地球本身可以为建筑物提供无碳热量

　　地球本身可以为建筑物提供无碳热量
　　世界需要清洁的热量，地热能拥有它。
　　作者： 大卫·罗伯茨
　　地热区域供暖，来源：地理视界
　　地壳中储存的热量，称为地热能，不含碳且取之不尽用之不竭。如果可以经济有效地利用它，它就足以让所有文明世代相传。
　　事实证明，利用它是一项不小的壮举，但由于气候危机的新紧迫性和寻找化石燃料的低碳替代品，最近的努力有所增加。
　　该领域的尖端技术发展（包括，是的，激光）致力于钻得越来越深，钻到越来越热的岩石中。从 302 F (150 C) 到 703 F (373 C) 的任何温度，水进入其＂超临界＂相及以上，均可用于有利地发电。
　　但电力只是地热故事的一半。早在人类用它发电之前，他们就直接使用地热来洗澡、做饭和加热建筑物等。地热直接供热今天仍在工业、农业和建筑中使用，但其潜力只有一小部分被释放。
　　在直接利用热量方面，地热资源不需要那么热。不需要 300 F 即可将您家中的空气加热至 68 F。几乎任何 50 F 或更高的温度（只有 10 英尺左右可用）都可以用于某些东西，无论是烘干谷物、运行温室、在机场跑道上融化冰块，还是为商业建筑供暖。
　　直接利用地热，来源：地理视界
　　地热几乎无处不在，并且可用于广泛的应用。美国能源部有一个专门针对这些＂低温和联产资源＂的研究计划。
　　但在我看来，最重要的应用是利用低温地热资源对建筑物进行大规模供暖和制冷。
　　如今，在能源世界中，供暖和供冷建筑不像电力那么吸引人，但它很重要，仅占美国温室气体排放量的12% 以上和城市排放量的更大比例，其中许多城市都有积极的脱碳目标。为了实现这些目标，他们需要弄清楚无碳供暖，地热是最好的（极少数）选择之一。
　　在这篇文章中，我们将深入探讨地热的另一半：热量。首先我们来看看市场和对低碳供热的需求。然后我们将研究所涉及的技术和公司，最后考虑政府如何帮助加速地热解决方案的开发。
　　它很热，或者至少是温暖的东西！脱碳意味着地热竞争格局的改善
　　世界各地的城市都在制定积极的脱碳目标，承诺到 2050 年将其直接碳排放为零。脱碳城市面临的前三个挑战是电力供应、交通以及建筑物的供暖和制冷。电力和交通脱碳的途径虽然极具挑战性，但至少是相当清楚的：可再生能源、电动汽车和良好的城市设计，最大限度地减少对汽车的需求。
　　然而，对于大多数城市来说，热量是一个悬而未决的大问题。
　　石油和天然气炉将需要逐步淘汰，这意味着城市将需要大量的低碳热量来补偿。低碳选择在热量方面比在电力方面受到更多限制。
　　一些熔炉可以使用生物甲烷、其他生物燃料、氢或氢衍生燃料，但在一个以电气化为主的世界中，低碳液体燃料可能用于工业和运输领域的高价值应用——而不是为您的客厅供暖.
　　大多数热量用于空间和水加热，来源：美国能源部
　　这就留下了地热区域供暖，或者在单个建筑层面上，还有电阻供暖或热泵等电气选项。在热泵中，它要么是空气源（与外部空气交换热量），要么是地源（与地球交换热量）。后者效率更高。地热区域供暖是最有效的。
　　在一个脱碳的世界里，正是这些——其他低碳供暖选择——最终将成为供暖和制冷领域的竞争对手。这是波士顿等一些脱碳城市已经在努力应对的竞争。波士顿将难以建造大量新的电力基础设施来为建筑物供暖，因此它倾向于使用地热。
　　那么究竟有哪些技术可以从地球提供热量呢？有两个基本类别。让我们从较小的一侧开始。地源热泵是单个建筑最有效的热量来源
　　将地源热泵 (GSHP) 包括在内有点虚伪，因为从技术上讲，它们不利用地热能。它们利用储存的太阳能，来自撞击地球表面的阳光。只有当你深入到更深的地方，或者在活跃的火山区，你才能从地球的核心获得热量。准确地说，地源热泵收集储存在浅层地球中的太阳能热量。
　　我认为这个术语问题并不那么重要——它是地球上的热量！
　　在地表以下 10 到 1,000 英尺的任何地方，全国各地的温度全年稳定在 54 F。地源热泵利用这一事实来加热和冷却建筑物。当空气温度低于 54 F 时，它们会从地球吸取热量；当温度超过 54 F 时，它们会将热量排放到地球中。
　　GSHP 由两部分组成。第一个是埋在地下的＂接地回路＂管道，水在其中循环。通过传导，水从地球吸收热量（或将热量返回给地球），因此管道表面积越大，系统效率越高。这就是为什么在整个接地回路中经常会有几个管道回路的原因。经验法则是一个循环等于一吨容量，也就是每小时大约 12,000 BTU。一个普通的美国家庭需要 2 到 3 吨的容量，因此需要两到三个环路（或一个非常深的环路）。
　　第二部分是热泵本身，它位于内部，连接到地面回路，通过蒸汽压缩制冷剂循环与水交换热量（与冰箱与周围空气交换热量的方式不同）。在冬天，它从循环水中取出热量，将其释放到空气中，从而使建筑物变暖；在夏天，它从空气中吸收热量并将其放入水中，从而为建筑物降温。
　　地源热泵加热和冷却建筑物，来源：蒲公英
　　您可以将 GSHP 视为两个相互关联的热传递。通过接地回路，水与地球进行热交换；通过热泵，水与室内空气进行热交换。
　　由于地面温度在地面以下 10 或 1,000 英尺处基本相同，有点违反直觉，因此地面环路的深度并不重要。重要的是暴露在地球上的管道的平方英尺。安装人员根据项目使用长水平环或深垂直环。（如今的大多数项目都是＂闭环＂，这意味着没有流体与地面交换，但在适当的情况下，直接与地球加热的水一起工作的＂开环＂系统可以工作。）
　　来源：美国能源部
　　地源热泵不像石油或天然气炉那样产生热量，而是从地下收集热量。当然，水不会自行循环。运行地源热泵需要电力。但就每单位能量的热量输出单位而言——他们在业务中称之为性能系数 (COP)——这是为建筑物供暖的最有效方式。
　　石油或天然气炉的 COP 小于 1；一单位的能量输入产生大约 0.7 到 0.9 单位的热量。电阻加热（踢脚线加热器、壁式加热器、空间加热器）的 COP 为 1。空气源热泵 (ASHP) 从外部空气而不是地球吸收热量，随空气温度而有所不同，但通常可以达到 3 的 COP。根据气候，GSHP 可以达到 4，或高达 6。（它们在极端气候下工作得更好，空气和地球之间的温差很高，而不是在温带气候下。）
　　在最好的情况下，地源热泵的效率为 600%。除了为多个建筑物提供服务的区域供热系统之外，没有其他任何东西可以达到这种效率。
　　地源热泵是一项古老的技术——它们于 1940 年左右首次在美国出现——具有众所周知的优点和缺点。在好处方面，系统运行安静，运行成本低，维护成本低，没有室内污染物排放或温室气体，并且持续时间长。（内部的热泵可以使用 25 年；接地回路可以使用 50 年或更长时间。）已经安装了 GSHP 确实是一件好事。
　　不幸的是，安装一个也非常昂贵。它们的前期成本通常从 20,000 美元到 50,000 美元不等（比 1,000 美元的天然气炉多一点）并且安装它们通常涉及持续数周的大量钻孔和挖掘（比 1-2 天的周转时间多一点用于燃气炉或ASHP）。这些限制使它们对大多数房主来说不切实际。
　　至少目前，当涉及到改造时，GSHP 是否值得在 ASHP 之上增加额外成本是一个真正的问题，ASHP 已经改善到几乎可以在任何气候下工作。如果对于给定的建筑物来说，ASHP 还不够，那么通过绝缘和效率来减少供暖需求通常比购买更大的系统更便宜。
　　不过，对于新建筑来说，＂地热是一件轻而易举的事，＂Allied Well Drilling 的总裁亚当·桑特里 (Adam Santry) 说。＂你不需要任何[税收]抵免。将 [a GSHP] 纳入您的抵押贷款，您在第一个月的现金流为正。＂ 节省的热量比 GSHP 的贷款还款要多，马上就可以了。
　　＂是的，有前期成本，＂现在在 GeoPro, Inc. 从事该行业 40 年的资深人士 Alan Skouby 说，＂但它会在相对较短的时间内收回成本，而且一旦付款，它就是一台印钞机。＂ ＂
　　地源热泵面临着各种清洁能源技术在其成本和发展曲线早期遇到的问题：虽然从长远来看它们是有回报的，但大量的前期投资往往使客户望而却步。因此，增长的两个关键战略是降低这些前期成本并通过巧妙的融资将它们随着时间的推移而分摊。
　　一家新公司目前正试图兼顾两者，专注于住宅市场。蒲公英正试图让地源热泵变得简单
　　Alphabet（谷歌的母公司）的秘密X 实验室一直致力于解决清洁能源问题，并在发展过程中剥离公司。其中之一成立于 2018 年，名为蒲公英，它直接攻击阻碍地源热泵的问题。
　　蒲公英的团队＂不是在这个行业长大的，他们是在太阳能行业长大的，＂Skouby 说。＂他们以全新的视角看待这一切。＂
　　通常，HVAC 承包商可以自己安装熔炉或 ASHP，从而获得所有利润和税收抵免。对于地源热泵工作，他们必须找到一个钻井分包商并分配利润——用更少的钱更麻烦。他们还经常有需要移动的熔炉库存，并且可能需要特别订购 GSHP。激励不排队。
　　蒲公英的关键举措之一是垂直整合，将供应链中的所有环节整合到一个组织中。寻找客户、评估物业、钻地环路和安装热泵的人员都为蒲公英工作，因此他们可以有效地协调。
　　垂直整合还意味着蒲公英可以订购定制的高质量设备。＂因为他们有一个游戏计划来达到更大的规模，＂Skouby 说，＂他们可以利用这一点并降低成本。没有其他人愿意这样做。＂
　　例如，该公司设计了自己的热泵。＂我们研究了安装人员需要花费大量时间的原因，＂蒲公英的创始人兼总裁 Kathy Hannun 说，＂每次都有机会将这些东西安装到热泵中。＂ 所需的现场组装更少，而且与同类热泵相比，它的外形尺寸更小。它还包含传感器，可提供有关其在现场表现的实时信息，这是该行业所缺乏的。它也比竞争对手便宜。
　　该公司订购了专用钻头，比典型的地热钻头小，能够适应更小的空间。同样，他们优化了管道、灌浆和其他组件。该策略更像是一家太阳能初创公司：尽早投资以降低成本并开始扩大规模；相信规模将回报投资。
　　钻出垂直地面环路——4 到 6 英寸深约 500 英尺的孔——蒲公英已经大大减少了安装的时间和中断，从数周或数月到一周。该公司已将系统的前期交付成本从 25,000 美元降至 18,000 美元。
　　同样重要的是，它设计了一种融资模式来克服前期成本障碍。它将系统的成本借给客户，而客户无需预先支付任何费用。相反，他们以低于之前的供暖和制冷成本的固定月利率偿还贷款。他们从第一天起就省钱。
　　＂他们针对的是我们行业需要的客户类型，＂Santry 说，＂中低收入人群，这是我们无法提供的。＂
　　不过，贷款仍然附属于房主。Hannun 说，这个行业需要的是一种类似于屋顶太阳能的模式，具有＂第三方所有权模式，如果你是房主并且你不打算永远住在你的房子里，你可以不花钱——基本上只购买太阳能，而不是购买普通电力。＂ 这种＂太阳能即服务＂模式与＂热能即服务＂同样适用。
　　蒲公英正在纽约起飞，威彻斯特县等一些地方已经禁止在新建筑物中使用天然气，并且有数百万人使用昂贵的丙烷和燃油炉取暖（地源热泵将在五年内收回成本）。Hannun 说：＂当他们看到他们能够以低于燃料油支付的价格获得可再生能源时，这非常令人信服。＂ 该公司最近扩展到康涅狄格州。
　　Skouby 说：＂我认为他们会成功，因为他们计划的范围吸引了许多有财力来帮助推动他们正在做的事情的公用事业类型，或者支持他们排他性安排，他们不愿意与当地承包商进行。＂
　　纽约对低碳供热也有很大的激励措施，在地源热泵必须与天然气竞争的任何地方都可能需要低碳供热。但该公司正在不断学习，并认为有足够的空间＂全面＂降低成本，Hannun 说。当然，在一个碳受限的世界中，天然气将被淘汰。
　　这就是较小的地热供热技术。现在让我们看看更大的东西。低温地热可以廉价加热多个建筑物
　　在我之前关于地热的帖子中，我描述了传统地热系统的工作原理。一口井，即生产井，抽取地下含水层中的热水；水上来，热量被提取出来，水被冷却并通过第二口井，即注入井返回地球。
　　地热发电，来源：美国能源部
　　为了获得发电所需的高热量，此类系统通常必须位于火山活动附近的专门（且相对罕见）区域，那里的地下多孔岩石中存在极热的水。
　　但是含有温水的咸水含水层——不够热可以发电，但足够热直接加热——在美国和其他地方几乎无处不在。
　　利用温水（低于 300 F）的地热系统可用作区域供热系统的热源，即加热多个建筑物的热水回路的单个连接系统。
　　区域供热在美国是其最早的表现形式之一——爱达荷州博伊西市自 1890 年以来一直使用地热为建筑物供暖，并将其供暖到今天——但它在欧洲更为流行和先进，尤其是冰岛（尽管中国在这方面和其他方面都在迅速扩大）。巴黎、慕尼黑和雷克雅未克都以其广泛的区域供暖系统而闻名。
　　地热区域供热系统示例，来源：地理环境署
　　在美国，区域供热从未流行起来，但它是大学校园的一个常见特征。作为其脱碳目标的一部分，普林斯顿大学正在从天然气蒸汽系统转向地热系统。该技术的俄勒冈研究所，卡尔顿学院在明尼苏达州和鲍尔州立大学在印第安纳州（等等）地热区热已经热。
　　一旦支付了前期资本成本，地热区域供热在几十年甚至几个世纪内都非常便宜。（世界上最古老的地热区域供暖系统位于法国 Chaudes-Aigues，自 14 世纪以来一直在运行。）但前期成本仍然令人生畏。
　　该领域有一些新技术发展。能源部正在研究深层直接利用(DDU) 地热系统，该系统会深入研究几乎在任何地区找到合适的温暖温度，并将其用作校园、军事设施、医院综合体或住宅开发的大规模热源。美国能源部写道：＂美国尚未实现大规模、完全集成的 DDU 地热系统，尽管这种类型的努力在欧洲和其他地方越来越受欢迎。＂
　　其中一些 DDU 工作正在使用完全不与地球交换流体的＂闭环＂系统（与地源热泵不同），从而消除了地下水污染的任何可能性。加拿大公司Eavor（在我之前的帖子中介绍过）正在开发闭环系统，除了深入获取电力级热量外，该系统还可以用于为建筑物收集热量的低温系统。
　　一 些DDU 系统，如果它们利用足够高的热量，可以＂共同生产＂电力和热量，从而模糊了与地热发电系统的界限。
　　然而，事实是，当谈到浅层咸水层时，石油和天然气行业已经知道了它的出路。＂[地热热] 悬而未决的果实是我们的沉积盆地，深度在 2 到 3 公里之间，＂国际地热协会的负责人玛丽特·布罗默 (Marit Brommer) 说，她的职业生涯始于石油和天然气工程师，＂他们一直由于我们的石油和天然气运行，地图广泛。我们非常了解它们的温度——顺便说一下，我们在这些水库中发现的水比油多。＂
　　＂我们现在[比前几十年]拥有更好的工具——更好的钻井技术、更好的地球物理测井能力、更好的地震反射成像，＂可持续能源系统教授兼康奈尔大学地球源热首席科学家杰夫泰斯特说项目。＂我们对如何在岩石中找到渗透性和流体了解得更多。＂ 在那个深度钻探，避免污染或地震破坏，是石油和天然气几十年来一直在努力的事情。
　　地热区域供热对于任何建造新住房开发、校园或产业集群的人来说都是轻而易举的事。它代表了几代人的低、稳定的供暖成本（而不是石油和天然气的波动成本）。
　　像慕尼黑这样具有前瞻性的城市（正在寻求到 2030 年将温室气体排放量减少 50%）已经开始考虑将地热循环作为城市基础设施的一部分，安装和维护在水和下水道旁边，以便任何新建筑或开发可以简单地通过实用程序连接到主线，就像其他基本服务一样。
　　这种系统越大，其单位成本下降得越多。它是产生本地就业机会的本地资源；它不依赖于进口或全球市场。它赋予城市某种程度的独立性。
　　恩吉
　　同样，障碍是前期成本。Brommer 说，一个规模合适的地热区域供暖可以运行 2500 万美元，尽管＂平均而言，您需要花费大约四分之一的生命周期来摆脱 [债务] 负担，＂资本成本通常是足以吓跑开发商和市政当局。
　　成本将随着规模和知识共享而下降。＂我们需要的是在多个国家/地区开展类似子服务环境的多家公司，了解钻井要求和服务需求，＂Brommer 说，＂这意味着在国家 1 中吸取的经验教训可以应用于降低国家 2 的成本，三，四。＂
　　但这种学习需要成长。与地源热泵一样，诀窍是找到降低前期成本并随着时间的推移分散成本的工具。地热的前期成本更高，但总体成本更低。政府可以提供帮助。
　　加速地热发电的发展主要是关于技术研究和示范，但当谈到地热——包括地源热泵和 DDU 等更大的解决方案——主要需要的是将示范技术引入更广阔市场的公共政策拉动。
　　这意味着诸如赠款、税收抵免或上网电价（在这种情况下为取暖费）等激励措施，以降低前期成本。在市或县级，这意味着监管改革，以降低许可、选址和建设系统的成本。但也许最重要的是，它涉及融资机制。
　　请记住，在系统的整个生命周期内，地热区域供热系统或 GSHP 已经比其竞争对手更有价值。他们只是面临一个尴尬的问题，即几乎所有的成本都是预先堆积起来的，而收益会随着时间的推移而累积。带来挑战的是成本和收益的时间安排。
　　这就是可以及时转移成本和收益的融资机制可以解决的问题。30 年期固定利率抵押贷款是在 1930 年代发明的，目的是将房屋的大量前期成本分摊数十年，从而使数百万美国人拥有房屋。蒲公英刚刚起步的融资模式不需要客户的预付款，如果可以扩展（并附加到财产而不是所有者），它可以为地源热泵做同样的事情。
　　政府可以通过为低碳供暖系统提供低息、长期贷款，或者在银行或其他私人机构提供的情况下支持此类贷款来提供帮助。这些贷款有助于降低勘探新资源的巨大前端风险。
　　＂冰岛在 1960 年代通过建立国家能源基金解决了这一风险，该基金提供贷款来资助钻井和勘探的初始成本，＂Tester 说。＂如果最初的钻探阶段不成功，贷款就会拖欠国家；如果钻探成功，贷款将按计划支付。＂ 他说，这是在冰岛扩大地热能的最强大的政策工具。
　　冰岛的地热温室
　　除了融资，还需要新的所有权和服务交付模式。＂能源转型面临的挑战是石油和天然气公司不太可能在高温下运营，＂布罗默说。＂需要较小的中间运营公司了解开采热量需要什么，并且可以将其作为服务出售给公用事业公司。这就是前进的方向。＂ 根据流行的＂社区太阳能＂模式，此类中介机构甚至可以归当地社区所有。
　　围绕地热有很大的创新空间——在技术方面，尤其是在政策和融资方面。但美国需要认真对待将其扩大到必要规模所必需的投资、政策和法规。
　　在地热供热方面投入大量时间、金钱和政策关注，可以帮助在几乎每个美国邮政编码地区创造就业机会。美国能源部 2019 年Geovisions综合研究发现，＂技术改进可以在全国范围内实现 17,500 多个地热区域供暖装置，2800 万美国家庭可以通过使用地热热泵实现具有成本效益的供暖和制冷解决方案。＂ 地热系统的数量将是整个美国石油和天然气行业挖井数量的 50 倍以上——这是大量熟练的贸易工作。
　　地热可以帮助城镇实现一定程度的能源独立，为他们提供可靠的供暖和制冷来源，不会改变价格，也不需要进口。它可以帮助退休、下岗或只是无聊的石油和天然气工程师工作；Dandelion 最近聘请了拥有 20 年石油和天然气经验的Jeremy Smith作为他们的新钻井副总裁。
　　但最重要的是，它可以帮助解决如何快速使建筑物的供暖和制冷脱碳的难题，这个问题几乎没有得到足够的关注，也没有完全的解决方案。地热就是这样一种解决方案，就在我们脚下。我们只需要挖掘。