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美国公司计划往地下钻20公里深以释放无限的能源这可能实现?

发布日期:2022-03-15 17:51   来源:未知   阅读:
 

  ,即地球内部的热量,也是重要的、规模极大、几乎取之不尽的可再生能源之一。然而,地热能一直以来都没有得到普及,其原因主要是“岩石热导率低”、“效率低”、“挖掘成本”等等问题,即使利用地热发电量的美国,也只占其电力的 0.4%。

  不过地热能的开发难题似乎因一项技术的出现而改变——在2020年从美国麻省理工学院(MIT)独立出来的一家公司“Quaise Energy”正在研发一个可以蒸发岩石的钻头,计划往地下钻20公里深,最终目标将超深、超临界地热能商业化。而迄今为止,该公司已得到约6300 万美元的风投资金,可见其关(可)注(行)度(性)之高。

  相信每个人都知道地核很热——中心的温度估计约为 5200 °C,这是由放射性元素衰变产生的热量与地球形成过程中仍然存在的热量相结合产生的——这是一场灾难性的暴力事件,当旋转的气体和尘埃云被自身的重力压成一个球,这就是地热能源行业喜欢称其为“我们脚下的太阳”的原因。

  根据麻省理工学院高级聚变研究工程师保罗·沃斯科夫(Paul Woskov)的说法,地球表面以下的热量如此之多,仅利用其中的 0.1% 就可以满足整个世界超过 2000 万年的能源需求。

  但当下非常棘手的问题是,用于石油和天然气的钻井设备无法承受极端深度的超高温和超高压,因此我们的地热发电供应主要限于火山地区(如冰岛或萨尔瓦多)或炎热地区地表附近的水库。而且使用现有技术进行钻探的成本也会随着深度的增加而成倍增加——钻探两倍的深度成本是两倍多,这极大地限制了我们可以建造地热发电厂的地方。

  如果我们可以钻得足够深,我们可以将地热发电站放在我们想要的任何地方,但这比听起来要难。地壳的厚度在 5-75 公里之间变化,最薄的部分往往在深海中。

  人类历史上曾钻出的最深的洞是科拉超深钻孔(The Kola Superdeep Borehole),这个位于挪威边境附近的俄罗斯项目于 1970 年开始实施,旨在将地壳一直穿透到地幔,其中一个钻孔在 1989 年达到了12262米的垂直深度。虽然团队预计到1990 年将达到13.5 公里,到 1993 年达到15 公里,但他们在 1992 年被迫停止运营。在那个深度,钻探团队预计温度会在 100°C左右,但实际上他们发现它更接近 180°C。岩石的密度低于预期,多孔性更强,这些因素与高温相结合,创造了噩梦般的钻井条件。

  另外德国在 80 年代后期花25亿欧元也钻一个——KTB 钻孔,但这个钻孔项目在结束前只达到了 9101 米。同时钻探记录显示,温度上升的时间比预期的要早,KTB 团队也惊讶地发现这个深度的岩石不是固体,大量的流体和气体涌入钻孔,使工作更加复杂。简单来说,使用传统设备在非常深的地下钻探在技术上是可行的,但钻得越深,温度越高,越要不停地停钻换钻头,成本太高不可行。

  其实在90年代后期的军事实验中,研究人员利用激光辅助钻头进行钻探,可比传统钻孔快 10-100 倍地穿过岩石,但激光辅佐钻孔也不现实,比如能量在钻孔的过程中熔化钻孔轴、激光技术昂贵等等。

  正所谓柳暗花明又一村,随着核聚变技术的发展,科学家发现毫米波是大幅加热等离子体的绝佳方式,如果利用毫米波来钻探是否可行呢?频率为 30 至 300 GHz、波长为 1 毫米至 10 毫米的超高频范围(EHF)的射频或电磁(非电离)辐射称为毫米波(MMW),其高能量束可熔化和蒸发岩石。

  因此在2000年左右,毫米波钻探技术开始被研究并为人所知,而从麻省理工学院的等离子科学与融合中心独立出来的“Quaise Energy”似乎是最接近走出实验室并在现场进行测试的公司。在2017年的实验中,研究人员用大约 1.4 MW 的 3.2 毫米(95 GHz)波长光束在玄武岩中打出一个直径为 20 厘米的孔。

  所以“Quaise Energy”在基于突破性的聚变研究和成熟的钻井实践,开发一种全新的超深钻井方法——传统钻探设备结合回旋加速器驱动的高功率毫米波,简称“波钻”。先用传统的旋挖钻到地下岩层,然后切换到高功率毫米波以达到前所未有的深度,同时泵入气体(氮气或氩气)蒸发岩层,并将气体蒸发的材料带到地表。

  而Quaise Energy的最终目标是往地下钻到20公里深。根据其公布的时间计划,第一台能够到达 100 至 1000 米深度的钻探机器应该可以在 2024 年进行演示,并计划在 2028 年能够开始接管旧的燃煤发电站,并将其转变为蒸汽动力装置,尽管目前尚不清楚他们当时将在哪里或在什么深度钻探。

  可能有人疑惑,“Quaise Energy”开发地热能一定要钻到地下20公里深吗?这里的关键原因是在地壳中寻找更高的温度和压力以实现超临界水条件。

  物质的超临界状态是在高于其临界值的温度和压力下,并且在携带物质时观察到。当水的压力高于 22 MPa,温度高于 374 °C时,它变成“超临界”,即一个既不是液态也不是气态的状态,但同时具有与液态、气态相同的特性。在这个状态下,每一滴超临界水的质量比水或蒸汽高得多,这意味着它每单位质量的能量高出 4 到 10 倍。其次超临界水是如此的热,以至于它转换成电能的卡诺效率几乎翻了一番。也就是说,更多的能量来自于 20 公里深度的地热井,从而产生更多的电力。

  最后,如果如果Quaise计划成功,我们不需要为太阳能装置和风力涡轮机清理大片土地,也不需要安装巨大的备用电池——我们只需在现有发电厂旁边钻探,就可以利用地热能,而且是全天候运行,到时能源问题将不再是问题。就目前来说,这项技术仍然是一个白日梦,需要时间去证明。但不管怎样,这个看起来不那么“乌托邦”的技术,至少值得一试。

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