地下宝藏：地热能的挑战与机遇

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地下宝藏：地热能的挑战与机遇

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地热能是地球内部储存的热量资源，来自于地球内部的热核、岩浆的高温以及放射性物质的衰变。其作为一种可再生、清洁的能源，具有巨大的潜力和对人类的重要意义。

仅地表以下 10 千米以内的地热资源量，就大约相当于 1 亿亿吨标准煤。若能够利用其中的 2‰，按目前世界年消耗 210 亿吨标准煤计算，理论上便可以满足人类近千年的能源需求。地热能不仅储量丰富，还具有稳定、低碳和可再生等特征。稳定是指地热能可以一天 24 小时持续输出基本稳定的能量，不受天气、昼夜、季节影响；低碳是指地热能的开发利用过程中很少排放二氧化碳，是典型的非碳基能源；可再生则是指地球正处于青壮年期，地热能可从地球深部源源不断地向浅部传输。

地热能的利用形式多样，可用于发电、供暖、制冷、洗浴、烘干、养殖等。其中，地热发电利用效率高，每年可工作超过 8000 小时，连续稳定输出电能。目前，全球有 32 个国家实施了地热发电，总装机在 16 吉瓦左右；有 88 个国家运用地热开展除发电以外的直接利用，总装机约 173 吉瓦；中国利用地热进行供热制冷的装机量超过全球总量的一半。

地热能的开发利用涌现了众多新概念、新技术、新模式，如地球充电宝、地球电池、地球储能系统等。其原理是将夏季的余热、余电等经济性强却无法被及时利用的能量，以水或二氧化碳等工质为载体回灌至地球内部，以地热能的形式实现规模化的长时跨季节储能。目前，欧盟、美国国家科学基金会均支持了多个地下储热项目。我国也由中国科学院牵头，在雄安新区开展了高温含水层储热实验，取得了良好进展。

地热能取之于地球，又还地球以清洁。随着新技术、新模式的不断开发运用，地热利用将为全球能源结构转型提供持续动力。

开发热潮涌动

美国积极行动

美国在开发地热能方面表现出了极大的积极性。一家名为 Quaise Energy 的公司正在研发一款可以钻入地下 20 千米的微波钻头，能够获取大量地热能。美国能源部也投入了大量资金用于地热能研究。例如，计划投资 1.65 亿美元推动地热能发电项目，利用石油和天然气行业的专业知识解决地热能领域的开发障碍。此外，美国能源部还投资 3100 万美元支持新型地热技术研发，向 6 个创新项目提供资助，以推动新型地热技术的发展。美国能源部指出，如果地热能得到充分利用，到 2050 年，其发电量将占美国总发电量的 8.5%。

各国探索历程

苏联在 20 世纪 70 年代至 90 年代期间，为了研究地球内部结构，设计制作了科拉超深钻孔，并在科拉半岛开始了钻孔项目。整个钻探过程分为三个阶段，但前两个阶段钻井深度只达到了几千米，且过程中一直发生各种脱落意外事件。最终在 1989 年钻入 12262 米深，造就了钻井史上的最深记录。俄罗斯在萨哈林 - 1 油井上，使用当时最先进的钻井设备，刷新了世界最深油井记录，达到了 15000 米。但这距离地热开发所需的 20000 米仍有很大差距。

中国在中深层地热 “取热不取水” 技术方面取得重大突破。中国煤炭地质总局水文地质局在河北邯郸召开中深层地热 “取热不取水” 技术成果发布会。该项技术实现了工程突破、地热取热方式的根本性转变以及工程应用的突破。应用这一首创技术，在河北工程大学新校区建设了 3 号能源站，对约 10 万平方米的建筑物进行供暖。同时，中煤科工集团西安研究院高新院区地热 DZ01 井二开固井水泥浆上返地面，标志着我国中深层地热能单井换热式开采第一井顺利完井，绿色开发利用地热能技术实现新突破。我国大陆水热型地热能年可采资源量折合 18.65 亿吨标准煤，其中中低温水热型地热能资源占比达 95% 以上，主要分布在京津冀、陕西渭河盆地等地区。这些地区的地热资源丰富，对于供暖和其他相关产业的发展具有重要意义。

开采难题待解

技术障碍重重

钻井技术在开采地热能的过程中面临着诸多难题。首先，现有的钻井技术在面对地下复杂的地质环境时显得力不从心。不同地区的岩石性质和厚度各不相同，这给钻探工作带来了极大的不确定性。例如，在科拉超深井的钻探过程中，就遇到了各种不同类型和性质的岩石，使得钻探工作难以顺利进行。

岩石的硬度也是一个巨大的挑战。随着钻探深度的增加，岩石的硬度会逐渐增加。在深入地下 20 千米的过程中，可能会遇到极其坚硬的岩石，这对钻头和钻杆的要求极高。传统的钻头在面对这样的硬岩时，容易出现破损和脱落，大大降低了钻井效率。

高温高压同样是不可忽视的问题。随着钻探深度的增加，地下的温度和压力会逐渐增加。在科拉超深井的钻探过程中，温度高达 300 摄氏度以上，同时地下压力也很大。这样的高温高压环境给钻探设备带来了巨大的考验，设备的磨损和故障率也会随之增加。

此外，地质环境的复杂性也增加了开采的难度。地壳的结构非常复杂，导管在承受更高的压力和温度时，会给导管带来很大的挑战。同时，地下传来的巨大爆炸声、奇特的岩层和岩石以及地下微生物的生存环境等未解之谜，也给钻探工作带来了很大的不确定性。

能源并非无尽

地热能虽然具有巨大的潜力，但并非无尽的能源。虽然地球内部的放射性物质衰变会持续释放热量，但地球每年释放的能量是有限的。而且，地热能的开发利用也会面临不可再生性的问题。随着人类对地热能的不断开发，地球内部的热量会逐渐减少，虽然这个过程可能非常缓慢，但终究不是无限的。

此外，地热能的分布不均也给开采带来了困难。只有在地热区域才能进行有效的开发利用，而地球上大部分地区的地热能资源并不丰富，这就限制了地热能的开发规模。而且，地热能的开发需要建设相应的发电设施和传输网络，这需要巨大的资金投入和技术支持。同时，地热能的开采还可能对环境和地质生态系统造成影响，如地下采矿作业可能导致地质阻力的破坏，从而给地下水的流动带来不良影响。

未来何去何从

与核能对比优势

地热能与核能相比，具有独特的优势。首先，地热能的开发利用过程更加安全可靠。与核能可能存在的核泄漏风险不同，地热能在开发过程中几乎不会产生重大的安全事故，对环境和人类健康的影响极小。其次，地热能的分布相对较为广泛，虽然也存在一定的地域性，但相比核能设施的集中建设，地热能的开发可以在更多的地区进行，有利于实现能源的分布式供应。再者，地热能的开发利用成本相对较低。据统计，1 兆瓦地热能需要 350 万美元（约合 2300 万元人民币）的投资，而同样能量的核能则需要更高的投入。

发展前景广阔

在未来，地热能的开发前景十分广阔。随着技术的不断进步，地热能的开发利用效率将不断提高。例如，新型的地热发电技术可以将地热能的利用率提高到更高的水平，从而降低能源成本。同时，地热能与其他能源的综合利用也将成为未来的发展趋势。例如，地热能与太阳能、风能等可再生能源相结合，可以实现能源的互补供应，提高能源系统的稳定性和可靠性。

在全球能源结构转型的大背景下，地热能将发挥越来越重要的作用。根据国际能源署的预测，到 2030 年，全球地热发电总装机有望达到 48 吉瓦，直接利用总装机有望达到 520 吉瓦。在中国，地热能的开发利用也将迎来新的机遇。随着 “双碳” 目标的推进，地热能作为一种清洁、可再生的能源，将得到更多的政策支持和资金投入。预计到 2030 年，中国地热能供暖（制冷）面积将达到 1 亿平方米以上，成为全国领先的地热能开发利用大国。