干热岩是啥？中国储量可用4千年，或将改变世界能源格局

　　虽然现在关于石油峰值的预言不停被打脸，但是我们在大方向上倒是有相同的判断，那就是化石能源总有一天会枯竭，人类必须找到其他的清洁能源代替，才能长久发展下去。目前我们对新能源的探索还在继续，除了经常被提到的太阳能、核能以及风能水能之外，地热能也有可能成为未来新能源的主力军之一。
　　Tips：清洁能源即绿色能源，是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，它包括核能和＂可再生能源＂。可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、海洋温差能、地热能等。
　　比如说现在被学界所重视的干热岩，就是一种非常环保的地热资源。而且中国境内探测到的干热岩储量，估计可以让中国用上4千年，这种新能源真的能改变世界能源格局吗?
　　干热岩是什么？
　　干热岩是一种广泛存在于地幔浅层的岩石结构，一般深度在地下3到10公里左右。因为下端岩浆层距离地表较近，所以会让上面的岩石层炙烤加热，达到约200多度的高温。这种地层的形成方式比较特殊，一般在火山地层或者造山运动比较剧烈的地区才会产生。正是由于这些地方地质活动比较剧烈，地幔中的岩浆才会距离地壳较近，炙烤岩层形成干燥炽热的干热岩。
　　Tips：地球外层主要是固态岩石，其热量以传导为主；而岩石圈以下的地幔等是一种可流动的状态，热量传递以对流为主，温度从10℃左右一直上升到6000℃。
　　其实，干热岩的结构和我们平常见到的温泉差不多。只不过干热岩没有地下河等渗透，所以没有形成温泉。如果说可以人为进行干涉，对干热岩加水加压，就可以产生大量高温蒸汽，帮助我们发电或者供暖。这种方法不会对环境产生污染，听上去是非常不错的新能源项目，而且在世界范围内都已经开始应用。
　　Tips：温泉hot spring是泉水的一种，是从地下自然涌出的，泉口温度显著地高于当地年平均气温的地下天然泉水，并含有对人体健康有益的微量元素的矿物质泉水。
　　我国的陕西省太原市的部分小区，早在2017年就已经用上了干热岩采暖，并且这种模式已经趋于成熟。基于中国干热岩资源的丰富度，以后的干热岩开发将大有作为。那么究竟中国究竟有多少干热岩储量呢?
　　中国有多少潜在的＂地下锅炉＂？
　　根据中国地质调查局的评估，现在我国三到十公里深处的干热岩资源总量非常可观，如果全部换算成热能的话，为2.5×1025焦耳 ，相当于860万亿吨煤炭燃烧后产生的热量。因为干热岩开采难度比较大，所以保守估算，如果其中只有2%的资源可以被开发利用，也相当于我国2010年消耗化石能源量的5300倍。
　　Tips：化石能源是一种碳氢化合物或其衍生物。它由古代生物的化石沉积而来，是一次能源。化石能源所包含的天然资源有煤炭、石油和天然气。
　　因为地质活动越频繁的地区，这类资源越多，所以我国的干热岩资源多集中在青藏高原、松辽盆地以及东南沿海一带。这个储量水平就算放到全世界，都足够自夸一番。中国的干热热岩储量不仅是全国地下化石燃料储量的30倍，也是全世界可开采干热岩储量的六分之一。
　　如此大的储量，怎能不让人心动？我国在2010年时就已经开始大范围勘探干热岩资源，并在2012年联合吉林大学、清华大学、中国科学院广州能源研究所进行地热开发研究。到了2015年5月，第一口干热岩勘察井就已经在福建漳州市清泉林场开钻。再到2017年正式利用，前后仅仅用了七年的时间，可谓成果斐然。
　　Tips：干热岩是一种新兴地热能源，是一般温度大于180℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体（致密不透水）的高温岩体。
　　虽然青藏地区的干热岩开发利用难度很大，但是仅山东省探明的干热岩储量，就相当于187.79亿吨的煤。那么，我们是不是可以预言，在未来的几十年内，我国就可以实现热干岩供暖或者供电的大规模应用呢？对于这个问题我先按下不表，不妨来看看世界上地热资源利用率最高的国家是什么样子的。
　　一个靠地热能养活的国家，冰岛
　　冰岛是世界上唯一一个仅靠地热资源就可以养活自己的国家。它处于北大西洋接近北极圈的位置，看起来和热能毫不相干，但实际上却是一座名副其实的火山岛。
　　Tips：冰岛的间歇泉，世界著名间歇泉。位于冰岛首都雷克雅未克，泉水温度达100多度。当地居民引喷泉热水为家庭取暖，或培育瓜果蔬菜。
　　由于缺乏石油和天然气资源，19世纪时的冰岛还是一个高度依赖进口的国家，直到二战之后，冰岛才逐渐脱离了对煤炭的重度依赖，转而开发地热能。到了2014年，冰岛的可再生资源利用率就已经占全国的85%，其中有66%都是地热资源。其中全国的供热系统，96%都是依靠干热岩或者天然温泉。
　　在长期的研发探索中，冰岛已经摸索出了一套科学的地热阶梯级利用的方法，真正得实现了循环利用。
　　Tips：矿泉水是从地下深处自然涌出的或者是经人工开采的、未受污染的地下矿水；含有一定量的矿物盐、微量元素或二氧化碳气体。
　　首先，从干热岩中采集到的高热水蒸气会用来给汽轮机发电，作为利用的第一个阶梯。发电之后剩余的热水将会储存在自然湖泊之中，二次加热到80度左右输入市区，为市民供暖或者融雪，作为第二阶梯。
　　而用剩下的热水依旧有利用价值，因为在地下岩层中走了一遭，所以已经变成了名副其实的矿泉水，不仅加工处理后可以达到饮用级别，也可以直接引入温泉疗养中心发展当地旅游业，做为第三阶梯。到这之后，地热水的温度已经大幅下降，但还是可以用来给蔬菜大棚供暖，养殖鱼类等畜牧业的供暖，成为第四阶梯。形成了独有的冰岛模式。
　　Tips：温室大棚greenhouse，又称暖房，在不适宜植物生长的季节，能提供温室生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。
　　虽然冰岛地热资源丰富，但是就像上面上面所说，大部分都用在了城镇供暖使用，而发电量只占全国的30%左右，大多数是依靠水力发电维持。大型的地热发电厂在全国有7个，装机总容量也只有60万千瓦。
　　不过，不管是地热还是水电，都是可再生资源，成本很低，这让冰岛的电价非常便宜。如果换算成人民币，工业用电每千瓦不过0.2元。现在，冰岛甚至计划把多余的电能，通过建造海上特高压输电线路，直接卖给英国。
　　Tips：水力发电Hydroelectric power，是利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含势能转换成水轮机的动能，再借水轮机为原动力，推动发电机产生电能。
　　在此我们不妨畅想一下，如果说中国可以大规模开发干热岩，那么以后北方居民的供暖费用或许会大幅下降。而且电费也有可能更加便宜，再想想随处都能开温泉旅店，怎么想都太幸福了。那么问题来了，我们中国可以模仿冰岛模式，建立成系统的地热资源开发吗？
　　冰岛模式不适合中国
　　可惜的是，放眼全世界，除了日本或许可以模仿之外，其他国家都不适合这套冰岛模式。原因也非常简单，冰岛位于地质最活跃的洋中脊之上，所以干热岩距离地面很浅，只有几千米的距离，才适合被大量应用。
　　Tips：洋中脊一般指洋脊。洋脊是指贯穿世界四大洋、成因相同，特征相似的海底山脉系列。洋脊为地球上最长、最宽的环球性洋中山系。
　　中国想要利用干热岩，难度比冰岛大得多。想要利用三到八公里深度的干热岩，大致可以分为以下几个步骤。
　　首先从地表向干热岩中打一口深井，接着用高压水灌入其中。高温干燥的岩石遇到冷水，就会崩裂断开，形成一个地下储水层。接着在储水层上方打几个出水口，被加热的水变成蒸汽从出水口返回，就可以用来发电或者供暖。之后，这些水也可以再次回流，进入岩层中完成整个循环。这些步骤里，每一个都存在着技术难关。
　　Tips：地下水ground water，是指赋存于地面以下岩石空隙中的水，狭义上是指地下水面以下饱和含水层中的水。
　　首先是打井。我国地热资源最丰富的地方是青藏高原，但是这里缺乏重工业和技术人才，想在这里打井，几乎难以实现。我们先抛开成本不谈，就是真的打出来了，这里也没有多少城镇可以利用它供暖。在2018年，青海共和盆地在钻探时，曾发现了一个深度只有3750米，温度275度的干热岩地层，但因为没有条件开发，至今仍旧搁置。
　　但是有开发条件的地区，却因为干热岩埋藏过深，陷入了高成本低回报的困境之中。我们可以简单得对比一下石油钻井的成本，来判断干热岩究竟值不值得开发。
　　Tips：利用机械设备或人力从地面将地层钻成孔眼的工作称为钻井。通常指勘探或开发石油、天然气等液态和气态矿产而钻凿井眼及大直径供水井的工程。
　　我国目前8000米以上深度的钻井，基本上都位于塔里木盆地之中，每个钻井的投入至少在上亿元人民币。当然这些成本有一部分是为了防砂治沙等等。但是，钻探石油，通常是在质地较软的岩岩之中摸索，而干热岩本来就是硬度高的岩层，成本投入可能比塔里木盆地钻石油高出不少。但说起经济效益，却远比石油要低。
　　再加上超深钻井总是不能一次打孔成功，遇到地下事故塌陷，很有可能功亏一篑。目前我国还没有降低超深钻井成本的办法，放眼整个世界，都没有例子可以借鉴。也就是说，现在也只有几千米左右的干热岩层可以为我们所用，我国才有了开采2%的保守估计。
　　Tips：塔里木盆地位于中国新疆南部，是中国面积最大的内陆盆地。盆地处于天山、昆仑山和阿尔金山之间。面积约40多万平方千米。海拔高度在800到1300米之间，地势西高东低。
　　接着是维护成本，虽说用地热发电就免去了烧水的烦恼，但维护成本依旧可怕，如果计算失败，很有可能闹出笑话。法国曾经在苏尔士地热项目中砸款近百亿欧元，结果到最后，建成了一个发电量只有2000千瓦时的地热发电站。
　　更好玩的是，发出来1000千瓦时电力，被发电站自己消耗了，因为它还需要把大量的高压水泵入深处的岩层之中。之所以这么夸张是因为技术问题，虽然泵进去了大量的水，但是最终变成水蒸气返回来的却只是少数，大多数水去哪了？法国人自己也在纳闷。
　　Tips：地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。
　　除此之外，管道的结垢问题也是一个技术难关。就像前面介绍冰岛时所说，水在岩层中走上一遭就变成矿泉水了，再加上高温高压，所以很容易在管道里堆积水垢。很多地热开发项目，都需要不停更换管道，才能让系统正常运作。如果不能把防水垢的技术搞好，建造地热项目简直是烧冤枉钱的亏本买卖。
　　此外，干热岩开发还有安全层面上的问题。在向干热岩中注水时，如果刚好在地质断层附近，那么就有可能引发小型地震。美国在开采页岩油时也遇到过相似的问题，因为向页岩层中注水，结果导致美国西部人工诱发的小型地震急剧上升。虽然不会引起大型地震，但作为建在城市附近的供暖设施，你真的总是引发小地震，作为居民又作何感想呢？
　　Tips：地震earthquake，又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象。
　　那么，干热岩真的没办法大规模开发了吗？
　　对未来的展望
　　面对这一系列问题，广州能源研究所研究员蒋方明团队在2020年提出了一个新的方案。既然往岩层中注水浪费高危险大，那么直接用导热铜管传热，是不是就能高效利用地热能呢？这里提到的导热铜管，早在修建青藏铁路和公路时就已经大量应用。
　　Tips：永冻层permafrost又称永久冻土，是指持续多年冻结的土石层。可分为上下两层：上层每年夏季融化，冬季冻结，称活动层或冰融层；下层常年处在冻结状态，称永冻层或多年冻层。
　　因为青藏高原处于永久冻土层上，如果铁路和公路让地下升温解冻，铁路和公路就可能塌陷损坏，于是便大量使用导热管把冻土层中的热量收集起来释放在外面，就可以保住冻土层。其实是利用蒸汽吸热，凝结放热的原理，在抽真空的铜管里掺入少量液体制成的。
　　虽然想法不错，但在小编看来很难实现，因为你得造出来长度超过3公里的导热管才能完成任务。希望，小编的担心是多余的。也衷心希望，我国能找到合理利用地热能的方法，让我们电暖价格越来越便宜。