在内华达沙漠干燥的广阔地带，一座不寻常的发电厂闪闪发光，它利用的能量并非来自太阳或风，而是来自地球本身。
这个名为“红色项目”的地点，将水泵入地下数千英尺深处，那里的岩石热到足以烤熟火鸡。这座建筑物日夜不停地将加热后的水抽回地面；然后用来驱动发电机。自去年 11 月以来，这种零碳、地球产生的电力一直在流向内华达州当地的电网。
地热能虽然不断地从地球超热的地核辐射出来，但长期以来一直是一种相对小众的电力来源，主要局限于冰岛等火山地区，那里的温泉从地下涌出。但地热爱好者一直梦想在没有这种特定地质条件的地方获取地球能量——就像能源初创公司 Fervo Energy 开发的“红色项目”内华达州所在地一样。
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这种下一代地热系统已经研发了几十年，但事实证明它们既昂贵又在技术上难以实现，有时甚至引发地震。一些专家希望，像“红色项目”这样的较新尝试，通过利用石油和天然气开采中磨练的技术来提高可靠性和成本效益，可能最终标志着一个转折点。
这些进步使人们充满希望，即随着时间和资金的投入，地热能——目前产生的电力不到世界电力的 1%，并且在美国电力中占 0.4%——可能成为主流能源。一些人认为，地热能可能是能源系统从化石燃料转型的一个有价值的工具，因为它可以为太阳能和风能等间歇性能源提供持续的后备。“对我来说，长期以来，它一直是*有*前景的能源，”斯坦福大学的能源工程师罗兰·霍恩说。“但现在我们正朝着无碳电网迈进，地热能非常重要。”
坎坷的开端
地热能*适合*的两个条件是：热量，加上渗透性足以输送水的岩石。在熔岩靠近地表炙烤的地方，水会渗入多孔的火山岩，变热并向上冒泡，形成热水、蒸汽或两者兼有。
如果水或蒸汽足够热——理想情况下至少在 300 华氏度左右——就可以从地下提取出来，并用于驱动发电机发电。在肯尼亚，近 50% 的电力来自地热。冰岛 25% 的电力来自这种来源，新西兰约为 18%，加利福尼亚州为 6%。
地质学家、地热能源咨询公司 GeothermEx（油田服务公司 SLB 的一个部门）总裁安·罗伯逊-泰特说，美国西部等地仍有一些天然地热资源尚未开发。但总的来说，我们正在耗尽天然、高质量的地热资源，促使专家们考虑从更难获取能源的地区提取地热能。“地球内部蕴藏着如此多的热量，”罗伯逊-泰特说。但是，她补充说，“其中大部分都被锁在不透水的岩石中。”
要利用这种热量，需要深钻井并在这些非火山、致密的岩石中制造裂缝，以便水流过。自 1970 年以来，工程师们一直在开发“增强型地热系统”(EGS)，它正是这样做的，应用了类似于水力压裂（或压裂）的方法，用于从深层岩石中吸取石油和天然气。水在高压下被泵入深达数英里的井中，以炸裂岩石中的裂缝。破裂的岩石和水形成一个地下散热器，水在其中加热，然后通过第二口井上升到地面。在美国、欧洲、澳大利亚和日本已经建造了数十个这样的 EGS 装置——其中大多数是实验性的并且由政府资助——但成功与否参半。
*著名的*是，韩国的一座 EGS 电厂在可能引发 5.5 级地震后于 2017 年突然关闭；任何类型的水力压裂都可能增加附近构造断层的压力。其他问题是技术性的——一些电厂没有产生足够的裂缝来进行良好的热交换，或者裂缝朝着错误的方向延伸，未能连接两口井。
然而，一些努力变成了可行的发电厂，包括 1987 年至 2012 年间在莱茵河谷建造的几个德国和法国系统。在那里，工程师们利用了岩石中现有的裂缝。
但是，总的来说，将 EGS 发展成为一种更可靠和更有利可图的技术，还没有足够的兴趣，能源研究机构弗劳恩霍夫 IEG（位于德国卡尔斯鲁厄）的地球物理学家迪米特拉·特扎说，她曾帮助开发了一些莱茵河谷 EGS 系统。“对于这个行业来说，这非常艰难。”
长期以来，地热发电一直仅限于地下热量容易获取的火山地区。但新型发电厂使在世界其他地方获取地热成为可能。
5W 信息图/可知；来源：卡塔琳娜·齐默尔的报道
新动力
安全和技术问题都有解决方案。事实上，存在避免地震的健全协议，例如不在活动断层附近钻探。对法国和德国运行的 EGS 电厂的长期监测表明，只有轻微的震动，这增强了人们对该技术安全性的信心。重要的是，由于 2010 年代开始的页岩岩石石油和天然气开采热潮，钻井和压裂方法取得了突飞猛进的进步。“从那时起，我们看到了对 EGS 概念的重新兴趣，因为 EGS 的核心技术在那段时间得到了完善，并且成本大幅降低，”普林斯顿大学的能源系统研究员威尔逊·里克斯说。
例如，2015 年，美国能源部在犹他州启动了一个研究基地，专门用于推进 EGS 技术。几家新的北美初创公司，包括Sage Geosystems和E2E Energy Solutions，分别在德克萨斯州和加拿大开发新的 EGS 系统。*先进*的是 Fervo Energy，它在其内华达州所在地应用了页岩行业的几项技术；电力现在供应当地电网，其中包括谷歌拥有的耗电数据存储中心。（谷歌与 Fervo 合作开发了该电厂。）
工程师们向下钻探了近 8,000 英尺进入内华达州的岩石，达到了近 380 华氏度的温度，然后在底部钻了另一个 3,250 英尺的水平井，以扩大系统接触的热岩石区域——这是一种用于石油和天然气开采的技术，目的是*大限度*地提高产量。该公司还在水平井沿线的几个地点压裂了周围的岩石，以形成更广泛的裂缝网，供水渗透。从技术上讲，与早期的 EGS 工作相比，“事实上，他们向前迈进了一大步，”Fervo 科学顾问委员会成员霍恩说。
这些新的 EGS 系统在长期内的表现如何，还有待观察。里克斯、一位普林斯顿同事和 Fervo Energy 的几位专家*近*的研究表明，像 Fervo 这样的系统的一个优势是，它们可以通过利用能源价格波动来提高盈利能力。运营商可以堵住出口井，导致水在系统内部积聚，积聚压力和热量。然后在能源*有价值*的时候提取能量——例如在多云或无风时期，太阳能或风能无法工作时。
里克斯说，尽管如此，这种系统仍需要大规模扩大规模才能在商业上可行。虽然“红色项目”提供了足够的蒸汽来产生 3.5 兆瓦的电力，足以满足 2,500 多个家庭的需求，并且超过了任何其他 EGS 电厂，但它仍然相对较小；核电站或燃煤电厂可以轻松地拥有 1,000 兆瓦的输出，而大型太阳能或传统地热电厂通常产生数百兆瓦。
里克斯说，EGS 领域现在需要的是资金，以建造和测试更多此类系统，以激发投资者的信心。“所有这些都需要得到充分的验证，直到人们认为风险很低为止，”他说。
地热能的转折点？
为此，美国能源部*近*向三个 EGS 和相关技术的示范项目拨款 6000 万美元，作为加速 EGS 发展的更广泛计划的一部分。该机构 2019 年的一份报告估计，随着 EGS 的进步，到 2050 年，地热发电可能代表美国约 60 吉瓦（60,000 兆瓦）的装机容量，产生该国 8.5% 的电力——比今天增加 20 多倍。
即使增加几个百分点，也可能有助于全球能源转型，其目标是在 2050 年实现净零碳排放。最近与人合著了《环境与资源年评》中关于可再生能源全球展望文章的尼尔斯·安格利维尔·德拉博梅尔说：“如果在十五年、二十年后，EGS 是可行的，我认为它可以发挥巨大的作用。”
其他地热技术也可能有所帮助。一些公司正在探索“超热岩石”地热的可行性——本质上，这是一种年轻的极端 EGS 变体，它涉及更深地钻入地壳，到达水达到“超临界”蒸汽状状态的深度，这种状态允许它携带比蒸汽或液体更多的能量。在德国南部，能源公司 Eavor 正在建造世界上*个“闭环”地热系统：一旦管道将水输送到深层岩石中，系统就会扩展成一个平行的钻孔网络，而水永远不会渗透到岩石中。特扎说，这是一种更可预测——尽管效率较低——的加热水的方式，因为它不涉及以正确的方式压裂岩石的不确定性。“我真的很高兴看到对这些技术的投资，”她说。“我认为这只能有所帮助。”
总的来说，对于地热能来说，这是一个重要的时刻——不仅仅是为了提供零碳电力，罗伯逊-泰特说。从地球中提取出来的地热卤水富含锂和其他关键矿物，可用于制造太阳能电池板和电动汽车电池等绿色技术。人们越来越强烈地推动使用直接地热来为建筑物供暖，无论是通过住宅建筑的浅层热泵，还是为整个区域设计的大型系统——就像巴黎和慕尼黑已经拥有的那样。
罗伯逊-泰特说，一些石油和天然气公司认识到变革即将来临，对建造各种地热系统越来越感兴趣。“我们的地球是地热的，”她说，“所以我认为我们有义务尽一切努力来利用它。”