一个巨大且未被开发的绿色能源源泉就隐藏在你的脚下
An untapped and vast green energy source lies beneath your feet.
在地球上，很少有人能够比巴兹·斯皮尔（Buzz Speyrer）更接近地心了，他是一位在石油和天然气领域有着悠久职业生涯的钻井工程师。地心大约有1800英里的深度，受到了数十亿年来的天体碰撞所引发的火烧火燎和摩擦以及放射性的影响。这种向上渗透的热量使得地表上方的岩石转化为粘稠的液体，进一步变成地质学家所称的塑性胶状物质。只有在离地表约100英里的范围内，岩石才变得熟悉、坚硬且可钻。
现在，斯皮尔的设备已经在我们下方大约8500英尺处，或者说已经完成了这一层的大约2%，在这里，热量已经非常大，每增加一英尺，每增加一英寸都是一个艰难的胜利。在那里，任何你泵入的液体都会变得像斯皮尔所说的那样，足够热以至于能够炸炸火鸡。他说：“想象一下那样溅在你身上。”在那个温度下，大约450华氏度（228摄氏度），他的设备可能会出现问题。电子设备会失效，轴承会变形。价值数十万美元的设备可能会掉进钻孔里，如果它在那里出故障，确保它不会卡住。在那种情况下，最好就是堵住那个孔洞，这可能需要花费数百万美元来钻井，统计你的损失，并继续前进。
即使事情在那里进行得很顺利，从地球表面来看也很难知道。“这真是让人沮丧得要命，”犹他大学地质学家约瑟夫·摩尔（Joseph Moore）说道，他透过拖车窗户观察着一个高160英尺的钻机缓慢挪动。现在是2022年的一个凉爽的日子，地点是位于犹他州一个名为比弗县的偏远地区，一阵微风从米纳尔山吹向下面的养猪场和风力发电机。这个钻机看起来很像美国西部遍布的石油和天然气设施。但在我们下方的花岗岩中并没有含有碳氢化合物，只有热量。
自2018年以来，摩尔领导了美国能源部（DOE）耗资2.2亿美元的赌注，名为FORGE（地热能源研究前沿观测站），旨在证明这种热量可以在世界大部分地区用于发电。地热能源如今是一种罕见的资源，只有在地壳有些裂缝且热量与地下水混合产生热泉或间歇喷泉的地方才会被开发用于发电。但这样的热水区很少。冰岛位于两个分离的构造板块之间，有了地质上的巨大优势，可以生产大约四分之一的电力；肯尼亚的大裂谷火山活动则将这一比例推高到40%以上。在美国，这个比例仅为0.4%，几乎全部来自加利福尼亚州和内华达州。
然而，只要你钻得足够深，到处都是炽热的岩石。摩尔的项目正试图创造一种“增强型”地热系统，即通过钻穿花岗岩等热而密集的岩石，破裂形成一个储层，然后注入水来吸热。然后通过第二个井将水抽出，出来时比之前热了几百度：这就是一个人工的热泉，可以驱动蒸汽涡轮机。这种设计听起来很简单，将水从A点输送到B点，但尽管进行了半个世纪的研究，工程和地质学的复杂性意味着迄今为止没有人成功实现了实用规模的增强型地热系统。
来自地球核心的清洁、可靠的能源可以与风能和太阳能时断时续的电力互补
摩尔正试图证明这是可行的。在此过程中，也许他能够让更多的企业家和投资者对地热的热情高涨。不论是来自太阳、风还是炽热地下的可再生电力发电，一旦电力开始流动，通常都能提供稳定但不显著的回报。如果你的前期成本很低，这是可以接受的。风力涡轮机和太阳能电池板现在通常都满足这个要求。地热发电则需要进行一个有风险的数百万美元的钻井项目才能开始。虽然地热能源洁净、可靠，可以与风能和太阳能的时断时续的电力互补，但对于那些具备专业知识和融资能力的人来说，还有更安全的地下投资选择：一个地热井可能需要15年才能回本，而一个天然气钻井只需两年。
所以并不奇怪，挪威能源咨询公司Rystad Energy的数据显示，全球有200万个活跃的油气井，但地热井只有15000个。几乎所有地热井都是热液型的，依赖于那些天然的热水源。只有很少数是增强型地热系统。在法国东部有三个运营中的发电厂，但只能产生少量电力，因为它们钻进了相对较凉的岩石。然后还有一些温度更高的试验，就像在犹他州这里和内华达州的边境地区，一家名为Fervo的休斯顿初创公司正在努力连接它自己的两个井，这个项目旨在为谷歌的一个数据中心提供清洁电力。
摩尔（Moore）认为FORGE可以通过展示提高EGS的吸引力，表明可以更热。每多一度温度都意味着更多的能量注入电网和更多的利润。但是，钻探热且坚硬的花岗岩，而不是气体压裂者（如Speyrer）通常分裂的较冷和较软的页岩，并非易事。为地热发电厂输送大量水所需的宽井也不容易。因此，这是一个先有鸡还是先有蛋的问题：地热行业需要从石油和天然气中改编的工具和技术，有时甚至需要全新的工具和技术，但由于没有人知道EGS是否有效，这些工具和技术尚不存在。这就是FORGE的作用，摩尔将其描述为“降低风险”的工具和方法。他说：“除非我花钱，否则没有人会花钱。”
在比弗县，他的团队正在测试一个桥塞——基本上是一个封口帽，用于封住管道的一部分，这样水就可以以足够的压力进入周围的岩石中，从而破裂花岗岩。现在是上午晚些时候，十几辆水罐车停在井架旁边，形成了庄严的队形。在午餐时间，他们将测试塞子是否能承受住压力，晚饭前应该会发射“枪”——小型爆炸装置，用来穿孔管道。然后他们将推入水来分裂岩石，以便午夜时分享用宵夜——“如果一切顺利的话，”摩尔说。
换句话说，这是一种相当标准的压裂技术，这种技术在过去15年间使美国充斥着丰富的天然气。但请不要太自由地使用“压裂”这个词，请注意，即使地热行业的未来可能取决于这项技术，这个词在地热行业中仍然是禁忌的。这种敏感性不仅与化石燃料的关联有关。如果在错误的地方进行压裂，地球可能会因为损坏而颤动。
团队正在密切关注由附近钻孔中悬挂的八个地震仪记录的数据——这些地震仪是用于捕捉地震波的声学探测器。到目前为止，唯一清晰的信号是那里真的很热。在压力测试开始前几分钟，化学工程师兼压裂的联合负责人约翰·麦克伦南（John McLennan）带着一对地震仪的坏消息来到拖车上。
“两个都坏了，”他说，“无法承受高温。”
“我太老了，做不来了，”摩尔回答道。
这几天过得很长。本来不应该是一个24小时的操作，但是他们被高风和故障的设备耽搁了，又是一个漫长的白天和黑夜。现在他失去了一对关键的耳朵，告诉他地下正在发生什么。
一名工人监视着犹他州FORGE工地上高160英尺的钻机。将设备从井中拖出大约需要六个小时，井的长度接近11000英尺。
Courtesy of Gregory Barber
在FORGE团队准备压裂的同时，摩尔和我驱车进入矿物山，看看为什么地热能源到目前为止还没有发挥其潜力。我们在布兰德尔地热发电厂的周界围栏处停下来，该发电厂距离FORGE几英里，位于一个延伸数百英里到太平洋的热区的东部边缘。该位置的吸引力是显而易见的。在附近的岩石裂缝中，可以看到热水冒出地表的地方，并且带有变硬成小河的矿物。几百英尺外，土地上的硫磺云围绕着一个19世纪的棚子升腾，那里曾经是牛仔和矿工洗澡的地方。
该电厂由波特兰的电力公司PacifiCorp拥有，它是在1970年代石油危机期间的地热繁荣时期建造的。但是，在其涡轮机开始旋转的1984年能源价格下跌，繁荣已经逐渐消退。如今，美国大多数发电厂仍然可以追溯到20世纪80年代，这对于摩尔这样的地热爱好者来说是一个痛苦的事实。他自己在这个行业中的旅程开始于那个时候，当时他从他的家乡纽约市来到犹他州，转行到之前的铀矿勘查工作——当时这还是一个衰落的行业。
他认为布兰德尔的利用率特别低，指出可以升级涡轮机以产生更多能量，并且可以在更多的地方钻探热水井。他说：“这只是风险规避。”“他们说，‘我看不见地下是什么，所以我对钻探持怀疑态度。’”（PacifiCorp未回应置评请求。）
只有少数几家公司正在探索新的热液资源地点。其中之一是总部位于雷诺的Ormat Technologies，该公司在全球拥有并运营着20多个地热发电厂。该公司的业务发展副总裁保罗·托姆森告诉我，Ormat通过收购现有的发电厂并更新其涡轮机来从相同的热水中获取更多的电力来建立业务。最近，借助其在钻井到发电厂运营的各个环节的经验，该公司开始建设新的发电厂。
但是，即使存在明显的热液资源可供开发，挑选出获胜者也很棘手。美国西部的沙漠小镇反对提议，担心地下水会被抽干。而无论生物学家在热温泉中寻找什么，他们都会发现值得保护的独特物种。加上冗长的许可流程和将新发电厂接入电网的挑战，选择变得越来越少。Ormat在其提议的两个地点近期遇到了挫折，一个是在内华达的烧人节(Burning Man)附近的地下水问题，另一个是最近被列为濒危物种的小迪克西山谷蟾蜍(Dixie Valley toad)。
犹他州Blundell地热发电厂附近的硫磺云从地面上升起。地下的热水团随着时间漂移，杀死了之前在坚实干燥的土壤中生长的树木。
由Gregory Barber提供
天然温泉的挑战使得创建人工温泉变得更加吸引人。2006年，美国能源部（DOE）与麻省理工学院的研究人员一起发布了一份报告，描述了将地热能作为美国电网的主要贡献者以帮助实现气候目标的计划。 EGS提供的灵活性是其核心所在。尽管岩石变热的深度因地而异-例如，美国西部的深度较浅，而东海岸的深度较深-但科学家认为，在大多数地方钻取热能是合理的，无论是用于发电还是在较低温度下用于供暖建筑物的热水。
2014年，美国能源部开始寻找一个地方作为再利用石油和天然气工具的试验场所，四年后，选中了Beaver County作为试验的场地。不久之后，该机构计算出到2050年，地热能将能够满足美国8.5%的电力需求，较目前增加了26倍。唯一缺少的就是证明EGS有效的证据。
Forge井直径约为6,000英尺（1.8公里），在大约三分之二的深度到达花岗岩层，然后转向65度并继续深入约5,000英尺（1.5公里）。在使用手势和餐巾纸图示热烈展示时，摩尔最热衷于的是决定岩石在压力下如何破裂的内部“应力场”。
理解这种应力场至关重要。对于高效的发电厂，裂缝必须足够延伸，以便水能够在两口井之间高效运动-但不能太快，纽约康奈尔大学地热科学家特蕾莎·乔丹在那里领导一个以地热水供暖校园建筑的EGS项目-“你希望它花费很多时间与能够使其变热的岩石接触，”她说。裂缝还必须尽可能多地向第二口井输送水，而不是进入途中隐藏的裂缝，并且保持多年的热。如果冷水抽入比核心的热能更快地吸热，热岩可能会冷却。消失的水和减少的热量在过去的EGS失败中起到了作用，包括上世纪80年代的新墨西哥和2015年的澳大利亚南部。
这些风险使其他人寻找不同的方法，每种方法都有其自身的权衡。其中一种是“封闭回路”系统，涉及将密封管道伸入热岩并返回地表，防止任何水流离开地下。但是，让不直接接触热岩的液体获得足够的热量已经证明是棘手的。或者，您可以钻得非常深-比如说，12英里深-在这里温度可以超过1650华氏度（900摄氏度），足够使热量直接通过单口井上升到地表。但是，用于在如此深度钻探的工具仍然是试验性的。其他人认为现有的石油和天然气井是答案，可以节省钻井成本，并为其自己的井开启该行业丰富的工具。但是，用于提取化石燃料的较窄井不适用于推送发电厂所需的大量水。
EGS的支持者认为像FORGE这样的设计找到了合适的平衡，比传统地热能提供足够的热量和灵活性，同时能够利用石油和天然气的方法。最新的EGS实验得益于水平钻井和更好的压裂模型的进展，Fervo的首席执行官蒂姆·拉蒂默说，Fervo正在与FORGE合作开发其自己的EGS项目。他告诉我，他认为能源投资者用于估计地热钻探成本的预测-这些预测使他们犹豫不决-已经过时了15年。他指出，在钻探第一个FORGE井的过程中，团队展示了使用新的钻头可以将时间减少一半，并将总成本降低20%。
创建一个人工地下储层需要使用水力压裂技术来创建连接两个平行井的裂缝——一个用于注入冷水，另一个用于取出热水。
照片提供：Utah FORGE
下午3点左右，在我们参观了布伦德尔发电厂后，摩尔返回到钻井现场，看到麦克莱南正在向他跑来迎接。他带来了一个好消息。首先：塞子在压力下保持住了。摩尔松了一口气，双手叉腰。“我很高兴那已经结束了，”他说。稍后，在开枪和注入水后，剩余的地震仪捕捉到了一个由微小地震组成的“地震云”，这些地震仪悬挂在较低的温度和深度，表明裂缝从井口延伸约400英尺——与第二个将抽取新加热水到地面的未来井相连接的正确距离。第三个好消息是，地震云在地面上无法感受到。
对于瑞士地热能联盟（Geo-Energie Suisse）的首席执行官彼得·迈尔来说，这尤其是个好消息。他从瑞士来到犹他州，主要是为了倾听地震仪。2006年，在瑞士的一个EGS项目上，工程师试图创建一个太大的水库，扰乱了一个未被标示的断层，导致3.1级地震，附近的房屋受损。（一位地质学家因其在地震中的角色而面临过犯罪疏忽指控，但后来被无罪释放。）瑞士的地方政府对EGS运营持谨慎态度。
2017年，由一项在韩国的EGS项目引发的更大地震导致82人受伤，进一步降低了这个概念的前景。但迈尔认为，这些地震是由于工程师规划不善造成的——通过对岩石进行更仔细的研究，是可以避免的。他认为FORGE是一个拯救EGS声誉的机会，通过展示安全运行来证明它。“在我们有一个成功案例之前，这只是关于水力压裂的讨论，因为基本上，它就是水力压裂，”他说。
FORGE站点位于矿山山脚下的东部，山脚下有一个传统地热发电厂利用的温泉。
摄影：Eric Larson/Flash Point SLC
今年春天，摩尔回到了比弗县，开始钻井第二口井。经过将近一年的审查初始水力压裂数据，他对通过压裂产生的裂缝井能成功取出水感到有信心。本月早些时候，他的预期成真：近76,000加仑的水以大约每分钟210加仑的速度从第一口井下去，又从另一端升温后流出。2024年的全尺寸测试将使流量接近商业EGS厂所需的水平，其流速应达到每分钟一千多加仑。
摩尔的信心部分是因为他知道他在玩的是简单模式。根据设计，两口井离得太近，无法提供足够的热量供电厂使用——这一阶段的重点主要是融资和测试过程中使用的工具和技术。在测试之前，摩尔很兴奋地告诉我有关创建产出井的新设备，包括粒子钻探（通过射击小型高速金属球来磨损岩石）、可以从地表操纵的旋转钻探系统以及升级的、更耐高温的地震仪。
最后，这三种设备都没有像摩尔希望的那样有用。粒子钻探和可操控系统的问题比它们带来的价值还多，尤其是与之前成功的金刚石钻头相比。改良后的地震仪在摄氏300度（华氏572度）左右仍然会烧坏；摩尔说他们最终将转换到耐高温的光纤型设备。但这就是他所说的“降低风险”的目的。有时候看到什么会出问题是很有帮助的。
还有其他理由可以感到乐观。FORGE连接几天后，Fervo发布了其在内华达州进行的30天连接测试的结果。根据拉蒂默的说法，这是“有史以来最成功的增强型地热项目”，产生了足够的热水，可以发电约3.5兆瓦。钻孔靠近一个现有的热水发电厂，该厂有更大的空间，到今年夏天将会产生电力。
“我们已经证明这个技术可行，”拉蒂默说。“现在的问题是我们能多快地将成本降低。”其中包括提高温度。Fervo在内华达的井口温度高达华氏370度（摄氏190度），比美国任何其他水平石油和天然气井都要热，足以证明他们的工具在下一次可以更加升温。此外，还涉及到关键的钻探问题，他补充道：井之间的最佳距离、角度和深度。“这不像软件一样可以快速迭代，”他说。这个行业需要更多的实验、更多的项目，来找出最具生产力的组合，而每个项目都很昂贵且困难。
更多的迭代机会可能即将到来。美国通胀减缓法案已经投入了大量资金用于绿色能源基础设施，为地热开发提供了与风能和太阳能相似的激励措施。与此同时，美国能源部将其2050年地热发电目标提高了50%，达到90兆瓦，部分原因是由于EGS技术的改进前景。今年2月，美国能源部宣布将再额外投资7400万美元用于试点EGS示范项目。摩尔怀疑，这些项目中没有一个会像FORGE那样热。“我认为我们将会研究已知工具可行的温度区间，”他说。但这是一个开始。
有些人可能会尝试利用这种热量进行直接供暖，比如康奈尔大学的乔丹的项目。其他人可能会在已知热液区域的边缘进行钻探，那里的热量更容易获取。还有其他创造性的方法来最大化收益。Fervo和其他公司提出使用他们的井作为储能设备——在电网有过剩能源时向下泵水，然后在需求较少的时候将其热回来发电——或者在数据中心或未来的碳减排设施旁边建设发电厂，避免连接过载的电网所带来的挑战。
要从这里扩大规模将需要更多的投资。而投资者，尤其是石油和天然气行业的投资者，将继续投资的程度还有待观察。今年，Fervo从油气公司Devon Energy获得了1000万美元的投资，该公司是水力压裂的先驱。上个月，闭环地热初创公司Eavor宣布BP Ventures领导了它的最新一轮融资。“它已经从零到有了一些进展，”能源咨询公司Rystad的地热行业专家亨宁·比约维克说。但是，石油和天然气行业对地热来说既是竞争者（在设备、专业知识和土地方面），也是朋友，而且在化石燃料价格开始飙升时，对清洁能源的承诺可能会变得不可靠。比约维克说，投资者需要看到这个新生产业可以扩展到数百或数千个发电厂，带来足够的潜在利润来抵消任何个别项目失败的风险。
摩尔相信，要做到这一点，就是不断展示如何使事情变得更热一点。在2025年，完成第二个FORGE钻孔的研究将耗尽其现有的美国能源部拨款，但他已经申请了新的资金来钻探距离更远的井，并且当然会在更高的温度下测试新的工具。到那时，他将有一个新的邻居。Fervo下一个项目的钻机已经从FORGE井平台上可见——这将是一个计划中的全尺寸发电厂的开始。
如果一切按计划进行，拉蒂默说，它将产生400兆瓦的能源，足以为30万户家庭提供电力。他说，在FORGE和布伦德尔的阴影下进行钻探是合乎逻辑的。该地点已经进行了广泛的调查，并且具备将电力输送到Fervo在加利福尼亚的初始客户的电网互联能力。目标是实现地热能源的无处不在。目前，从这里开始是有意义的。
