地下滚烫的岩浆也能成为新能源？浅谈人类对干热岩的探索与利用

　　引言
　　130多亿年前，一次大爆炸形成了现在的宇宙。一开始，各种元素在宇宙中漫无目的地漂浮着，和其他元素碰撞融合，慢慢形成物质，最后演化为地球这类行星和各种天体。
　　此后，地球上的各种物质随着时间的推移发生变化，在这个过程中形成了我们如今所需的石油、矿、天然气等各种资源。
　　Tips：在太阳系形成的时候，宇宙中的尘埃因为引力场重新聚合，其中包含了大多数地球上的元素，这些元素伴随着陨石掉落在地球上，以化合态，单体态存在于土壤圈，富集的部分就成为矿脉，而三大化石燃料，就是自然界的有机物在通过生物体进行循环。
　　形成这些资源所需要的时间十分漫长，短时间内无法再生，而人类文明又在飞速发展，各种资源的形成速度远远跟不上人类的开采消耗速度，照这样下去，地球上的资源迟早有用完的一天。可燃冰：更加高效的清洁型新能源
　　这类传统能源在使用的时候非常容易对环境造成污染，废气的处理是一个相当棘手的问题。科学家们开始研究和寻找更加高效清洁的新能源，比如可燃冰就是其中一个较为成功的例子。可燃冰其实指的是甲烷气水包合物，水以固体形态用晶格把大量甲烷包含在内。
　　Tips：1934年，美国人哈默施密特（HammerSchmidt）在被堵塞的输气管道中发现了可以燃烧的冰块，这是人类首次发现甲烷气水合物。
　　可燃冰经常分布在海洋浅水区域的底部，或者是海洋深层的沉积之中。科学家推测，这种物质是天然气和水在高温低压下形成的。可燃冰具有分布广、总量大、能量密度高等特点，被认为是目前最有应用前景的新型替代能源。可燃冰开采难点
　　现在要面对的最大难题是可燃冰的开采方式。因为可燃冰在常温常压下极不稳定，无法像矿藏那样进行直接开采，现在为止提出的开采方法有三种设想，一热解法，二是降压法，三是二氧化碳置换法。
　　值得一提的是，第三种方法会使大量甲烷泄露，造成的温室效应比二氧化碳严重得多，会给地球环境带来非常严重的威胁。如果将地球上处在冰冻状态的甲烷全部解冻，甚至可能造成物种灭绝。
　　当大多数国家还在攻克可燃冰的开采和输送难题时，我国已经在2017年5月完成了可燃冰的试采，与此同时，我国还在不断进行其他新型能源的研发。
　　同年，我国在青海共和盆地首次钻取了236摄氏度的高温干热岩，并且在这里发现了大量可利用的干热岩资源。在发掘使用新型能源的道路上，我国又迈出了意义重大的一步。
　　地热资源：干热岩
　　那么，干热岩到底是何方神圣？
　　干热岩其实属于地热资源的一种。而地热能来自于地核散发的热量，这股热量穿过地幔时把岩浆加热至滚烫，再传达到最表层的地壳。同时，它也是引发火山喷发和地震的元凶。
　　目前我们只能对地壳浅层的地热资源进行开发，这需要适宜的地质条件，比如地壳破裂的地方，或是板块构造的边缘地带。
　　如果有一天能够发明出开发深层地热资源的技术，那么我们的能源问题自然也就解决了。因为地热能源与地球共生，只要地球还拥有生命力，地热就会源源不绝。
　　Tips：这种岩体的成分可以变化很大，绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩，但也可以是中新生代的变质岩，甚至是厚度巨大的块状沉积岩。人类对地热资源的运用
　　人类在很早以前就开始利用这种能量了，在早期只是直接使用被地热升温过后的水源，比如温泉和用于取暖的地下热水。
　　到了科技发达一些的近代，多将地热能用于农业方面，比如搭建温室培育农作物、控制环境水温提高水产养殖的效率等等。
　　直到20世纪50年代左右，人们才真正认识到了地热资源的可利用性，开始进行更进一步的开发使用。到了今天，这种能源多被用来发电，人们常在地热资源丰富的地区建造地热发电站。
　　Tips：中国目前采用20～25作为热水下限，国外大多以20为冷热水温度界限，但一般都把高于当地年均气温的地下水称为热水。冰岛：地热能丰富的国家
　　现在，各个国家都对地热能的进一步开发利用进行了不同的尝试，有的地方借助地理优势就能充分利用地热资源，比如被大西洋中脊穿过的冰岛。光听这个名字我们可能会认为这是一个十分寒冷的国家，事实上，冰岛并不冷。
　　冰岛位于两大地质板块之间，地面之下蕴含着丰富的地热能，冰岛整个国家的电力几乎都是由这些地热能提供的。借助这样的天时地利，冰岛成为了世界上清洁能源利用率最高的国家。也正是因为这些丰富的地热资源，冰岛虽然看起来冰天雪地，但到处都是温泉。
　　干热岩的开采与利用
　　地热资源分为水热型和干热岩型。其中，干热岩型比水热型的资源量要多得多。对于干热岩的定义，各个国家现在还没有达成共识。
　　不过，通常情况下我们认为，干热岩是一种埋在地下3到10公里处，温度大于180摄氏度，内部致密不透水的热岩体。我们在开采干热岩时，能够人工对这种岩体造成裂隙，再将冷水从裂隙中注入，等到冷水被加热成热水和水蒸气之后再将热量提取出来。
　　有研究人员称，地热资源是因为地核产生的，那么，只要深度足够，任何地方都能够开发出干热岩。
　　Tips：利用干热岩来发电，只需要在钻井初期投入人力物力，工程完成后，靠它自身能量转换出的电力就能够维持发电设备继续运转。
　　干热岩具有高效、清洁的特点，而且是可再生的。在干热岩的开发过程中，能够保证安全、环保，并且能够在具备高效率的同时节能。
　　而且干热岩还具有热能连续性不受季节气候影响、成本低等优势，如今已经成为了世界广泛关注的新型能源。
　　Tips：中国干热岩占所有地热资源的98，水热型地热资源只占2。
　　世界上第一个利用干热岩资源的项目是美国在1974年启动的，在这个项目的进行过程中，美国使用了先前开采页岩气的水力压裂技术，产出的干热岩最高温度为192摄氏度。
　　2008年，美国麻省理工学院发表了一篇名为《地热源的未来》的研究报告，在里面提出了增强地热系统技术的设想，认为可以用这种技术来开采干热岩。并且，美国很有希望在未来10到15年内实现干热岩开采技术的商业化使用。
　　在我们最开始使用地热能的时候，大多数都是直接利用的水热型地热资源，而干热岩附近并不常有丰富的水资源。
　　增强地热系统的工作方式则是通过注入冷水的方式将地层之间的缝隙扩宽，从而使地下水的流通效果更好，再由水充分吸收地热，最后把热水或是水蒸气收集起来提取热能。
　　这是目前最流行的开采方式，但也存在着一定的弊端，那就是我们暂时还无法精准控制地层裂隙扩宽的方向和程度。在这种工程中，误差是非常致命的，除了无法达到提取热能的目的之外，还有可能出现我们无法预料的结果。
　　而且，地层裂隙扩大，随之而来的就是地震风险的提升。如果没能开采到热能，还使这片区域成为了人造地震带，那就得不偿失了。
　　多个国家展开研究
　　1973年，英国也开始了对干热岩资源的开发研究，这项研究被命名为罗斯曼奴斯项目，因为是在罗斯曼奴斯火山地区进行的。
　　1977年，英国启动了历史上规模第二大的干热岩项目，不过，这次英国只探测到了2600米的深度，所测得的温度为100摄氏度。
　　在2009年，这个项目还获得了欧盟的赞助。目前，英国还计划对一处位于地下4千米的地热资源进行开发利用，发电站一旦建成，能够为英国提供十分之一的用电量。
　　1987年，法国、德国、英国合作进行干热岩相关的实验研究，在这个过程中不断摸索干热岩的开采技术，如今已经趋于成熟。1997年，国际能源署制定了为期四年的干热岩行动计划，除了美、德、英之外，澳大利亚、日本和瑞典也加入到了计划之中。
　　其中，澳大利亚是对干热岩研究起步最晚的国家。2003年，澳大利亚在库珀盆地进行干热岩项目的开发，据当时澳公司的网站称，在这个盆地下方，地热资源的储量和500亿桶油相当。澳大利亚这次的钻井深度达到了4500米，测得温度有270摄氏度。
　　第一个实现用干热岩稳定发电的是法国的Soultz发电站，这是1987年时德法合作的一个地热研究项目。
　　经过30多年的不断研究和尝试，终于研发出了将干热岩能量转化为电能的技术，这是人类在地热能源研究方面的一大突破，因此，即便这个发电站的投资回报率并不高，依旧在国际科学界中享有极高的声誉。
　　中国对干热岩的研究与探索
　　我国对干热岩的研究起步时间比澳大利亚稍早一些，但在研究初期，并没有澳大利亚发展迅速。
　　1993年，我国与日本在北京房山区进行了为期两年的合作，专注研究干热岩发电的相关实验项目。此后，我国团队开始了解各种干热岩的开采技术，独立研究相关的开发问题。
　　Tips：随着我国经济持续续高速增长，为应对能源危机、促进我国可再生能源事业的发展，地热资源的勘查、开发、利用又一次引起了国家相关部门的重视，一些全国性的地热资源调查评价项目纷纷上马，地热资源的开发利用即将掀起新一轮的热潮。
　　2007年，中国能源研究会地热专业委员会和澳大利亚公司同样进行了两年时间的合作。在这期间，两国专家来到可能含有丰富干热岩资源的地区进行调查，对收集到的样本进行分析检测。
　　发现大庆市的地热资源分布面积达到了5000平方千米，这些地热资源是当时全市油气能量的一万倍。
　　Tips：干热岩研究项目历时三年，在探查资源、模拟实验、设计发电系统、材料应用等方面都取得了一定的成果。
　　2012年，国家高技术研究发展计划中为干热岩研究项目部署了四个课题，分别下发给我国四所高校，其中身为项目领头单位的是吉林大学。
　　我国第一次钻井获得质量优越的高温干热岩是在2014年。当时，专家通过研究分析各种地质资料，辅以多种勘测技术，推断青海共和盆地的中北部存在大量干热岩资源。
　　共和盆地的勘测井在2013年6月动工，经过10个月的努力，首次在地下2230米的地方钻到了干热岩，这里的干热岩温度只有153摄氏度。直到大约3年之后，勘测团队在地下3705米的地方钻获了温度高达236摄氏度的干热岩，打破了此前勘测到的干热岩的最高温度记录。
　　Tips：干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，且不受季节、气候的制约，利用干热岩发电的成本仅为风力发电的一半，只有太阳能发电的十分之一。
　　在青海共和盆地，干热岩的分布范围达到了230平方公里，而且在地下2。1千米到6千米之间的干热岩，能量换算成标准煤之后重量接近45亿吨。专家指出，这次在青海共和盆地的发现，是个推动我国干热岩研究事业再进一个台阶的动力。
　　2019年，我国在山东日照、威海等地发现了大量干热岩资源，折合标准煤超过187亿吨。同年，我国科学家前往法国和意大利进行学术交流，对地热发电站进行考察，吸收学习干热岩发电方面的经验和先进技术。
　　结语
　　如今，我国的干热岩研究事业仍旧在不断发展当中，相信在未来，一定能够攻克技术难关，实现干热岩资源的高效利用，解决全国乃至全球范围内的能源问题。