广告

被遗忘的伟大清洁能源:地热能

美国仅使用了不到1%的可利用地热能。

Google NewsGoogle News Preferred Source

新闻简报

注册我们的电子邮件新闻简报,获取最新的科学新闻

注册

如果我们将美国地下两英里深度内的所有地热能都提取出来,按照目前的消耗率,将足以满足美国未来30,000年的电力需求。然而,获取所有这些能源并不可行——存在技术和经济上的障碍——但仅利用5%的地热财富,就能产生足够的电力来满足2.6亿美国人的需求。美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)认为,到2050年,实现5%的利用水平(这将产生26万兆瓦的电力,并将我们的煤炭依赖度降低三分之一)是可行的。

广告

那么,是什么在阻碍我们?利用地热能意味着要面对严酷的热力学现实:通常情况下,地热发电是通过将地下热水或蒸汽输送到地表来驱动涡轮机,通常是通过加热一个中间工作流体来实际转动涡轮叶片。而涡轮机驱动的是一个发电机,然后产生电力。至关重要的是,输送上来的水的温度决定了基于涡轮机的系统的效率:温度越高越好,通常需要至少200华氏度(约93摄氏度)的温度。但自然含有水且在可及深度将其加热到如此高温度的地热热点数量有限。在美国,最好的例子可能是The Geysers。在旧金山以北72英里的一个山谷里,蒸汽从地表喷涌而出。(这促使一位1847年的第一位欧洲访客相信他发现了地狱之门。)一套复杂的闪亮金属管道将地下蒸汽输送到地表,驱动涡轮机产生85万兆瓦的电力。

加利福尼亚州、内华达州、爱达荷州和俄勒冈州都有足够的高温热点,可能满足其大部分电力需求——内华达州甚至能满足60%——但其温度很少能达到The Geysers那样,产生400华氏度(约204摄氏度)或更高的蒸汽。大多数时候,开发商不得不深入地下六英里来寻找热的、流动的液体。找到合适的钻探地点可能是一件令人头疼的事。

总部位于爱达荷州的U.S. Geothermal公司的首席运营官Doug Glaspey说,他希望自己拥有“X光视力”,这样他就能看到储层在哪里。这项业务中风险最高的部分,毫无疑问,就是寻找储层。每口井的钻探成本为200万到300万美元。如果失败了,你就一无所获。”此外,一旦公司找到了一个好的热点,他们仍然需要建立发电厂或供暖系统,这需要巨额的初始投资和多口井。Glaspey估计,建造一个地热发电站的成本是“每兆瓦350万到400万美元”。

此外,地热发电厂的能源效率仅为8%到15%,不到煤炭发电厂的一半。高昂的初始费用加上相对较低的效率,使得地热发电的成本约为煤炭发电的两倍,而煤炭发电的售价约为每千瓦时五美分。

美国国家可再生能源实验室(NREL)近期退休的地热技术经理Gerald Nix认为,改进勘探和钻井技术可以使地热发电比煤炭更便宜。目前改进这些技术的尝试属于工程地热系统(EGS)的范畴,EGS可以从岩石不疏松或渗透性不足以使水循环,或者水中本身就不足的地方提取热量。EGS的技术包括重新打开岩石中的旧裂缝,然后通过裂缝泵入水。根据2006年由麻省理工学院(MIT)化学工程教授Jefferson Tester领导的团队撰写的报告《地热能的未来》,EGS到2050年有望为美国地热发电总量贡献至少10万兆瓦。Tester说,推动EGS迫切需要大规模的示范项目。“我们并不是不知道如何钻孔和压裂岩石,”他说,“但我们必须在对商业企业有用的规模上展示EGS。”

地热能的应用不仅限于发电:地热源的温度不够高,无法高效发电,但可以通过循环水通过管道来为建筑物供暖。这个国家拥有大片这样的低温热点。从北达科他州到德克萨斯州划一条线,该线以西的几乎所有州都有温度至少为200华氏度(约93摄氏度)的热源。

即使没有方便的热点,地面也可以被利用来减少我们对化石燃料的依赖。美国所有的土壤都适用于一种称为地源热泵的技术,该技术在冬季将热量从地面转移到房屋,在夏季反向工作以提供制冷。热泵有潜力为几乎所有美国家庭提供供暖和热水。事实上,地下的热能可用于供暖的量——超过一百万兆瓦——远远超过了可用于发电的量。然而,根据NREL的数据,我们只使用了不到1%的量。原因在于缺乏研究投资。

在美国,地热能的趋势似乎正在转向有利。

多年来,地热能研究一直资金不足。因此,我们的许多技术都追溯到20世纪70年代,当时石油危机激发了人们对地热能的兴趣。那时,美国地质调查局(U.S. Geological Survey)筛选了其海量数据,以确定资源的范围,而大型石油和电力公司则投资了The Geysers等地热发电厂。当石油价格在20世纪90年代下跌时,各种可再生能源的潮水也随之退去。在美国能源部(DOE),地热能的资金从20世纪80年代的1亿美元锐减到近年来的2000多万美元。由于与石油和天然气勘探争夺地质专业知识,加上政府支持甚微,美国的因此,美国的许多地热项目主要局限于西部的小型公司。

在全球其他地方,积极的公共政策推动了地热能的成功。例如,冰岛的能源政策自20世纪70年代以来一直侧重于地热能。其结果是,85%的冰岛家庭通过地热供暖,五家地热发电厂现在提供了该国近四分之一的电力。

广告

鉴于气候问题、石油价格和能源安全现在都是人们关注的焦点,地热能在该国似乎又一次转向有利。2007年的《能源法》授权能源部为地热研究拨款9500万美元(尽管国会迄今只批准了其中一小部分)。不幸的是,该能源法未能延长可再生能源生产商的税收抵免,而麻省理工学院的Tester认为,鉴于寻找地热资源和建立发电厂的初始成本,这一点至关重要。

但私营部门也开始在美国推动地热能。去年,可再生能源开发商为美国西北部地热开发支付了数百万美元的土地租金。美国巨大的未开发地热潜力也引起了国际关注。去年9月,北欧金融集团Glitnir宣布计划在未来五年内投资10亿美元于美国地热市场。就连大型石油公司也开始引起关注。Nix说,埃克森美孚(ExxonMobil)、壳牌(Shell)和雪佛龙(Chevron)的代表参加了最近的EGS研讨会。

广告

此外,建筑公司也注意到通过热泵可以赚钱。(尽管安装热泵的初始成本高于天然气炉,但热泵将在10年内收回成本。)加州能源委员会估计,对于一个普通大小的家庭来说,安装热泵的成本约为7500美元。目前,美国约有100万台热泵投入使用,每年新增5万至6万台。

根据地热能源协会(Geothermal Energy Association)的数据,目前美国有超过3400兆瓦的地热发电项目正在开发中。如果获得适当的支持,我们脚下的热量将有助于阻止地球变暖

保持好奇

加入我们的列表

订阅我们的每周科学更新

查看我们的 隐私政策

订阅杂志

订阅可享封面价高达六折优惠 《发现》杂志。

订阅
广告

1篇免费文章