全速前进：挖掘地热的力量

地热能比它的一些可再生能源表兄弟鲜为人知，由于它能够提供 24/7 电力、热量、冷却、关键矿物质等，它现在正在崛起

地热能有可能在向清洁能源经济转型的许多方面提供帮助，包括储能、矿物开采等。 NREL 的 Joelynn Schroeder 制图

地热能——字面意思是“来自地球的热量”——可能很难看到，但由于公众兴趣和影响力的增加，它不再隐藏。

虽然地热发电厂提供可再生能源已有 100 多年的历史，但最近的研究和进展表明，地热不仅仅是一种 24/7 的清洁能源。

“地热是一种三重资源：用于加热、冷却和供电的能源；存储资源；和矿产资源，”国家可再生能源实验室 (NREL) 地热实验室项目经理 Amanda Kolker 说。 “地球本身有潜力解决向清洁能源未来过渡的各种障碍。”

凭借提供电力、供暖、制冷和储存的能力——加上获取关键矿物、捕获和封存碳、生产绿色氢等的潜力——地球的自然热量是一个随时可以被利用的发电站。公共和私营部门的投资者和领导者都在全力推进地热。

科罗拉多州州长 Jared Polis 最近发起了“我们脚下的热力”倡议，以鼓励科罗拉多州和其他西部州的可再生地热能源发电。作为西部州长协会倡议的一部分，NREL 为该项目提供了技术援助，并于 2023 年 2 月 24 日举办了一场活动，向出席的 50 多位领导人展示了该实验室的地热研究组合。

2023 年 2 月 24 日——作为西部州长协会在 NREL 校园会议的一部分，尊敬的州长 Jared Polis 参观了国家可再生能源实验室。 （照片由 Joe DelNero / NREL 拍摄）

从改进地热资源识别到推进钻探技术再到扩展新兴技术，请继续阅读以了解 NREL 的研究人员如何发现地热如何利用地球来拯救地球。

利用地球拯救地球

“地球本身就是一种可再生能源，”科尔克说。 “地球的热量永远可用；它不会在太阳下山时消失。通过提供可靠的 24/7 清洁能源，它可以在能源转型中发挥重要作用，而且它可以做的比人们想象的要多得多。”

如果你去地球的中心旅行，你会发现它和太阳表面一样热。

幸运的是，我们不需要达到 9,000°F 的温度即可利用地热能。地热发电厂的运行温度范围仅为 250° 至 700°F；温度范围为 100° 至 300°F 的热量可直接用于空间供暖、工业和农业用途；仅在地下 10 英尺处发现的 50°–60°F 稳定温度可以加热和冷却各种规模的建筑物和社区。

NREL 地球科学研究员 Whitney Trainor-Guitton 说：“它不一定是这座惊人的、引人注目的火山。” “我们可以使用 55°F 的地下水来加热和冷却巴士总站、大学校园，甚至整个城镇。”

水热资源自然具备大规模地热发电所需的一切——即热量、水和水移动的途径——是许多人在想到“地热”时所想到的。一个多世纪以来，这些类型的发电厂一直在提供清洁能源，但只有某些地点是理想的。

NREL 热科学研究员 Koenraad Beckers 说：“水、热和流动路径这三样东西同时存在是很罕见的。” “你会在加利福尼亚、内华达、冰岛、新西兰和日本等地看到这种情况。但你可以在世界任何地方使用某种类型的地热技术，而且你通常可以将水和通道带到现场。”

现在，新技术可以将缺失的组件带到自然没有它们的地区，并且可以在社区或家庭范围内启用地热，为各地的地热打开大门。

犹他州纽卡斯尔附近的 Milgro Nurseries 温室是全国大约 40 个受益于直接使用地热能的温室之一。纽卡斯尔地热资源位于埃斯卡莱特山谷的东南边缘，处于盆地山脉和科罗拉多高原自然地理省份之间的过渡地带。

新兴地热技术

一种新兴技术，即增强型地热系统 (EGS)，可以带来缺失的部分（水或穿过岩石的通道），允许在以前无法使用的地区进行地热发电。

“作为 Energy Earthshot 计划的一部分，美国能源部通过最近的 Enhanced Geothermal Shot 对 EGS 进行了大量投资，为新的 EGS 示范点和当前的犹他州 FORGE 示范点提供资金，”Beckers 说。

NREL 参与了 EGS 合作项目，该项目在位于南达科他州的前金矿桑福德地下研究设施地下一英里处进行实验。 EGS Collab 通过九个美国能源部国家实验室、七所大学和两个行业成员之间的合作，提供了实验室测试和全面 EGS 部署之间的垫脚石。

闭环地热，也称为先进地热系统，是另一种新兴技术，适用于传统热液不存在的地区。使用这些系统，水或其他传热流体流过为特定区域设计的管道系统，而不是流过地下岩石。

“使用闭环系统，您可以将流体保持在井和管道内，而管道则暴露在热岩石中，”贝克斯说。 “NREL 可以为行业和政府合作伙伴模拟 EGS 和闭环系统，提供在部署新技术进行重大投资之前所需的重要预验证。”

DEEPEN 项目正在探索地热能的另一个前沿领域，该项目是一个跨国项目，旨在探索如何利用新兴技术来利用新型资源——超临界或超热地热。开发超过水临界点（液态水和蒸汽无法区分）的地热资源有可能为数百万家庭提供电力。 NREL 正在努力开发探索和表征这些超热系统的新方法，该项目是国际大学、研究所和能源公司之间的合作项目，希望挖掘巨大的潜力。

“单个超热地热井产生的能量可能是今天商业地热井产生的能量的 5-10 倍，”科尔克说。 “如果我们能够找到并生产这些系统，这可能会改变游戏规则。”

2022 年 10 月 5 日 – Amanda Kolker，实验室项目经理 – 地球科学。 （照片由 Joe DelNero / NREL 拍摄）

挖掘未开发的

虽然新兴技术是扩展地热能的关键，但仍有丰富的资源可以使用传统方法进行开发。由于西部各州自然、理想的地热条件，美国目前在地热发电方面处于世界领先地位——地表的温泉和间歇泉就是明证。但是，我们如何才能找到最适合为数千户家庭供电的大型地热发电厂的天然区域呢？

“NREL 正在开发新的建模方法，使我们能够通过统计找到放置地热井的最佳位置，从而取得最大的成功，”Trainor-Guitton 说。 “当你谈论钻一口价值 1000 万美元的非常昂贵的井时，我们需要复杂的方法来了解资源存在的可能性。”

在过去的几十年里，石油和天然气行业已经为他们的勘探开发了类似的建模技术，但石油和天然气所需的条件与地热所需的条件不同。

“这些模型在石油和天然气领域得到了很好的发展，因为价值主张更加明显；聪明的头脑去开发这些技术，”Trainor-Guitton 说。 “地热处于发生这种情况的边缘，而 NREL 处于最前沿。”

数据科学还可以通过整合来自世界各地的数据集并使用机器学习算法来识别这些数据集中的哪些响应是有利的，从而帮助改进我们对大型未开发地热资源的评估。

NREL 的地热数据科学家 Nicole Taverna 说：“从广义上讲，有很多任务对人类来说太耗时或太具有挑战性，无法独自完成。” “数据科学让我们迈出下一步，超越人类大脑的能力，并识别出我们可能错过的模式。”

2017 年 11 月 3 日——科罗拉多矿业学院的学生和教职员工在能源系统集成设施 (ESIF) 的洞察中心探索 3D 可视化，该中心描绘了南达科他州矿山中的一系列隧道和钻孔。 NREL 是该项目的合作伙伴，该项目将使用南达科他州的矿山作为刺激地热能生产的新型增强技术的试验台。红色管代表注入井，蓝色圆圈代表岩石断裂带，白色管代表回液井，橙色管代表观察井。 （摄影：丹尼斯·施罗德 / NREL）

尽管只有某些地方碰巧拥有用于发电的天然、理想的地热资源，但可以在任何地方利用地热来获取热（热）能。

“在这个国家的任何地方，如果你钻探，你每深入一英里，它就会变得越来越热，”贝克斯说。 “在美国西部，温度升高得很快：如果你只钻 1-2 英里深，你的温度就足以产生电力。要在东部各州获得这些温度，您可能需要向下钻探数英里，但您可以使用较低的温度直接加热或冷却校园、社区甚至城镇。”

虽然为地热发电厂找到理想的位置可能需要时间，但借助现代热泵技术，利用地热资源进行供暖和制冷就像挖地下室一样简单。

NREL 的第一个闭环地热热泵井有助于在校园内整合地热资源。 （Devin Egan / NREL 摄）

“在地表以下仅 10 英尺处，温度全年保持不变——大约 55°F，”Kolker 说。 “这意味着地热技术可以在夏季提供冷却，在冬季提供热量。”

无论是仅低于 10 英尺的温度还是来自更深地热水的热量，整个社区都可以使用直接使用的地热系统——直接使用地热的系统——来加热、冷却，甚至除雪、节能工业过程等， 和更多。虽然美国的大多数地源热泵装置用于单个建筑物，但它们在全球范围内用于供暖和冷却相互连接的建筑物的大型网络。

“直接使用技术的国际合作正在增加，”Trainor-Guitton 说。 “与 Geothermica 合作的一个名为 FLXenabler 的新项目正在评估当地热供暖和制冷与其他可再生能源和热能储存相结合时为社区提供的灵活性。” FLXenabler 联盟包括来自 SINTEF（挪威）、Equinor（挪威）、TU Wein（奥地利）、美国地质调查局以及 NREL 在地下表征、电力系统建模、建筑研究和热能储存方面的横切研究的代表。

“我对直接使用的兴趣增加感到兴奋，因为历史上在美国，重点一直放在电力生产上，”贝克斯说。 “直到现在，直接使用的供暖和制冷都被忽视了，尽管我们在这个国家使用了大量的供暖，而且它可以在任何地方使用。”

NREL 与 Con Edison 合作研究将纽约市的蒸汽系统（为帝国大厦提供动力，目前使用天然气）转换为地热，这证明了人们对直接使用的兴趣增加。 NREL 研究人员正在解决岩土工程、经济和后勤问题，以了解在纽约市使用地热能产生蒸汽的机遇和挑战。如果仅转换为 10% 的地热，该系统将成为美国最大的地热区域供暖系统。

对于社区规模的供暖和制冷系统，地热钻孔通常钻 10-500 英尺深。钻孔为相互连接的建筑物（区域）提供恒定的温度，用于通过热泵加热和冷却建筑物。该地区使用管道，因此水可以在建筑物之间循环。在夏季，能源站通过管道将冷水泵送到系统中的建筑物。在冬天，热水通过管道泵送，而冷水则返回能源站进行再加热。 NREL 的 Marjorie Schott 图片

减少、再利用、回收……和再利用

随着 NREL 研究人员努力改进地热勘探模型并扩大直接使用应用，同时已钻井可以重新用于地热。

“勘探钻探是地热开发的巨大前期成本，”科尔克说。 “但全国已经钻探了数千口油气井，其中一些可以重新用于地热或用于地热和碳氢化合物的联产。”

目前正在俄克拉荷马州和内华达州开展两个项目，旨在从油气井中产生 1 兆瓦或更多的电力。一个项目旨在为“地热热电联产”制定路线图——在积极开采石油和天然气的同时产生地热能——而另一个项目旨在重新利用废弃的油井。

当井不能重新利用时，钻新井的投资可用于突破界限并创造新的钻井技术。

地热无限钻井效率方法 (GLADE) 项目旨在做到这一点。该项目由美国能源部地热技术办公室与西方石油公司合作资助，将比大多数现有井更深（达 20,000 英尺）和更快地钻探双高温 (572°F) 地热井。该示范项目旨在通过将地热钻探率提高 25% 来缩短开发地热发电厂的项目时间表和成本。

图片由 DOE 地热技术办公室提供

地球作为电池？

想象一下，如果地球本身可以储存能量，而不是使用电池，而不仅仅是供您的房屋使用：足以为多户住宅、大学、社区甚至整个城市提供能量。地热可以通过地下储存成为这种“电池”。

地热能储存也很有吸引力，因为目前没有多少其他技术具有长期储存的能力。而那些确实也有高昂的费用或影响，例如建造巨型储罐、采购锂等稀土材料以及缺乏回收选择。

“但地球本身就是一个储罐，”NREL 集团热能系统经理兼定日镜聚光太阳能热能联盟执行董事朱广东说。

地球的地下可以提供能量储存，如热能（热量）、化学储存（二氧化碳——更广为人知的碳封存——以及氢和其他气体）和机械储存（通过重新利用深度基础设施，例如水井，为此）目的）。

“地热”一词的意思是来自地球的热量。美国国家可再生能源实验室

NREL 的一个项目，利用地下势能为重力存储重新利用基础设施 (RIGS UP)，正在探索使用油气井筒的基于重力的机械存储系统的商业可行性。 ARPA-E 资助的项目将通过在井筒内提升多吨重物来将电能存储为势能。一旦得到证实，该技术还可以用于不活跃的地热井内部进行长期机械储存。

NREL 研究人员还与传统石油和天然气公司合作，使地质热能储存成为现实。

NREL 地下能源系统的 Dayo Akindipe 说：“一些岩石系统不是很好的储存系统，但油气田是沉积的，具有很大的孔隙，具有良好的储存潜力——它们可以储存气体，这意味着它们可以储存水和热能。”研究科学家。

不再生产的石油和天然气场所可以进行清理并过渡到机械或热能储存——消除环境污染并将这些地区的工作岗位过渡到清洁能源经济。 NREL 科学家正在与石油和天然气公司合作，以确定示范点以加速这一转变。

采矿变得更好——锂

地热能还有其他与电池相关的应用。在地下加热并输送到地热发电厂的含盐热水也可能含有锂等稀有矿物质。这种稀有矿物对于电动汽车、心脏起搏器、手机等的充电电池至关重要。从已经被带到地表的水中回收矿物，而不是传统的采矿作业，对地球更有利。

“随着我们转向电动汽车和太阳能和风能电池存储，对锂的需求正在上升，”科尔克说。 “地热能或许能够以可持续的方式提供帮助。”

目前美国使用的锂中只有 1% 来自国内。一项针对锂的 NREL 分析发现，地热卤水每年生产约 24,000 公吨锂在经济上是可行的，足以建立这种稀缺矿物的安全国内供应。

特别是加利福尼亚州的索尔顿海这一地区，通过直接提取技术在地热能和矿物捕获方面具有巨大的潜力。

“最近的实验室研究表明，当我们考虑土地利用、水资源利用和运营的碳强度时，直接提取锂是一种相对较新的技术，比目前的硬岩采矿或蒸发池技术对地球更具可持续性，”科尔克说.

未来的锂研究旨在通过从地热卤水中提取锂来推动国内锂供应链的发展。

未来是混合的

在向化石燃料过渡的冲刺中，地热准备通过在没有阳光和没有风时提供基本负荷回退来帮助间歇性可再生技术，如太阳能和风能。

“只要你在地球上，就会有地热——一天 24 小时，”Akindipe 说。

当您在同一地点将地热与其他可再生技术结合使用时，混合结果通常比单独使用任何一种技术都要好。

地热能的全部潜力可以通过创造新的井技术和改造现有井、与其他可再生能源的混合、新型发电资源和技术以及基于社区的加热、冷却和弹性来实现。 NREL 的 Al Hicks 制图

“通过将太阳能和地热结合起来，我们可以设计一个自然结合并利用这两种技术优势的系统，”朱说。 “太阳能可以增加地热系统的热量，从而产生更多的电力，而地热系统可以储存太阳能中多余的能量。”

NREL 研究人员是地热太阳能集成优化方面的专家，他们最大限度地提高了发电厂的性能和系统的存储能力，这些系统可以容纳来自地热储层中的集中太阳能发电系统的额外热量。

此外，通过在地热资源充足时使用地热资源发电，在地热资源不足时使用混合技术，社区甚至可以创建自己的微电网来供暖、制冷和供电。这种微电网提供可靠性和弹性，以应对能源供应链问题和极端天气事件。他们也有可能创造当地就业机会。 NREL 通过分析地热微电网技术作为孤立电网的资源来帮助社区。

“在任何规模上，脱碳电网都将是包括地热在内的可再生技术的混合体，”科尔克说。 “那就是未来。”

最初由国家可再生能源实验室 (NREL) 发表，作者： Kelly MacGregor

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