冰島地熱開采技術加速突破！儲量比全球電力需求高百倍
來源：上觀新聞原創(chuàng)數據 時間：2026-08-20 14:34
冰島的地熱發(fā)電站。冰島是全球少數幾個擁有天然地熱儲層、能夠將地熱能轉化為電能的國家之一。
我們腳下的地球，其深部是熾熱的，一部分熱量源自這顆行星劇烈形成過程后殘留的余溫，更多則來自地層中放射性元素的持續(xù)衰變。有時，地球這座隱秘的熔爐會用戲劇性的方式顯示自身的熱量，比如火山、間歇泉和巖漿流——它們景象壯觀且極具實用價值，前提是我們懂得如何利用。
傳統地熱發(fā)電一般只擅長在那些大自然替我們“鋪好路”的地方施展拳腳，比如斷層線使地殼開裂，讓熱水或蒸汽上涌至近地表的位置。正因如此，冰島、新西蘭、肯尼亞、印度尼西亞等國能將地熱轉化為家庭供暖和電網電力，但其他大部分地區(qū)卻與開發(fā)這種能源無緣。
地熱不會像太陽能那樣因日落而減弱，也不會如風能般因風停而中斷，其吸引力顯而易見。過去十年，鉆井技術的進步開始將地熱能從地質條件的枷鎖中解放出來：一些項目致力于改良自然，比如在巖層中人為制造裂隙；另一些則更為大膽，它們挺進地心深處，讓地熱發(fā)電幾乎能在地球任何角落實現。
地熱能源開發(fā)公司Quaise Energy的聯合創(chuàng)始人馬特·霍德說：“我們的終極目標是讓地熱能覆蓋全球。”也就是讓它從一種小眾資源躍升為大規(guī)模能源。
困在局地的理想能源
為了將地球內部的熱量轉化為能源，工程師們將冷水泵入熱巖層中天然的儲集空間。冷水被加熱后，以熱水或蒸汽的形式返回地表，驅動渦輪機并發(fā)電。隨后，這些水被重新注回地下，開啟新一輪循環(huán)。
與化石燃料不同，地熱能在人類時間尺度上近乎取之不盡。霍德說：“如果以地殼內儲存的能量來衡量，地熱能比所有碳氫化合物的總和高出好幾個數量級?！眴栴}在于，傳統地熱發(fā)電需要同時具備三個要素：熱量、水，以及具備足夠滲透性或有裂隙的巖層。因此，傳統地熱系統的選址非常受限，這也是為什么地熱能在冰島蓬勃發(fā)展。
冰島橫跨大西洋中脊，上述核心要素異常富集。20世紀70年代的全球石油危機促使冰島抓住了這一天然優(yōu)勢，如今，地熱能已占該國電力供應的1/4以上。聽起來可能不算驚人，但冰島的地熱電廠無論陰晴雨雪都能持續(xù)發(fā)電，是該國電網穩(wěn)定的支柱。英國帝國理工學院可持續(xù)能源專家伊恩·斯塔費爾表示：“地熱是讓低碳電力系統順暢運轉的理想粘合劑。”
上世紀70年代的全球石油危機促使冰島抓住了發(fā)展地熱能的天然優(yōu)勢。如今，地熱能已占該國電力供應的1/4以上。視覺中國
然而大多數國家沒有冰島的好運氣。它們或許有熱、有水、或者破碎的巖層，但三者常常不能兼得，更別提深度還要易于開采。傳統地熱電廠一般只能開發(fā)地下2千米以內的熱能，再往下，鉆頭以及鉆井都要承受極端高溫高壓，工程難度急劇攀升。即便闖過這些難關，假如巖層太過致密，水還是無法流入其中。
但開采深部地熱的潛在回報巨大。國際能源署估計，假設人們能開采至地下約8千米，地熱潛在能量約為當前全球電力需求的150倍。為此，工程師想要鉆得更深，在大自然未能提供通道的地方打造地下管網。
造裂縫但不要造地震
第一類新型地熱技術瞄準地下2至10千米。工程師向高溫但不透水的巖層注入高壓水，打開或加寬巖縫，制造流體循環(huán)通道。這種“增強型地熱系統”是地熱新時代最成熟的技術。
但這種方法存在隱患。2023年的一項研究顯示，向深層巖層強行注水，除了會造出有用的裂縫，還可能驚擾古老斷層。許多斷層原本處于脆弱的應力平衡之下，像一本厚重的書斜放在桌沿，靠摩擦力維持靜止；注水等于在斷層之間撐開一道縫，會削弱將兩者壓緊的力——對于本就瀕臨滑動的斷層而言，這足以誘發(fā)地震。
一項韓國政府委托的調查認定：2017年，一個增強型地熱項目曾在浦項市引發(fā)5.5級地震，造成80余人受傷，損失3千億韓元（約合14億元人民幣），是該國歷史上破壞性最強的地震之一。
美國斯坦福大學的比爾·埃爾斯沃思曾參與該調查，協助厘清地熱電站在這場災難中的角色。他表示，工人們在浦項鉆了幾口相距很遠的井，原本設想向其中一口井注水，讓巖層產生足夠多的裂縫，延伸至另一口井，從而在兩井之間形成水流通道并吸收熱量。但在地下強行建立這種連接存在風險，尤其是當它穿過已處于滑動邊緣的斷層時。
埃爾斯沃思表示，這就是為什么如今的新項目會嘗試更審慎的做法。例如在冰島，工程師試圖以更溫和的方式構建增強型地熱儲層：他們緩慢地、以相對較低的壓力注入冷水，而不是一次性暴力壓裂。冰島能源公司HS Orka的資源部執(zhí)行副總裁莉莉亞·馬格努斯多蒂爾介紹，經過數月緩慢注入，冷卻的巖石會收縮并產生裂縫。
冰島還有一個優(yōu)勢——地震頻發(fā)，因此它早已在地震監(jiān)測上投入巨資。HS Orka甚至就地取材，以地熱井作為早期預警傳感器。當巖漿開始移動，擠壓周圍的巖石，就會在井內產生一種特征信號。馬格努斯多蒂爾說：“這是一個非常巧妙的設計?！?/p>
在地底鋪“閉環(huán)管道”
即便增強型地熱項目已嘗試管控地震風險，但以堅硬巖石為基礎的管道系統仍不可靠，流體可能泄漏，裂縫也可能引發(fā)其他危險，解決辦法之一是徹底不再依賴巖層來輸送水。
在沒有天然裂縫和儲層的地方，一種替代方案是在高溫巖層中鉆出一個密封的循環(huán)回路：先垂直向下鉆，再橫向鉆進，隨后用鋼材和水泥襯砌將地下鉆孔密封，形成類似埋地散熱器的結構——流體在其中循環(huán)，但始終不與巖石直接接觸。
這種閉環(huán)系統被稱為“先進地熱系統”。由于它不會強行撐開巖層制造裂縫，誘發(fā)地震的風險大幅降低；同時，它也不需要持續(xù)向裂縫中注水和抽水，風險再度降低。加拿大能源公司Eavor已在德國格雷茨里德用這項技術建成了地熱電廠，該廠于2022年動工，2025年底開始發(fā)電。
兩種新型地熱技術示意圖
該技術還有另一個潛在優(yōu)勢，既然工質流體始終在密封管道內，它就不必是水，而可以是導熱效率更高的流體。中國華能集團已建成首座超臨界二氧化碳地熱示范項目，二氧化碳經過壓縮和加熱，變成一種介于氣態(tài)與液態(tài)之間的特殊狀態(tài)。在此狀態(tài)下，它密度大、流動性強，傳熱性能極為出色。該試驗設施已于今年5月在中國鄭州投入運行。
但這種系統也存在問題。由于部分管網被巖石碎屑堵塞，Eavor公司最終比原計劃縮減了鉆井數量。如今工廠雖然保持運轉，但效率未達預期。這就引出對其商業(yè)價值的擔憂。埃爾斯沃思說：“單一閉環(huán)系統的構想能否真正走通，目前尚無定論，得靠時間證明?！?/p>
挺進地球更深處
雖然先進地熱系統可能更安全、更清潔，但它仍然只適用于在可及深度內的熱巖層（通常不過地下幾千米）。要讓地熱真正走向全球，能源公司必須鉆得更深。霍德說：“嚴格來說，只要鉆得足夠深，在全球任何地方都可獲取地熱?！?/p>
越往深處，地球越熱，只要壓力足夠，水就會在大約374℃越過一個奇異的臨界點，轉化為超臨界流體，其攜帶熱量的能力遠超普通熱水或蒸汽，類似于華能示范電廠中的二氧化碳。
超臨界溫度通常出現在地表下至少5至20千米的深度。但越往下，巖石越硬，不再是近地表常見的較軟沉積巖層，多為玄武巖或花崗巖，會快速損耗最堅硬的碳化鎢或金剛石鉆頭?；舻卤硎?，工程師們把大量時間用于更換磨損或失效的鉆頭及設備，這會讓成本飛速攀升。
Quaise公司希望換一種方式來鉆井——完全不用鉆頭。他們計劃在井眼上部采用傳統方法鉆井，一旦巖層過硬，就切換為高功率微波能量鉆井法——在井壁襯以波紋鋼板，幫助微波向下傳導；當微波能量擊中巖層，會將巖石加熱至開裂、破碎甚至汽化。巖石被破碎成極細的粉末后，被高壓氮氣從井中帶到地面收集。
除了Quaise公司，斯洛伐克的GA Drilling公司也在研究非接觸式鉆井，他們基于激光和等離子體系統，已于2023年完成了首次現場測試。
QuaiseEnergy使用毫米波穿透在深海發(fā)現的堅硬巖石
一旦鉆井完成，Quaise計劃打造一個深層、類似增強型地熱系統的儲層，將水注入超高溫巖石裂縫，吸熱后返回地表發(fā)電。他們的測試井深度僅幾千米，被視為一個更大規(guī)模項目的概念驗證。其規(guī)劃的首座超熱地熱電廠位于美國俄勒岡州，可在3至5千米深度獲取400℃高溫，預計2030年投運?！暗?035年，我們希望第一口深度超過10千米的超高溫井可以開始發(fā)電?！被舻孪嘈?，這種技術有望把世界上任何地區(qū)轉化為地熱資源區(qū)。
但埃爾斯沃思也提出質疑：如此深井，能否在地底的巨大壓力下保持暢通？因此，驗證超高溫地熱只是第一步，隨著深度推進，工程挑戰(zhàn)只會越來越大。
冰島成未來試驗場
目前，作為下一代地熱技術試驗場，冰島并沒有滿足于現有的成功，而是希望為世界驗證各種未來的地熱開發(fā)路徑。
據馬格努斯多蒂爾介紹，由冰島主要能源企業(yè)及能源管理局組成的“冰島深鉆項目”所鉆的第二口井已于2017年完工，深達4.7千米，是該國最深的地熱井，也是全球第一口達到超臨界條件的地熱井。
目前，冰島的運營商們還在使用增強型地熱技術，刺激更深處的斷層，讓現有地熱田能夠利用到比當前再深入地下約1千米的巖層熱量。明年，“冰島深鉆項目”計劃鉆探第三口井。據估算，這口井只需鉆到略深于2千米，就有望將水加熱到超臨界狀態(tài)。但即使在這一相對較淺的深度，工程挑戰(zhàn)依然嚴峻，核心是如何在高溫下保持井筒完整，因為，襯在井內的鋼制套管此時可能已膨脹、變形甚至失效。工程師一直在測試各種解決方案，包括在套管各段之間安裝柔性連接件。
地熱項目由于前期投資高昂、驗證過程緩慢，開發(fā)商往往要在商業(yè)可行性充滿未知的情況下，開展工程技術探索，并獲得試驗許可，以贏得投資者的青睞。不過，耐心的回報將異常持久。歐洲地熱委員會的桑吉夫·庫馬爾表示，“一旦完成地下鉆井，就能用上100多年。”
這既體現了地熱能的潛力，也是它所遇到難題的縮影?！拔覀兌贾溃绻荛_采到極深層的地熱，那將非常了不起?！卑査刮炙颊f，“只是，我們目前尚不清楚這到底可不可行?！?/p>
責任編輯：王萍
