最近,一些自媒體聲稱,山東發(fā)現(xiàn)新能源“巨大寶藏”,儲量大約相當(dāng)于180億噸煤炭,可供中國使用3800年。這里所說的寶藏,是一種地殼較深處的高溫巖體——干熱巖。在全球經(jīng)歷了一個(gè)缺煤、氣荒的2021年之后,如果在我們腳下就埋藏著如此海量的能源,那無疑是驚天動(dòng)地的大事件。
事實(shí)上,這個(gè)“發(fā)現(xiàn)”并不是最近的事。早在2016年,就有權(quán)威媒體報(bào)道,山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院發(fā)現(xiàn)了中國東部賦存條件最好的干熱巖。該勘察院水文地質(zhì)所主任景曉東預(yù)測,僅在威海市文登區(qū)一處,高溫干熱巖的能量即使只有2%被利用,便可供山東全省使用38年,“其效益不亞于找到一座大型金礦。”
(資料圖片)位于法國的蘇爾茨項(xiàng)目,是迄今為止全球最成功并穩(wěn)定商業(yè)發(fā)電的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目。
到了2019年,有媒體報(bào)道,該項(xiàng)目也在山東日照市莒縣、五蓮縣一帶發(fā)現(xiàn)干熱巖富存區(qū),資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤總計(jì)超過187.79億噸。2017年到現(xiàn)在,中國煤炭消耗量平均每年在40億噸左右,因此,假設(shè)山東蘊(yùn)藏的干熱巖能量相當(dāng)于187.79億噸煤,也不可能供中國使用3800年。但更為關(guān)鍵的是,山東真的找到了這樣一座地下“金礦”嗎?
對于這類新聞,中科院地質(zhì)地球所地?zé)豳Y源研究中心主任龐忠和表示,這屬于嚴(yán)重地誤導(dǎo)公眾。雖然干熱巖儲量大、無污染,但它是一種開采難度極大的地?zé)崮堋7叛廴?,真正運(yùn)行得較為成功的項(xiàng)目,也屈指可數(shù)。中國現(xiàn)在并沒有干熱巖的開發(fā)技術(shù),只是處在調(diào)查和基礎(chǔ)研究階段。
儲量比煤、油、氣多30倍的清潔能源
按照地?zé)釋W(xué)的基本規(guī)律,越靠近地球深部,溫度越高,地表往下每走一千米,地球平均大約增溫30℃。因此,可以想見,只要能夠開采得足夠深,地球可以給人類回饋的熱能資源儲量,無疑是巨大的。一個(gè)學(xué)界常引用的說法是,地殼中距地表3~10千米深處的干熱巖所蘊(yùn)含的能量,相當(dāng)于全球石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍。
德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院教授、地球科學(xué)研究所地?zé)崮懿块T主席托馬斯·科爾告訴《中國新聞周刊》,距地表3千米以下的地殼,主要由火成巖和變質(zhì)巖組成,它們的特點(diǎn)是有足夠的溫度,但缺乏孔隙,這些巖體并不是真的“干”,流體含量只是不夠。比起溫泉、地?zé)崴@類地?zé)嵝问?,干熱巖型地?zé)豳Y源,占據(jù)了絕大多數(shù)地球熱能。
1970年代的美國,正值遭遇全球石油危機(jī)時(shí)期,對干熱巖的開發(fā),也就從那時(shí)的美國開始。目前為止,全球已經(jīng)開展了約64個(gè)干熱巖實(shí)驗(yàn)或開采項(xiàng)目。
中國的干熱巖調(diào)查工作,是從“十二五”期間正式開始的,這與當(dāng)時(shí)中國開始重視霧霾治理、改善大氣環(huán)境的背景密不可分。因?yàn)楦蔁釒r如果可以大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用,將是一種資源含量非常巨大的可再生清潔能源。
干熱巖將來主要的用途是發(fā)電。由于干熱巖的溫度很高,發(fā)電過后的尾水還能達(dá)到70~80攝氏度,相當(dāng)于普通地?zé)崴?,能再次用于供暖、制冷。干熱巖不僅體量巨大,而且,用于發(fā)電幾乎是零排放,又比風(fēng)能、水能等清潔能源更加穩(wěn)定,不受氣候影響。文獻(xiàn)還指出,一處干熱巖發(fā)電站使用大約20年后,巖體溫度會下降,不能繼續(xù)使用,但是地心巖漿會再次“加熱”這些巖石,幾十年過后,熱能便可再次利用。
2012年,“863”項(xiàng)目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”立項(xiàng),拉開了干熱巖尋找與技術(shù)研究的序幕。2014年10月,中科院地質(zhì)與地球物理研究所對青藏高原共和盆地兩處勘探孔地?zé)釡囟茸隽藴y試,發(fā)現(xiàn)地下2880米處,花崗巖體溫度達(dá)到181℃,是中國首次探明的干熱巖資源。
中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所研究員王貴玲等人于2012年發(fā)表在《地球?qū)W報(bào)》的文章便進(jìn)行過儲量估算,給出的結(jié)果是:中國大陸3~10千米深處的干熱巖資源,相當(dāng)于860萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,按2%的可開采資源量計(jì)算,相當(dāng)于當(dāng)時(shí)中國能源消耗總量的5200倍。
干熱巖因此被認(rèn)為是未來煤炭、石油等化石能源枯竭后,最具潛力的戰(zhàn)略接替能源。根據(jù)王貴玲等人2020年發(fā)表的論文《中國地?zé)豳Y源現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢》,中國現(xiàn)在已經(jīng)圈定了12處干熱巖勘探點(diǎn),開展開發(fā)實(shí)驗(yàn),并追蹤國外技術(shù)。
2019年,河北省煤田地質(zhì)局組織的干熱巖勘查項(xiàng)目稱,在唐山市馬頭營3965米深度,鉆獲了京津冀地區(qū)埋藏最淺的干熱巖,估算4500米以淺、195平方公里范圍內(nèi),遠(yuǎn)景資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為78億噸。2021年年中,該項(xiàng)目開展了干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電。
2022年1月,江蘇泰州“蘇熱1井”干熱巖項(xiàng)目開始進(jìn)行壓裂試驗(yàn),該項(xiàng)目由江蘇省自然資源廳投入4630萬,是江蘇第一個(gè)干熱巖預(yù)查驗(yàn)證孔。據(jù)泰州地區(qū)初步估算,其干熱巖資源含量折合標(biāo)準(zhǔn)煤196萬億噸。
龐忠和參與了許多國家地?zé)崮芟嚓P(guān)的戰(zhàn)略規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)制定,這兩年,他感到干熱巖得到的關(guān)注越來越多了。2020年,是中國“碳中和”元年,地?zé)嶙鳛槲宕蠓翘蓟茉粗唬玫搅烁M(jìn)一步的重視。2021年,在中科院重大咨詢項(xiàng)目“中國碳中和框架路線圖研究”中,干熱巖的開發(fā)就是專題內(nèi)容之一,與地?zé)崮荛_發(fā)有關(guān)的高層會議也不少。
王貴玲曾在接受媒體采訪時(shí)將干熱巖開發(fā)比喻為“給地球安裝插頭”,如果能夠成功地裝上這個(gè)插頭,唾手可及、源源不斷的能源將不再是妄談。
儲量不都等同于資源
近些年,很多人找到龐忠和,問他,想投資干熱巖,應(yīng)該去哪兒開采?他通常會跟對方說:你先別考慮投資了,風(fēng)險(xiǎn)太大,有可能血本無歸。
并不是人們想象的那樣,隨便在地球上選一個(gè)點(diǎn),往深處鉆探,就能得到干熱巖。龐忠和說,按照定義,溫度在180℃以上,巖體含水量特別少或不含水,在現(xiàn)今的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下能夠開發(fā)利用的地?zé)崮?,才能被稱為干熱巖資源。
他強(qiáng)調(diào),如果溫度沒有達(dá)到180℃,開采不可能劃算,而最后一條,能夠開發(fā)利用也很重要,否則就不能被稱為資源。往深處鉆井,普遍能找到地?zé)帷H藗兌贾赖匦臏囟瘸^6000℃,但是不可能被利用。前幾年,松遼盆地的一處勘探井,在7018米深處發(fā)現(xiàn)了240℃的高溫地?zé)?,龐忠和說,這不叫干熱巖資源,因?yàn)樘盍?,不可能開發(fā)。當(dāng)不具備經(jīng)濟(jì)或者技術(shù)的可行性時(shí),談多少儲量,也就沒有意義。
干熱巖的分布并不一定是同一深度,因此,地下3千米還是4千米,只是一個(gè)大概范圍;即便同一深度,地質(zhì)構(gòu)造、巖體溫度也是千差萬別,學(xué)界稱之為“開采條件評價(jià)”。
龐忠和說,在美國西部,兩千米以下的地殼,地?zé)峋湍苓_(dá)到200℃。但在中國,在華北、東北、東南沿海等區(qū)域,要達(dá)到180℃,普遍要鉆井達(dá)到6千米,這就超出了當(dāng)前技術(shù)可以開發(fā)、成本可以承受的范圍。山東省的干熱巖,就屬于這種埋藏條件。
因此,對于山東聲稱“可供全省使用38年”的干熱巖能源,龐忠和看了該區(qū)域地下溫度分布曲線之后發(fā)現(xiàn),其地?zé)釡囟葋碜杂诰植繑嗔训牡刭|(zhì)構(gòu)造,該斷裂把深部的熱能通過熱水帶到淺部,使得地殼淺部出現(xiàn)一段異常的高溫,但是再往深處開采,溫度并不會在這個(gè)異常高溫值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加。
從資源勘探的角度來說,位于青海的共和盆地是中國目前干熱巖開采條件最優(yōu)質(zhì)的地方。龐忠和說,這里大約地下4千米的深度,地?zé)釡囟饶苓_(dá)到200℃,再繼續(xù)往深部走,溫度也隨之增高,大約每一千米能增加45℃。2010年之后,全球新啟動(dòng)的10個(gè)干熱巖開發(fā)項(xiàng)目中,青海共和項(xiàng)目也是備受關(guān)注的一個(gè)。但能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采,則是另外一回事。
2003年,位于澳大利亞庫珀盆地的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng),體量屬于全球最大。該項(xiàng)目在4千米深處,能鉆獲的地?zé)釡囟冗_(dá)到250℃,但由于鉆井難度大和出口處蒸汽高溫不能有效維持,迄今為止一直沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,政府也不愿再出資。
在歐洲,位于法國的蘇爾茨項(xiàng)目,由德國、法國、英國聯(lián)合開展,是目前為止,全球最成功并穩(wěn)定商業(yè)發(fā)電的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目。蘇爾茨項(xiàng)目有4口鉆探井,在5千米的深度,獲得的溫度為200℃。不過,龐忠和告訴《中國新聞周刊》,這個(gè)項(xiàng)目的投入和產(chǎn)出是很不劃算的。歐盟為其注資了上億歐元,但該項(xiàng)目現(xiàn)在加起來的能源出力,大約是兩個(gè)兆瓦。
尚沒有出現(xiàn)顛覆性的開發(fā)技術(shù)
2010年,龐忠和參加了中國科學(xué)院院組織的“中國能源路線圖2050”制定工作,關(guān)于深層地?zé)崮艿拈_發(fā),包括干熱巖,預(yù)計(jì)工程化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2035年?,F(xiàn)在看來,這個(gè)時(shí)間線的判斷是基本合理的,龐忠和說,目前這個(gè)領(lǐng)域并沒有出現(xiàn)顛覆性的技術(shù)。
開發(fā)干熱巖的技術(shù)被稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS),是指通過水力壓裂等工程手段在干熱巖體中形成人工地?zé)醿?,采出大量熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)。儲層是油、氣、水等物質(zhì)儲集和流動(dòng)的巖層空間。
美國曾將EGS技術(shù)列為最為重要的新能源技術(shù)之一,開始進(jìn)行研究。但干熱巖項(xiàng)目的“鼻祖”,1973年在美國新墨西哥州開展的芬頓山項(xiàng)目,最終也因經(jīng)費(fèi)、技術(shù)等問題被迫停止。
龐忠和介紹,地?zé)岬拈_發(fā)利用,就是跟地球進(jìn)行換熱,這個(gè)過程如果用流體進(jìn)行,會比沒有流體的傳導(dǎo)式換熱,效率至少高3~5倍。因此現(xiàn)在的地?zé)衢_發(fā),主要是通過抽水把熱能帶上地表來,成本才經(jīng)濟(jì)劃算。而在地表4千米往下,地球的裂隙愈小,物質(zhì)結(jié)構(gòu)越緊密,基本上含水量特別低,不具備水熱型地?zé)衢_發(fā)的條件。
除了深部鉆探、壓裂的高昂成本與技術(shù)困難,另一方面,干熱巖的開發(fā)還會因?yàn)椴粫r(shí)誘發(fā)地震,成為開發(fā)干熱巖時(shí)的一個(gè)重大安全問題。龐忠和說,因?yàn)閴毫褞r體時(shí)需要施加巨大的力量,對天然的應(yīng)力場有比較明顯的改變,再加上干熱巖開發(fā)本身就偏愛有天然裂隙構(gòu)造的地方,人工活動(dòng)會讓裂隙活化,兩種情況都可能導(dǎo)致地震。
在瑞士第三大城市巴塞爾,市中心有一口廢棄的鉆探井,是這里曾經(jīng)試圖開發(fā)干熱巖留下的痕跡。龐忠和曾造訪過,他說,2004年左右,項(xiàng)目的壓裂過程誘發(fā)了微小地震,最大震級約有3.5級,引發(fā)了周邊居民的不滿。他們起訴開發(fā)商,最后,以開發(fā)商賠償幾百萬歐元、項(xiàng)目破產(chǎn)而告終。
不過,即便干熱巖的開發(fā)仍然處在非常初級的階段,科學(xué)家們認(rèn)為,對于這種高難度能源開采的探索,能夠?yàn)榈責(zé)崮艿娜骈_發(fā),奠定通用的關(guān)鍵技術(shù)。例如,將EGS技術(shù)應(yīng)用到淺一點(diǎn)的地層,比如說4千米以上的中深層,將原有的巖體裂隙增加、擴(kuò)大,就能加大流體循環(huán)效率,能夠置換出更多熱源,學(xué)界稱之為“人工增強(qiáng)”。
龐忠和舉例,世界上最大的地?zé)犭娬疚挥诿绹鞑考永D醽喼荼辈康纳w瑟斯鎮(zhèn),過去大約有500兆瓦的發(fā)電能力,得益于這套人工增強(qiáng)技術(shù),再抽取附近的湖泊水進(jìn)行熱交換,一下子將裝機(jī)容量提高到750兆瓦,效率增加了大約40%。
“人類早已能夠登上月球,但對地下的探索卻很少。”曾經(jīng)在2007年~2013年期間擔(dān)任過法國蘇爾茨項(xiàng)目科學(xué)主管的艾伯特·讓泰說,可能在地殼更深處,就有天然儲層和地?zé)崴?,只是目前的技術(shù)還無法探測到。多位業(yè)內(nèi)學(xué)者也表示,這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)和實(shí)驗(yàn),現(xiàn)在得到的投入和關(guān)注卻不夠。
也許再過5年、10年,當(dāng)行業(yè)有了顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新,使得鉆探成本能比現(xiàn)在降低1/2或者1/3時(shí),干熱巖就能大規(guī)模開采了。在此之前,龐忠和認(rèn)為,對地?zé)崮艿纳虡I(yè)化投資,應(yīng)該立足于淺層和中深層現(xiàn)實(shí)可行的資源,而不是好高騖遠(yuǎn)地追求干熱巖,甚至刻意追求概念噱頭和標(biāo)新立異。
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