摘要：世界上有些地方，地热能会直接冒出地面。冰岛有 200 多座火山和数十处天然温泉，利用这种能源并不难。冰岛各地遍布着热气腾腾的水池，这些水池由地壳下方燃烧的地热火加热。间歇泉将沸腾的水和蒸汽喷射到空中。
我们脚下蕴藏着几乎取之不尽的能源，但尽管少数幸运的地方拥有接近地表的地热，但世界其他地方仍需要挖得更深。挑战在于如何挖得足够深。
世界上有些地方，地热能会直接冒出地面。冰岛有 200 多座火山和数十处天然温泉，利用这种能源并不难。冰岛各地遍布着热气腾腾的水池，这些水池由地壳下方燃烧的地热火加热。间歇泉将沸腾的水和蒸汽喷射到空中。
目前，冰岛85% 的房屋都使用地热能源供暖，而该国 25% 的电力也来自利用地下热能的发电站。这是一个诱人的前景——几乎无限的能源供应等待开发。
但地热能是地球上取之不尽、用之不竭的绿色能源。与风能或太阳能不同，地热能“永远可用”，因为热量不断从地球的熔融核心和地壳中自然产生的放射性元素的衰变中散发出来。事实上，地球在冷却过程中释放出如此巨大的能量，以至于每年散失到太空中的热量足以满足世界总能源需求的许多倍。
挑战在于如何利用这种能量。
目前，全球仅有 32 个国家运营着地热发电厂。全球仅有不到 700 座发电厂，2023 年发电量约为 97 太瓦时 (TWh)。这还不到美国太阳能发电量的一半，也远远低于地热能对全球能源结构的潜在贡献估计。有人估计，到本世纪中叶，地热能每年可贡献约800 - 1400TWh的电力，每年还可贡献 3,300-3800TWh 的热量。
美国国家可再生能源实验室（NREL）地热项目经理阿曼达·科尔克在发布2023年地热能潜力报告时指出：“地球本身有潜力解决向清洁能源未来过渡过程中的各种障碍。 ”
但并非每个国家都像冰岛一样幸运，在冰岛，人们可以轻易地从地表附近获取温度约为 120-240 摄氏度 (248-464 华氏度)的热水。在该国其他地区，钻至地下 1.5 英里 (2.5 公里) 深处的井可获取温度高达 350 摄氏度 (662 华氏度) 的水。例如，冰岛位于雷克雅内斯的主要地热场已在地下 2.9 英里 (4.6 公里) 处钻探了实验井，以获取温度高达 600 摄氏度 (1112 华氏度) 的过热流体。目前，人们正在使用较浅的井进行日常热量提取，这些井的温度约为 320 摄氏度 (608 华氏度)，每年可产生 720 千兆瓦时 (GWh) 的电力。
地热能尚未普及的一个原因是开采地热能需要大量的前期投资。但目前为止，我们还没有能力真正地开发地热能。
为了让世界其他地区也能享受到地热这一清洁能源资源，我们需要进行更深的钻探，以达到发电所需的温度，或为附近社区提供大规模供暖。
在冰岛等靠近地表的地方，利用地球散发的热量相对容易。
在地球的大部分地区，地壳每下沉一公里，温度平均上升 25-30 摄氏度（45-54 华氏度）。例如，根据英国地质调查局的数据，在英国，地下 5 公里（3 英里）处的温度约为 140 摄氏度（284 华氏度）。
然而，如果钻得足够深，水温可能会超过 374C (705F)，压力超过 220 巴（1 巴是海平面地球表面的平均压力）。此时，水进入一种能量密集的状态，即超临界状态，此时水既不是液体也不是气体。水温越高、压力越大，它所含的能量就越大。
事实上，根据国家可再生能源实验室的数据 ，单个超热地热井产生的能量是当今商业地热井产生的能量的5 到 10 倍。
然而，一个主要障碍是，传统的旋转钻机（即使是那些带有金刚石的钻头）无法达到达到这种温度所需的深度。在地质条件不确定、温度极高、压力巨大的神秘深层地下世界中，钻机部件经常出现故障，而防止孔洞堵塞则是一场持久战。
例如，2009 年，冰岛深层钻探项目的一支团队在钻入克拉夫拉火山的岩浆室时无意中触及了超临界条件，该岩浆室位于地表以下约 1.2 英里（2 公里）。从该井中喷出的过热蒸汽酸性极强，难以使用。高压和高温也使其难以控制，不得不间歇性地排放约两年，直到阀门故障迫使井口密封。
深钻也可能是一项昂贵且耗时的工程。
然而，人类迄今挖出的最深的洞可以追溯到冷战时期，当时超级大国之间展开了一场竞赛，希望钻得尽可能深。苏联人成功钻穿了 7.6 英里（12.2 公里）厚的岩石，在北极圈高处的科拉半岛上创造了科拉超深钻孔。他们花了近 20 年的时间才到达这个深度，这仍然是人类钻入地球的最深处。（阅读Mark Piesing 撰写的这篇文章，了解有关科拉超深钻孔的更多信息。）
NREL 估计，采用现有技术，钻探一口1 公里深的井的成本约为 200 万美元（157 万英镑），而钻探四倍深度的井的成本则在 600 万至 1000 万美元之间（470 万至 787 万英镑）。
然而，与传统地热相比，深层地热能可以节省大量成本，因为地壳深处的温度和压力更高。一些研究表明，深层地热能可以为社区供暖，成本与其他形式的供暖（如使用天然气）相似，但温室气体排放量更少。
考虑到这一点，一些先驱研究人员和公司正在转向新型钻头和钻井技术，以钻出一些有史以来最深的孔，希望将地热能带到世界各地那些从未想过的地区。
例如，麻省理工学院 (MIT) 的子公司 Quaise Energy 的目标是钻深达 12 英里 (20 公里) 的洞，以获得 500C (932F) 或更高的温度。为此，他们正在使用一种工具，该工具借鉴了多年来对核聚变能的研究。“当其他人把铲子埋入地下时，我们首次将微波放入地下，”该公司的联合创始人马特·豪德 (Matt Houde) 说。
他和同事正在试验毫米波定向能量束，这种能量束甚至可以蒸发最坚硬的岩石。它将类似于微波但频率更高的高能辐射束聚焦到岩石上，加热到 3,000 摄氏度 (5,432 华氏度)，使其熔化并蒸发。通过引导光束穿透岩石，可以在不产生传统钻井技术产生的碎屑和摩擦的情况下钻孔。
“毫米波钻探过程在很大程度上不受深度影响，”Houde 说道。“而且毫米波能量还可以穿过肮脏、布满灰尘的环境。”
该技术源于麻省理工学院等离子体科学与聚变中心工程师保罗·沃斯科夫进行的核聚变等离子体实验。自 20 世纪 70 年代以来，人们一直在探索毫米波定向能作为加热核聚变反应堆等离子体的方法，但几年前，沃斯科夫发现了该技术的另一个用途。他开始使用一种名为回旋管的设备产生的毫米波光束来熔化岩石。
但到目前为止，该技术仅在实验室中进行了测试，在相对较小的岩石样本上钻出浅孔，但该公司声称它可以以每小时约 3.5 米（11.5 英尺）的速度钻穿岩石。虽然与传统钻井技术相比，这很慢，但它还有其他好处，因为“钻头”不会在岩石上进行物理研磨，因此不会磨损或需要更换。Quaise Energy 目前正处于毫米波技术实验室测试的最后阶段，将于 2025 年初开始现场试验。
该技术源于麻省理工学院等离子体科学与聚变中心工程师保罗·沃斯科夫进行的核聚变等离子体实验。自 20 世纪 70 年代以来，人们一直在探索毫米波定向能作为加热核聚变反应堆等离子体的方法，但几年前，沃斯科夫发现了该技术的另一个用途。他开始使用一种名为回旋管的设备产生的毫米波光束来熔化岩石。
但将毫米波钻井技术从实验室转移到全面钻井作业仍然是一个挑战。
“它们以前从未在深层高压地下环境中使用过，”沃斯科说。“由于钻井中应用了强烈的能量-物质相互作用而产生的变化需要新的学习曲线。”
与此同时，斯洛伐克 GA Drilling 公司正在探索一种不同的高能钻井技术，用于钻入地壳。该公司使用脉冲等离子钻井，这种钻井基于非常短的高能电放电，可以分解岩石而不会使其熔化。这样可以避免产生任何粘稠的熔岩，这些熔岩很难去除，并会阻止钻头进一步钻入。“由于该过程非常迅速，短冲击会粉碎岩石，因此没有时间形成熔岩——因此拔出和更换钻头的需要大大减少，”GA Drilling 首席执行官兼董事长 Igor Kocis 说道。“我们目前的发展计划的目标是 5 到 8 公里（3-5 英里）——以后是 10 公里以上，”他补充道。“这些深度将使几乎所有人都能获得地热能。”
脉冲等离子钻头的研究是欧洲地热能与地质流体 (GEG) 集团牵头、德国和瑞士合作伙伴共同探索的另一条途径。脉冲等离子钻头使用非常短的能量脉冲，利用温度高达 6,000C (10,832F) 的电离气体分解岩石。
GA Drilling 还与牛津大学工程科学副教授 Konstantina Vogiatzaki 合作，采用高级数学研究如何控制超临界流体，以利用通过等离子钻探获得的深层地球能源。“我们致力于确定全尺寸钻探工具的最佳燃烧系统，为通过等离子钻探控制超高压燃烧开辟新视野，”Vogiatzaki 说。
其他人则将目光投向地球之外，寻找能够帮助我们深入地球的方法。为在金星灼热表面（温度可达 475 摄氏度 (887 华氏度)）进行行星探索任务而开发的技术正被地热钻探公司采用。总部位于阿肯色州费耶特维尔的电子产品制造商 Ozark Integrated Circuits 一直在改进能够承受极端温度的电路，这些电路可用于地球深处的地热钻探设备。
与此同时，斯洛伐克 GA Drilling 公司正在探索一种不同的高能钻井技术，用于钻入地壳。该公司使用脉冲等离子钻井，这种钻井基于非常短的高能电放电，可以分解岩石而不会使其熔化。这样可以避免产生任何粘稠的熔岩，这些熔岩很难去除，并会阻止钻头进一步钻入。“由于该过程非常迅速，短冲击会粉碎岩石，因此没有时间形成熔岩——因此拔出和更换钻头的需要大大减少，”GA Drilling 首席执行官兼董事长 Igor Kocis 说道。“我们目前的发展计划的目标是 5 到 8 公里（3-5 英里）——以后是 10 公里以上，”他补充道。“这些深度将使几乎所有人都能获得地热能。”
脉冲等离子钻头的研究是欧洲地热能与地质流体 (GEG) 集团牵头、德国和瑞士合作伙伴共同探索的另一条途径。脉冲等离子钻头使用非常短的能量脉冲，利用温度高达 6,000C (10,832F) 的电离气体分解岩石。
GA Drilling 还与牛津大学工程科学副教授 Konstantina Vogiatzaki 合作，采用高级数学研究如何控制超临界流体，以利用通过等离子钻探获得的深层地球能源。“我们致力于确定全尺寸钻探工具的最佳燃烧系统，为通过等离子钻探控制超高压燃烧开辟新视野，”Vogiatzaki 说。
其他人则将目光投向地球之外，寻找能够帮助我们深入地球的方法。为在金星灼热表面（温度可达 475 摄氏度 (887 华氏度)）进行行星探索任务而开发的技术正被地热钻探公司采用。总部位于阿肯色州费耶特维尔的电子产品制造商 Ozark Integrated Circuits 一直在改进能够承受极端温度的电路，这些电路可用于地球深处的地热钻探设备。
冰岛雷克雅内斯半岛的冰岛深层钻探项目已钻出深达 2.9 英里（4.6 公里）的井。
就国家可再生能源实验室 (NREL) 而言，它已开始利用人工智能来分析复杂的地下环境，试图找到钻探超临界水的最佳地点，并帮助预测和检测钻头故障，以免造成重大问题。
一些公司已经开始向地球深处进军。地热公司 Eavor 告诉 BBC，2024 年，它在德国巴伐利亚州格雷斯特里德的一个地点使用两口垂直井达到了 3 英里（5 公里）的深度。该公司一直在使用欧洲最大的两座陆基钻井平台，努力 在格雷斯特里德建立一个商业规模的工厂 ，旨在通过在一个称为 Eavor 环路的闭环设计内循环水将地热带到地面。该系统的工作原理就像一个巨大的散热器，环路中的冷水在地下被加热，然后回到地面，在那里将用于发电，并通过区域供热系统输送到附近的家庭。Eavor 首席执行官兼总裁约翰·雷德芬 (John Redfern) 表示，Eavor 预计将于 2025 年上半年开始在该地点发电。
地质学家兼 Eavor 联合创始人 Jeanine Vany 表示：“我们的技术有望在未来钻探至 11 公里（6.8 英里）。我相信，在未来三到五年内，我们可以在解锁超热岩石方面取得有意义的进展。”
他们的闭环方法还有助于避免从深层地热井中提取过热水时可能发生的一些污染问题 - 正如冰岛深层钻探项目在 2009 年发现的那样。它还可以帮助减少开环地热系统可能排放的有害气体，例如硫化氢。
瓦尼还指出，深层地热能不需要占用地表太多空间，这意味着它将来可以进入城市地区。
就国家可再生能源实验室 (NREL) 而言，它已开始利用人工智能来分析复杂的地下环境，试图找到钻探超临界水的最佳地点，并帮助预测和检测钻头故障，以免造成重大问题。
一些公司已经开始向地球深处进军。地热公司 Eavor 告诉 BBC，2024 年，它在德国巴伐利亚州格雷斯特里德的一个地点使用两口垂直井达到了 3 英里（5 公里）的深度。该公司一直在使用欧洲最大的两座陆基钻井平台，努力 在格雷斯特里德建立一个商业规模的工厂 ，旨在通过在一个称为 Eavor 环路的闭环设计内循环水将地热带到地面。该系统的工作原理就像一个巨大的散热器，环路中的冷水在地下被加热，然后回到地面，在那里将用于发电，并通过区域供热系统输送到附近的家庭。Eavor 首席执行官兼总裁约翰·雷德芬 (John Redfern) 表示，Eavor 预计将于 2025 年上半年开始在该地点发电。
地质学家兼 Eavor 联合创始人 Jeanine Vany 表示：“我们的技术有望在未来钻探至 11 公里（6.8 英里）。我相信，在未来三到五年内，我们可以在解锁超热岩石方面取得有意义的进展。”
毫米波定向能可以应对不同类型的岩石，但尚未在现场得到证实。
但还有其他问题需要克服。目前还不清楚深层地热井的维护和防止堵塞的难易程度。
在各国纷纷放弃传统的碳排放能源之际，开发深层地热能源的举措也可能为老化的化石燃料发电站带来新的生机。将旧的煤电站改造成地热发电厂，可以让蒸汽发电机获得第二次生命，并利用现有的输电线路加快地热发电厂的建设。沃斯科夫在纽约州北部发现了一座废弃的煤电厂，他希望这座电厂能在本世纪末之前重新投入使用 ，利用地下深处的热量发电。
这种转变颇具诗意——曾经依靠从地下挖出的肮脏燃料运行的发电站，如今利用来自地下更深处的能源，在清洁能源革命中获得了新生。
问题是——他们能挖得足够深吗？
来源：大头国际观