在內華達沙漠乾燥的廣闊地帶，一座不尋常的發電廠閃閃發光，它利用的能量並非來自太陽或風，而是來自地球本身。
這個名為“紅色專案”的地點，將水泵入地下數千英尺深處，那裡的岩石熱到足以烤熟火雞。這座建築物日夜不停地將加熱後的水抽回地面；然後用來驅動發電機。自去年 11 月以來，這種零碳、地球產生的電力一直在流向內華達州當地的電網。
地熱能雖然不斷地從地球超熱的地核輻射出來，但長期以來一直是一種相對小眾的電力來源，主要侷限於冰島等火山地區，那裡的溫泉從地下湧出。但地熱愛好者一直夢想在沒有這種特定地質條件的地方獲取地球能量——就像能源初創公司 Fervo Energy 開發的“紅色專案”內華達州所在地一樣。
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這種下一代地熱系統已經研發了幾十年，但事實證明它們既昂貴又在技術上難以實現，有時甚至引發地震。一些專家希望，像“紅色專案”這樣的較新嘗試，透過利用石油和天然氣開採中磨練的技術來提高可靠性和成本效益，可能最終標誌著一個轉折點。
這些進步使人們充滿希望，即隨著時間和資金的投入，地熱能——目前產生的電力不到世界電力的 1%，並且在美國電力中佔 0.4%——可能成為主流能源。一些人認為，地熱能可能是能源系統從化石燃料轉型的一個有價值的工具，因為它可以為太陽能和風能等間歇效能源提供持續的後備。“對我來說，長期以來，它一直是*有*前景的能源，”斯坦福大學的能源工程師羅蘭·霍恩說。“但現在我們正朝著無碳電網邁進，地熱能非常重要。”
坎坷的開端
地熱能*適合*的兩個條件是：熱量，加上滲透性足以輸送水的岩石。在熔岩靠近地表炙烤的地方，水會滲入多孔的火山岩，變熱並向上冒泡，形成熱水、蒸汽或兩者兼有。
如果水或蒸汽足夠熱——理想情況下至少在 300 華氏度左右——就可以從地下提取出來，並用於驅動發電機發電。在肯亞，近 50% 的電力來自地熱。冰島 25% 的電力來自這種來源，紐西蘭約為 18%，加利福尼亞州為 6%。
地質學家、地熱能源諮詢公司 GeothermEx（油田服務公司 SLB 的一個部門）總裁安·羅伯遜-泰特說，美國西部等地仍有一些天然地熱資源尚未開發。但總的來說，我們正在耗盡天然、高質量的地熱資源，促使專家們考慮從更難獲取能源的地區提取地熱能。“地球內部蘊藏著如此多的熱量，”羅伯遜-泰特說。但是，她補充說，“其中大部分都被鎖在不透水的岩石中。”
要利用這種熱量，需要深鑽井並在這些非火山、緻密的岩石中製造裂縫，以便水流過。自 1970 年以來，工程師們一直在開發“增強型地熱系統”(EGS)，它正是這樣做的，應用了類似於水力壓裂（或壓裂）的方法，用於從深層岩石中吸取石油和天然氣。水在高壓下被泵入深達數英里的井中，以炸裂岩石中的裂縫。破裂的岩石和水形成一個地下散熱器，水在其中加熱，然後透過第二口井上升到地面。在美國、歐洲、澳大利亞和日本已經建造了數十個這樣的 EGS 裝置——其中大多數是實驗性的並且由政府資助——但成功與否參半。
*著名的*是，韓國的一座 EGS 電廠在可能引發 5.5 級地震後於 2017 年突然關閉；任何型別的水力壓裂都可能增加附近構造斷層的壓力。其他問題是技術性的——一些電廠沒有產生足夠的裂縫來進行良好的熱交換，或者裂縫朝著錯誤的方向延伸，未能連線兩口井。
然而，一些努力變成了可行的發電廠，包括 1987 年至 2012 年間在萊茵河谷建造的幾個德國和法國系統。在那裡，工程師們利用了岩石中現有的裂縫。
但是，總的來說，將 EGS 發展成為一種更可靠和更有利可圖的技術，還沒有足夠的興趣，能源研究機構弗勞恩霍夫 IEG（位於德國卡爾斯魯厄）的地球物理學家迪米特拉·特扎說，她曾幫助開發了一些萊茵河谷 EGS 系統。“對於這個行業來說，這非常艱難。”
長期以來，地熱發電一直僅限於地下熱量容易獲取的火山地區。但新型發電廠使在世界其他地方獲取地熱成為可能。
5W 資訊圖/可知；來源：卡塔琳娜·齊默爾的報道
新動力
安全和技術問題都有解決方案。事實上，存在避免地震的健全協議，例如不在活動斷層附近鑽探。對法國和德國執行的 EGS 電廠的長期監測表明，只有輕微的震動，這增強了人們對該技術安全性的信心。重要的是，由於 2010 年代開始的頁岩岩石石油和天然氣開採熱潮，鑽井和壓裂方法取得了突飛猛進的進步。“從那時起，我們看到了對 EGS 概念的重新興趣，因為 EGS 的核心技術在那段時間得到了完善，並且成本大幅降低，”普林斯頓大學的能源系統研究員威爾遜·裡克斯說。
例如，2015 年，美國能源部在猶他州啟動了一個研究基地，專門用於推進 EGS 技術。幾家新的北美初創公司，包括Sage Geosystems和E2E Energy Solutions，分別在德克薩斯州和加拿大開發新的 EGS 系統。*先進*的是 Fervo Energy，它在其內華達州所在地應用了頁岩行業的幾項技術；電力現在供應當地電網，其中包括谷歌擁有的耗電資料儲存中心。（谷歌與 Fervo 合作開發了該電廠。）
工程師們向下鑽探了近 8,000 英尺進入內華達州的岩石，達到了近 380 華氏度的溫度，然後在底部鑽了另一個 3,250 英尺的水平井，以擴大系統接觸的熱岩石區域——這是一種用於石油和天然氣開採的技術，目的是*大限度*地提高產量。該公司還在水平井沿線的幾個地點壓裂了周圍的岩石，以形成更廣泛的裂縫網，供水滲透。從技術上講，與早期的 EGS 工作相比，“事實上，他們向前邁進了一大步，”Fervo 科學顧問委員會成員霍恩說。
這些新的 EGS 系統在長期內的表現如何，還有待觀察。裡克斯、一位普林斯頓同事和 Fervo Energy 的幾位專家*近*的研究表明，像 Fervo 這樣的系統的一個優勢是，它們可以透過利用能源價格波動來提高盈利能力。運營商可以堵住出口井，導致水在系統內部積聚，積聚壓力和熱量。然後在能源*有價值*的時候提取能量——例如在多雲或無風時期，太陽能或風能無法工作時。
裡克斯說，儘管如此，這種系統仍需要大規模擴大規模才能在商業上可行。雖然“紅色專案”提供了足夠的蒸汽來產生 3.5 兆瓦的電力，足以滿足 2,500 多個家庭的需求，並且超過了任何其他 EGS 電廠，但它仍然相對較小；核電站或燃煤電廠可以輕鬆地擁有 1,000 兆瓦的輸出，而大型太陽能或傳統地熱電廠通常產生數百兆瓦。
裡克斯說，EGS 領域現在需要的是資金，以建造和測試更多此類系統，以激發投資者的信心。“所有這些都需要得到充分的驗證，直到人們認為風險很低為止，”他說。
地熱能的轉折點？
為此，美國能源部*近*向三個 EGS 和相關技術的示範專案撥款 6000 萬美元，作為加速 EGS 發展的更廣泛計劃的一部分。該機構 2019 年的一份報告估計，隨著 EGS 的進步，到 2050 年，地熱發電可能代表美國約 60 吉瓦（60,000 兆瓦）的裝機容量，產生該國 8.5% 的電力——比今天增加 20 多倍。
即使增加幾個百分點，也可能有助於全球能源轉型，其目標是在 2050 年實現淨零碳排放。最近與人合著了《環境與資源年評》中關於可再生能源全球展望文章的尼爾斯·安格利維爾·德拉博梅爾說：“如果在十五年、二十年後，EGS 是可行的，我認為它可以發揮巨大的作用。”
其他地熱技術也可能有所幫助。一些公司正在探索“超熱岩石”地熱的可行性——本質上，這是一種年輕的極端 EGS 變體，它涉及更深地鑽入地殼，到達水達到“超臨界”蒸汽狀狀態的深度，這種狀態允許它攜帶比蒸汽或液體更多的能量。在德國南部，能源公司 Eavor 正在建造世界上*個“閉環”地熱系統：一旦管道將水輸送到深層岩石中，系統就會擴充套件成一個平行的鑽孔網路，而水永遠不會滲透到岩石中。特扎說，這是一種更可預測——儘管效率較低——的加熱水的方式，因為它不涉及以正確的方式壓裂岩石的不確定性。“我真的很高興看到對這些技術的投資，”她說。“我認為這隻能有所幫助。”
總的來說，對於地熱能來說，這是一個重要的時刻——不僅僅是為了提供零碳電力，羅伯遜-泰特說。從地球中提取出來的地熱滷水富含鋰和其他關鍵礦物，可用於製造太陽能電池板和電動汽車電池等綠色技術。人們越來越強烈地推動使用直接地熱來為建築物供暖，無論是透過住宅建築的淺層熱泵，還是為整個區域設計的大型系統——就像巴黎和慕尼黑已經擁有的那樣。
羅伯遜-泰特說，一些石油和天然氣公司認識到變革即將來臨，對建造各種地熱系統越來越感興趣。“我們的地球是地熱的，”她說，“所以我認為我們有義務盡一切努力來利用它。”