地热代替化石和核能?

Question

为什么我们不在全球范围内利用地热来发电，而不是燃烧化石燃料和使用核能?

这难道不是比建造耗资数十亿美元的新电站便宜得多吗?

既然我们能钻油井，为什么不能挖到足够深的地热井呢?

抱歉问了这么多问题，我脑子里有想法，想要一些合乎逻辑的答案。

Answer 1

举个例子哈瓦那地热试验工厂2003年至2013年在澳大利亚进行了调查。它是一个1兆瓦电厂位于澳大利亚中部的库珀盆地。

热源岩深度超过4600 m，温度为264°C。该项目耗资1.05亿澳元，最终被认为不经济。该项目包括钻几个洞，深度约4600米，向一些洞中注入大量的水，然后收集从另一组钻到4600米深的洞中产生的蒸汽，并用蒸汽驱动涡轮机发电。

这个项目的问题是:

• 钻井的深度是必需的——它是深而昂贵的。
• 在干旱地区获得足够的水供应。
• 该地点距离可能使用任何发电的地点都太遥远了。建立输电线路将是非常昂贵的。
• 必须处理不利的地质条件，例如较浅深度的裂缝带，注入的水可能会丢失。

在下面的图片中，红色区域是澳大利亚唯一拥有5公里深的热岩石，可以提供地热能的地区。与欧洲大陆的其他地区相比，这个地区非常小。有些岩石更深。

Answer 2

我们当然不能用地热来代替世界上所有的能源消耗;地球没有足够的能量输出。

从地核流过大陆地壳的平均热能约为每平方米65毫瓦。(我们将假设我们没有技术在海底建造地热发电厂。)江南登录网址app下载地球的陆地面积是148,94万公里²．把这两个乘起来，我们就得到了净能量流$9.7 \乘以10^{12}$瓦特，或9.7太瓦。在一年或8760个小时的时间里，这相当于大约$3.1 \乘以10^{20}$焦耳，或290千万亿btu。但2019年全球能源消费总量大约是60千万亿btu，是这个的两倍多。

当然，有人可能会说我们不想要取代所有能源利用与地热能，只是发电。这是一个较小的数字:约81千万亿btu。这看起来有点可行了，但问题是这是不可能的——不仅仅是“我们不知道怎么做”，而是“有”这是物理定律禁止的——将热源中存在的热能100%提取为电能。目前在商业上可行的地热发电厂的典型效率大约是7-10%，而且这些发电厂建在特别浅的深处有特别热的岩石的地方。

地热仍然是一种有用的能源，当然，在世界上那些地质条件允许地热可行的地区。但它不太可能占世界能源预算的很大一部分。

Answer 3

问我们是否可以用一种单一的能源来取代我们今天使用的主要能源是一个有缺陷的问题。很明显，没有单一的解决方案，任何可以成为能源组合一部分的东西都应该考虑在内。就像@Michael Seifert回答中的那种全有或全无的方法，是那些不想在这些解决方案上投入任何东西的人用来批评所有可能解决方案的经典论点。如果把水电、地热、风能、生物质能和其他可再生能源分开来看，它们都不是解决能源问题的魔法棒。但核能和化石燃料本身是不够的，它们一直是能源结构的一部分。

我不知道地热到底能贡献多少，但我知道它值得更多的关注。@Fred引用的例子表明，这并不是一个在任何地方都可用的解决方案，但另一方面，这似乎是一个注定要失败的项目。他们决定在最困难的条件下评估地热的成本回报。的确，他们发现的高温保证了更好的效率，但这是有代价的，因为钻井成本会随着深度的增加而呈指数级增长。因此，更低的深度意味着更低的效率，但启动成本要低得多，地热项目是资本密集型的，运行成本通常只占总成本的一小部分。我通常写是因为水实际上很重要，选择沙漠作为第一个项目似乎不是一个好主意。顺便说一下，这是中国运行时间最长的地热项目中最深的井拉德深度不超过3000米。

因此，尽管我们没有很多地方在低深度有合适的温度和足够的水来进行冰岛风格的大型项目，但有很多地方适合小型项目，效率低，初始投资也较小。此外，还有更多的地方适合直接加热．简单地扩大地热能在全球范围内的区域供热使用，就可以满足我们能源需求中不可忽视的一大块，忘掉那种孤注一掷的方法，魔法棒是不存在的。

Answer 4

只有少数地表附近有热水的地区(如冰岛)适合发电。但为了储存热能，从而节省或取代化石能源、可再生能源和绿色电力的消耗，地下水量是理想的，因为1立方米的水，温差为ΔT = 40°C(例如15°C - 55°C)，可以储存约47千瓦时的热能。

由于从地核流向地表的热流相当差(~ 0.09W/m²)，我建议利用夏季来自太阳的辐射能(高达~ 1000W/m²)来使用这种无与伦比的廉价能量储存。为了主要在夏天吸收这种热量，太阳能模块是一种广泛而有效的工具——水冷PV-T模块(电力和热量生产)会更好，不管出于什么原因，不幸的是，它仍然是一个小众产品。

功率输出，而且寿命几乎所有光伏模块增加~0.4%/°C冷却，而一个模块/面积的整体效率可以从~20%增加到~80%。

因此，对大部分能源部门来说，最简单、最合理的解决方案是收集夏季的热量，并按季节储存起来，以备冬季使用。有了合适的热泵，这个蓄热库在冬天就变成了冰库，然后在夏天就可以用来降温。

世界上有无数的洞穴、前煤矿或其他地下矿井，适合作为热/冷存储、泵浦存储或压缩空气存储形式的大容量能源存储——理想情况下，不同类型的使用组合可以提高这种投资的整体效率。

由于我们不仅要应对气候变化导致的日益严重的水资源短缺，还要应对暴雨和洪水(干旱和洪水)，这样的地下水库也可以帮助更好地控制这些事件。

Answer 5

地热发电有广泛的应用，但它有几个缺点....

1. 经济方面:电力占20% -30%钻井现场的故障率潜在的场地变得无法恢复。所以经济上的失败，一英里深的井可能会损失数千万美元，如果它松动，地震岩石地区，这个洞甚至在被开采之前就会坍塌。
2. 可用性:作为能源而丰富的;它在世界上大部分地区高度分散，要想进入热点地区可能需要钻几千米，这是一项昂贵的工作，尤其是在20- 30%的故障率下。而且在它无处不在的地方，可能不会靠近人口中心，因此需要很长的传输距离，从而抵消了它们的优势;许多电厂规模很小(从不超过10-100兆瓦)，不值得投资。
3. 耗尽风险:在冒耗尽风险之前，热点应谨慎使用。把多余的水倒在蒸汽上有耗尽热源的风险。
4. 能量密度/热力学效率:大多数井的平均适宜温度;很少超过150摄氏度......相对于运行温度可达500-1000摄氏度的化石燃料或运行温度可达280-300摄氏度(一些实验温度为495-600摄氏度)的核能，地热的工作流体温度相当低，热效率为7-10%(核能33-35%，化石:33-90%)。

然而其他选项利用低沸点(低于100摄氏度)闭式循环发动机。它们不是烧开水，而是加热氨或碳氢化合物制冷剂。

地热也可以用于节能的空间供暖和温室管理从而减少大量的化石能源消耗。

Answer 6

我看到这里有很多关于地热能的误解。

我将尝试解决其中大部分问题，希望人们能更认真地对待地热方面的最新数据。

首先，在电力生产方面，地热并不局限于少数几个地区。如果我们挖得足够深，就可以很容易地在海洋中开采，甚至在其他任何地方都可以开采(而且对现有的地热井等工作要少得多):

http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2015/37011.pdf

供暖和制冷(约占人类能源预算的40%)在全球范围内都可以以地热的形式获得:

https://education.nationalgeographic.org/resource/geothermal-energy/: ~:文本几乎% 20 = % 20地区% 20 % 20世界,C % 20 (302% c2%b0 % 20 f)．

全球有很多火山(不活跃的和活跃的)可以用于地热发电。

黄石超级火山基本上可以为整个地球提供两倍的能量:https://www.forbes.com/sites/robinandrews/2017/09/29/yellowstone-supervolcano-could-power-the-entire-planet-twice-over/

此外，根据麻省理工学院2006年的研究，得出的结论是，地球有13000泽焦耳的地热能可用(这是在更新的研究确定地核实际上更热之前)，并且以当时(2006年)可用的技术，我们可以很容易地提取200泽焦耳的能量(当时人类文明每年使用0.5泽焦耳……江南登录网址app下载由于全球三分之一的人口没有电可用，这一数字必须上升到0.65泽焦耳——如果我们考虑到从那时起已经过去了16年，总能源消耗增加了大约55%，当今世界人类使用的泽焦耳总量估计约为每年1泽焦耳(还包括三分之一没有电的人类——所以每年1泽焦耳将是整个人类都有电的情况)。

https://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2006/11/MITEI-The-Future-of-Geothermal-Energy.pdf

所以，自2006年以来，我们已经有能力利用200年的基本负荷地热发电……最终通过改进的技术变成了可以使用2000年的电力。

现在，这里大多数人忽视的是，如果我们挖得足够深，地热实际上可以在全球任何地方获得(公平地说，这对现代技术来说并不是太大的麻烦，因为如果石油/天然气公司在100年前可以挖到地下几公里深的石油和天然气，那么做同样的事情，或者挖得更深一点的地热几乎不是问题)。江南登录网址app下载

此外，地热的运营成本比地球上任何其他能源都要低，在每兆瓦时19美元到36美元之间(尤其是与每兆瓦时112美元到189美元之间的核电相比)，在3-7年内完全收回成本(是的，这包括挖掘成本等)，更可靠，如果维护得当，每个发电厂可以持续100年以上，没有运行燃料成本，与大多数其他能源相比，运行成本更低，占用的土地面积更小:

https://www.energy.gov/eere/geothermal/geothermal-faqs

https://www.energy.gov/eere/geothermal/geothermal-power-plants-minimizing-land-use-and-impact#:~:text=An%20entire%20geothermal%20field%20uses,acreages%20for%20mining%20their%20fuel．

1913年在意大利建造的第一个地热发电厂至今仍在运行，发电量大大扩大:

https://www.power-江南登录网址app下载technology.com/analysis/oldest-geothermal-plant-larderello/

除此之外，全球所有的油气井(以及人员和他们的技能)都可以相当容易地转移/转换为地热，用于发电和供热，而花费的钱/成本是关闭它们的一半。

澳大利亚的一家公司也在寻求利用其技术将燃煤发电厂转变为地热发电站。江南登录网址app下载地热盐水也富含各种矿物质，如锂。事实上，在美国，仅仅几个地热发电厂就可以为整个国家提供更多的锂(康沃尔的地热发电厂也是如此)。

更多信息可以在这里找到我提到的所有这些点:

https://www.offshore-mag.com/pipelines/article/16762144/geothermal-power-an-alternate-role-for-redundant-north-sea-platforms

https://www.pressandjournal.co.uk/fp/business/local/3028309/plan-to-repurpose-rigs-for-geothermal-energy/

https://www.energy.gov/eere/articles/doe-awards-84-million-accessing-geothermal-potential-abandoned-oil-and-gas-wells

https://techxplore.com/news/2022-02-quaise-energy-power-geothermal-drilling.html

https://www.boisestate.edu/news/2022/03/21/how-a-few-geothermal-plants-could-solve-americas-lithium-supply-crunch-and-boost-the-ev-battery-industry/

https://www.euractiv.com/section/energy/news/game-changer-for-geothermal-energy-as-uk-plant-unlocks-vast-supply-of-lithium/人们似乎一般都在根据过时的信息行事。

这里有一篇关于超临界地热的额外文章，以及它是如何为几乎所有东西提供动力的，以及它的发展进展如此缓慢的主要原因(提示:缺乏资金，而不是技术或可获得性):江南登录网址app下载

https://spheresofinfluence.ca/geothermal-energy-can-the-forgotten-renewable-make-its-mark/

https://www.energymonitor.ai/tech/renewables/supercritical-geothermal-could-power-everything

最后一件事:全球地热能利用的最大障碍不是地热资源的可获得性或技术能力……它缺乏资金。与任何其他能源相比，地热是最没有资金支持的能源之一，因为许多投资者(以及广大民众)都认为神话和过时的信息实际上没有可靠的准确性(而且很容易被更多的最新信息反驳)。