乾熱巖:"可供中國使用3800年"的清潔能源?

中國現在並沒有乾熱巖的開發井

只是處在勘探和基礎研究階段

考慮到當前開發利用的成本和技術條件

乾熱巖很難說得上是“資源”

最近,一些自媒體聲稱,山東發現新能源“巨大寶藏”,儲量大約相當於180億噸煤炭,可供中國使用3800年。這裡所說的寶藏,是一種地殼較深處的高溫巖體——乾熱巖。在全球經歷了一個缺煤、氣荒的2021年之後,如果在我們腳下就埋藏著如此海量的能源,那無疑是驚天動地的大事件。

事實上,這個“發現”並不是最近的事。早在2016年,就有權威媒體報道,山東省第一地質礦產勘查院發現了中國東部賦存條件最好的乾熱巖。該勘察院水文地質所主任景曉東預測,僅在威海市文登區一處,高溫乾熱巖的能量即使只有2%被利用,便可供山東全省使用38年,“其效益不亞於找到一座大型金礦。”

到了2019年,有媒體報道,該專案也在山東日照市莒縣、五蓮縣一帶發現乾熱巖富存區,資源量摺合標準煤總計超過187。79億噸。2017年到現在,中國煤炭消耗量平均每年在40億噸左右,因此,假設山東蘊藏的乾熱巖能量相當於187。79億噸煤,也不可能供中國使用3800年。但更為關鍵的是,山東真的找到了這樣一座地下“金礦”嗎?

對於這類新聞,中科院地質地球所地熱資源研究中心主任龐忠和表示,這屬於嚴重地誤導公眾。雖然乾熱巖儲量大、無汙染,但它是一種開採難度極大的地熱能。放眼全球,真正執行得較為成功的專案,也屈指可數。中國現在並沒有乾熱巖的開發技術,只是處在調查和基礎研究階段。

儲量比煤、油、氣多30倍的清潔能源

按照地熱學的基本規律,越靠近地球深部,溫度越高,地表往下每走一千米,地球平均大約增溫30℃。因此,可以想見,只要能夠開採得足夠深,地球可以給人類回饋的熱能資源儲量,無疑是巨大的。一個學界常引用的說法是,地殼中距地表3~10千米深處的乾熱巖所蘊含的能量,相當於全球石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍。

德國卡爾斯魯厄理工學院教授、地球科學研究所地熱能部門主席托馬斯·科爾告訴《中國新聞週刊》,距地表3千米以下的地殼,主要由火成岩和變質岩組成,它們的特點是有足夠的溫度,但缺乏孔隙,這些巖體並不是真的“幹”,流體含量只是不夠。比起溫泉、地熱水井這類地熱形式,乾熱巖型地熱資源,佔據了絕大多數地球熱能。

1970年代的美國,正值遭遇全球石油危機時期,對乾熱巖的開發,也就從那時的美國開始。目前為止,全球已經開展了約64個乾熱巖實驗或開採專案。

中國的乾熱巖調查工作,是從“十二五”期間正式開始的,這與當時中國開始重視霧霾治理、改善大氣環境的背景密不可分。因為乾熱巖如果可以大規模開發和應用,將是一種資源含量非常巨大的可再生清潔能源。

乾熱巖將來主要的用途是發電。由於乾熱巖的溫度很高,發電過後的尾水還能達到70~80攝氏度,相當於普通地熱水,能再次用於供暖、製冷。乾熱巖不僅體量巨大,而且,用於發電幾乎是零排放,又比風能、水能等清潔能源更加穩定,不受氣候影響。文獻還指出,一處乾熱巖發電站使用大約20年後,巖體溫度會下降,不能繼續使用,但是地心岩漿會再次“加熱”這些岩石,幾十年過後,熱能便可再次利用。

2012年,“863”專案“乾熱巖熱能開發與綜合利用關鍵技術研究”立項,拉開了乾熱巖尋找與技術研究的序幕。2014年10月,中科院地質與地球物理研究所對青藏高原共和盆地兩處勘探孔地熱溫度做了測試,發現地下2880米處,花崗岩體溫度達到181℃,是中國首次探明的乾熱巖資源。

中國地質調查局水文地質環境地質研究所研究員王貴玲等人於2012年發表在《地球學報》的文章便進行過儲量估算,給出的結果是:中國大陸3~10千米深處的乾熱巖資源,相當於860萬億噸標準煤,按2%的可開採資源量計算,相當於當時中國能源消耗總量的5200倍。

乾熱巖因此被認為是未來煤炭、石油等化石能源枯竭後,最具潛力的戰略接替能源。根據王貴玲等人2020年發表的論文《中國地熱資源現狀與發展趨勢》,中國現在已經圈定了12處乾熱巖勘探點,開展開發實驗,並追蹤國外技術。

2019年,河北省煤田地質局組織的乾熱巖勘查專案稱,在唐山市馬頭營3965米深度,鑽獲了京津冀地區埋藏最淺的乾熱巖,估算4500米以淺、195平方公里範圍內,遠景資源量摺合標準煤為78億噸。2021年年中,該專案開展了乾熱巖試驗性發電。

2022年1月,江蘇泰州“蘇熱1井”乾熱巖專案開始進行壓裂試驗,該專案由江蘇省自然資源廳投入4630萬,是江蘇第一個乾熱巖預查驗證孔。據泰州地區初步估算,其乾熱巖資源含量摺合標準煤196萬億噸。

龐忠和參與了許多國家地熱能相關的戰略規劃和標準制定,這兩年,他感到乾熱巖得到的關注越來越多了。2020年,是中國“碳中和”元年,地熱作為五大非碳基能源之一,得到了更進一步的重視。2021年,在中科院重大諮詢專案“中國碳中和框架路線圖研究”中,乾熱巖的開發就是專題內容之一,與地熱能開發有關的高層會議也不少。

王貴玲曾在接受媒體採訪時將乾熱巖開發比喻為“給地球安裝插頭”,如果能夠成功地裝上這個插頭,唾手可及、源源不斷的能源將不再是妄談。

儲量不都等同於資源

近些年,很多人找到龐忠和,問他,想投資乾熱巖,應該去哪兒開採?他通常會跟對方說:你先別考慮投資了,風險太大,有可能血本無歸。

並不是人們想象的那樣,隨便在地球上選一個點,往深處鑽探,就能得到乾熱巖。龐忠和說,按照定義,溫度在180℃以上,巖體含水量特別少或不含水,在現今的技術、經濟條件下能夠開發利用的地熱能,才能被稱為乾熱巖資源。

他強調,如果溫度沒有達到180℃,開採不可能划算,而最後一條,能夠開發利用也很重要,否則就不能被稱為資源。往深處鑽井,普遍能找到地熱。人們都知道地心溫度超過6000℃,但是不可能被利用。前幾年,松遼盆地的一處勘探井,在7018米深處發現了240℃的高溫地熱,龐忠和說,這不叫乾熱巖資源,因為太深了,不可能開發。當不具備經濟或者技術的可行性時,談多少儲量,也就沒有意義。

乾熱巖的分佈並不一定是同一深度,因此,地下3千米還是4千米,只是一個大概範圍;即便同一深度,地質構造、巖體溫度也是千差萬別,學界稱之為“開採條件評價”。

龐忠和說,在美國西部,兩千米以下的地殼,地熱就能達到200℃。但在中國,在華北、東北、東南沿海等區域,要達到180℃,普遍要鑽井達到6千米,這就超出了當前技術可以開發、成本可以承受的範圍。山東省的乾熱巖,就屬於這種埋藏條件。

因此,對於山東聲稱“可供全省使用38年”的乾熱巖能源,龐忠和看了該區域地下溫度分佈曲線之後發現,其地熱溫度來自於區域性斷裂的地質構造,該斷裂把深部的熱能透過熱水帶到淺部,使得地殼淺部出現一段異常的高溫,但是再往深處開採,溫度並不會在這個異常高溫值基礎上繼續增加。

從資源勘探的角度來說,位於青海的共和盆地是中國目前乾熱巖開採條件最優質的地方。龐忠和說,這裡大約地下4千米的深度,地熱溫度能達到200℃,再繼續往深部走,溫度也隨之增高,大約每一千米能增加45℃。2010年之後,全球新啟動的10個乾熱巖開發專案中,青海共和專案也是備受關注的一個。但能否實現商業化開採,則是另外一回事。

乾熱巖:"可供中國使用3800年"的清潔能源?

2003年,位於澳大利亞庫珀盆地的乾熱巖開發專案立項,體量屬於全球最大。該專案在4千米深處,能鑽獲的地熱溫度達到250℃,但由於鑽井難度大和出口處蒸汽高溫不能有效維持,迄今為止一直沒有實現商業化,政府也不願再出資。

在歐洲,位於法國的蘇爾茨專案,由德國、法國、英國聯合開展,是目前為止,全球最成功並穩定商業發電的乾熱巖開發專案。蘇爾茨專案有4口鑽探井,在5千米的深度,獲得的溫度為200℃。不過,龐忠和告訴《中國新聞週刊》,這個專案的投入和產出是很不划算的。歐盟為其注資了上億歐元,但該專案現在加起來的能源出力,大約是兩個兆瓦。

尚沒有出現顛覆性的開發技術

2010年,龐忠和參加了中國科學院院組織的“中國能源路線圖2050”制定工作,關於深層地熱能的開發,包括乾熱巖,預計工程化的時間節點是2035年。現在看來,這個時間線的判斷是基本合理的,龐忠和說,目前這個領域並沒有出現顛覆性的技術。

開發乾熱巖的技術被稱為增強型地熱系統(EGS),是指透過水力壓裂等工程手段在乾熱巖體中形成人工地熱儲層,採出大量熱能的人工地熱系統。儲層是油、氣、水等物質儲集和流動的岩層空間。

美國曾將EGS技術列為最為重要的新能源技術之一,開始進行研究。但乾熱巖專案的“鼻祖”,1973年在美國新墨西哥州開展的芬頓山專案,最終也因經費、技術等問題被迫停止。

龐忠和介紹,地熱的開發利用,就是跟地球進行換熱,這個過程如果用流體進行,會比沒有流體的傳導式換熱,效率至少高3~5倍。因此現在的地熱開發,主要是透過抽水把熱能帶上地表來,成本才經濟划算。而在地表4千米往下,地球的裂隙愈小,物質結構越緊密,基本上含水量特別低,不具備水熱型地熱開發的條件。

除了深部鑽探、壓裂的高昂成本與技術困難,另一方面,乾熱巖的開發還會因為不時誘發地震,成為開發乾熱巖時的一個重大安全問題。龐忠和說,因為壓裂巖體時需要施加巨大的力量,對天然的應力場有比較明顯的改變,再加上乾熱巖開發本身就偏愛有天然裂隙構造的地方,人工活動會讓裂隙活化,兩種情況都可能導致地震。

在瑞士第三大城市巴塞爾,市中心有一口廢棄的鑽探井,是這裡曾經試圖開發乾熱巖留下的痕跡。龐忠和曾造訪過,他說,2004年左右,專案的壓裂過程誘發了微小地震,最大震級約有3。5級,引發了周邊居民的不滿。他們起訴開發商,最後,以開發商賠償幾百萬歐元、專案破產而告終。

不過,即便乾熱巖的開發仍然處在非常初級的階段,科學家們認為,對於這種高難度能源開採的探索,能夠為地熱能的全面開發,奠定通用的關鍵技術。例如,將EGS技術應用到淺一點的地層,比如說4千米以上的中深層,將原有的巖體裂隙增加、擴大,就能加大流體迴圈效率,能夠置換出更多熱源,學界稱之為“人工增強”。

龐忠和舉例,世界上最大的地熱電站位於美國西部加利福尼亞州北部的蓋瑟斯鎮,過去大約有500兆瓦的發電能力,得益於這套人工增強技術,再抽取附近的湖泊水進行熱交換,一下子將裝機容量提高到750兆瓦,效率增加了大約40%。

“人類早已能夠登上月球,但對地下的探索卻很少。”曾經在2007年~2013年期間擔任過法國蘇爾茨專案科學主管的艾伯特·讓泰說,可能在地殼更深處,就有天然儲層和地熱水,只是目前的技術還無法探測到。多位業內學者也表示,這個領域的技術開發和實驗,現在得到的投入和關注卻不夠。

也許再過5年、10年,當行業有了顛覆性的技術創新,使得鑽探成本能比現在降低1/2或者1/3時,乾熱巖就能大規模開採了。在此之前,龐忠和認為,對地熱能的商業化投資,應該立足於淺層和中深層現實可行的資源,而不是好高騖遠地追求乾熱巖,甚至刻意追求概念噱頭和標新立異。

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