現有三大傳統能源煤炭、石油、天然氣總儲量的30倍左右。那麼,既然乾熱巖這麼多,又這麼好,為什麼不大力開發利用呢?

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

乾熱巖的形成歸功於地球的“保溫機制”

大家知道,地球從內到外,是由地核、地幔和地殼組成的分層結構球體,在地球形成過程中因聚合星際物質之間不斷髮生碰撞、以及引力勢能的轉化,內部積聚了大量能量,這些能量之所以在40多億年的漫長歲月中沒有冷卻下來,主要有這麼幾個原因:

第一,也是最關鍵的因素,那就是地核中放射性物質衰變持續釋放熱量。在地球剛形成時還是一個完全熔融的狀態,組成物質會在重力作用下發生沉降,比重大的物質沉降作用要比比重輕的物質明顯,所以重元素(包括很多放射性元素)最終都匯聚到地核處。比如,鈾235、鈾238、鉀40、釷232等,這些放射性物質在衰變的過程中,會持續釋放出相應熱量。由於這些放射性元素半衰期非常長(鈾235是7年、鈾238是44億年、鉀40是13億年、釷232是140億年),所以幾十億年來,它們一直在發生衰變,保證了地球核心溫度的相對穩定。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

第二是地球的分層結構。從最內部的地核、到中間的地幔、再到最外面的地殼,分層結構性每一部分所呈現的形態不一,其中地核在高溫高壓下呈現固態,下地幔是固液混合態,上地幔是高粘稠的岩漿體,最外層的地殼呈現固態。由於外層地殼的固體形態可以延伸到地下幾公里至十幾公里處,將內部的熱量牢牢地鎖住,只有一小部分完成與地面的熱量交換,從而保證熱量散失速度很難。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

第三是大氣層,這一點無需過多解釋,主要原因是大氣層可以有效吸收來自地表的紅外輻射,然後再返回地面一部分,相當於一層“棉被”。可以參考火星和月球,由於沒有大氣層,在形成以後不長時間(幾億年)就幾乎完全冷卻了。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

第四是液態水。由於液態水的比熱容較固體岩石大很多,儲存熱量的能力更強,當溫度降低相同數值的情況下,釋放的熱量也更多,對地球總體熱量的穩定也起到至關重要的作用。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

乾熱巖作為一種埋藏在距離地表幾公里以內的高溫巖體,是屬於地殼範圍內的,所以它的熱量來源於地下的能量輸入,發源地是地核,然後透過地球內部的物質運動,以熱交換的方式逐漸傳遞到地殼,給這裡的特殊岩石(不含流體或者僅含有少量流體的緻密巖體)加了溫,從而形成乾熱巖。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

乾熱巖的主要開發方式

世界上對地熱能的利用時間,普遍晚於傳統能源和水電、風電和核電等新型能源,其中對乾熱巖的開發更晚,比如我國第一個乾熱巖勘探井才於2015年開鑽,目前在青藏高原、山東、福建等地區開展的開發,還是以勘探型為主,研究和利用型為輔。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

乾熱巖的開發,主要原理是利用熱量傳輸的方式,透過介質將乾熱巖中所儲存的熱能,傳遞到地表然後加以收集和利用。傳統方法的工序主要包括打注水井、高壓注入低溫水、乾熱岩層開裂形成熱儲構造、打生產井回收高溫蒸汽和液態水,隨後將收集起來的熱能用於供暖、發電等,最後再將降溫後的水,透過注水井迴圈注入地下,完成一個利用週期。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

去年,我國科學家對乾熱巖的開發模式進行了最佳化升級,研製出“重力熱管”,管內事先抽成負壓狀態,在管內壁上佈置吸液芯,吸液芯由多孔毛細材料構成,當管的一端受熱後,吸液芯中的液體蒸發氣化,在微群氣壓差的作用下流向另一端,然後釋放出熱量冷凝成液體,最後在重力作用下流回受熱端,從而實現將地下熱能傳遞到地表的目的。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

與注水取熱方式相比,重力熱管具有不需要高壓注水使地下岩層開裂,也避免了介質與乾熱巖的直接接觸,基本沒有損耗和次生汙染等優點。相信以後會有越來越大的應用空間。

大規模開發的瓶頸問題

雖然乾熱巖分佈非常廣泛,理論上地球的每片土地(包括海底)下面,都能找到乾熱巖,但是以現有的勘探和開採技術手段,僅限於乾熱巖埋藏深度較淺、地形地貌不復雜的區域,除此之外,還有一些限制因素。

比如大規模開發需要確定乾熱巖裂隙的走向,只有這樣才能在較大面積區域內實現“開採自由”,不過距離越大,提取熱量的點位確定就越困難,而如果縮小“注水”的“抽水”的距離,那麼熱交換面積將大幅下降,價效比隨之降低。雖然利用重力熱管的方法不用高壓注水,但畢竟一個點位所能提取的熱量終歸規模有限,要想大範圍提取,還得多打“探入井”。因此,利用聲學和微震等技術檢測裂隙走向,是以後的努力方向。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

此外,則是開採的限度問題。雖然從短期來看,乾熱巖無疑是一種可再生的優質資源,但是它的來源終歸是來自於地核。由於地球從太陽吸收的熱量有限,同時也存在著大氣層向外散失熱量的問題,地核中放射性物質衰變的強度也在持續變低,地球正在緩慢地走向冷卻,這是所有行星最終的命運。

乾熱巖是一種清潔可再生的優質能源,為何不大力開發呢?

開採乾熱巖資源,相當於提前透支地球的“保溫機制”,必將加速地球冷卻的程序。如果開採適度,這種影響一般很難短時間表現出來,或許還會抵消全球變暖的趨勢。假如全球都大規模的開發,不加節制,一旦超出限度,那麼對於地球內部的熱量傳輸、地質活動規律、全球水汽和物質迴圈必將產生衝擊,至於影響會有多大,則很難估計,屆時再想恢復就很難了。

頂部