科学好故事|来自地下的巨大热量:数百万年都不会耗尽的清洁能源

BBC   自然地理 124 0 评论

  来源:BBC

  撰文:Jacob Kushner

  翻译:任天

据运营奥尔卡里亚地热项目的肯尼亚电力公司称,该项目的发电量大约占肯尼亚全部能源的27%据运营奥尔卡里亚地热项目的肯尼亚电力公司称,该项目的发电量大约占肯尼亚全部能源的27%

  在非洲大陆东部,有一条纵贯南北的大峡谷,这是两个板块之间的分界线,被称为东非大裂谷。在东非大裂谷的火山地带,地壳运动不断撕裂着这片大陆,同时释放出令人难以置信的大量清洁能源。

  沿着尘土飞扬的土路行驶,蜿蜒穿行于肯尼亚的“地狱之门”国家公园(Hell‘s Gate National park),路旁便是斑马、瞪羚和长颈鹿。你会看到远处有一股蒸汽直冲云霄。在布满蒸汽喷发口的巨大山谷里开车时需要十分小心,有时还要急转弯以避开冲过来的疣猪。

  蒸汽轰鸣着,释放出来自地球深处的巨大热量;但还有一些我们看不到,能量却更加巨大的蒸汽,蜿蜒穿过数公里长的管道,推动着涡轮发电机,为人类提供一种数百万年都不会耗尽的清洁能源。

  在这些地下迷宫般的管道之上,便是肯尼亚的奥尔卡里亚地热项目(Olkaria Geothermal Project)。在那里,一个新的发电站即将上线。在扩建之后,奥尔卡里亚6号发电站(Olkaria VI)的装机容量达到86兆瓦,推动该项目的总装机容量增至791.5兆瓦,这大约占肯尼亚全部能源的27%。目前,肯尼亚已经有38%的电力来自地热,这一比例比其他任何国家都要高。

  奥尔卡里亚6号发电站建成后,将成为世界上最大的单一地热发电站。在全球范围内,地热能是一个价值46亿美元的庞大产业,在东南亚、北美、欧洲和其他地区有500多家发电站,为数以百万计的家庭提供电能。毕竟,地热是世界上仅次于太阳能的第二丰富的能源。

  然而,就目前人类对太阳能的开发程度而言,地热能的开发还远远落后。尽管具有一些重要的优势,但到2016年时,全球从地热中获得的能源还仅为太阳能的4%。对比其他可再生能源,风力涡轮机在平静无风的日子里是没有用的,而太阳能电池板在太阳被云层覆盖的时候,或者到了晚上,都无法工作;对于地热能,无论一天中的什么时候,无论天气如何,我们脚下的地球都在稳定地释放大量的热量。

  要了解这种热量的潜在价值,最好的办法就是前往距离肯尼亚首都内罗毕西北约90公里的“地狱之门”,从蒸汽喷发口中感受来自地球深处的能量。

在东非大裂谷,大陆构造板块正在缓慢地分离在东非大裂谷,大陆构造板块正在缓慢地分离

  来自地球深处的热量

  在多云的日子里,你很难分辨在“地狱之门”上空飘浮的云是来自天空还是地面。2月的一个早晨,为肯尼亚电力公司等公司工作的地球物理学家安娜·姆旺吉开始了一天的工作——探索新的地热钻探地点。她指着岩石山坡上一个小洞中升起的微弱蒸汽,笑着说道:“你可以用它煮鸡蛋。”

  奥尔卡里亚周围地区有许多这样的天然地热喷口,有些温度很高,不小心就会烫到手。蒸汽是地狱之门国家公园名字的来源,因为这里的景观看起来就像正在沸腾的地狱。

  在某种程度上确实如此。地核位于地表以下约3000公里处,其温度甚至比太阳表面还高。地核的热量通过厚厚的地幔向上传播,到达地球的最外层——地壳。在构造板块——由地壳和上地幔组成——被挤压在一起或被撕裂的地方,这些热量就会上升到离地表更近的地方。东非大裂谷就是这样一个地方,它横贯非洲大陆的东部,长度达7000公里。

  “这是大陆分裂的地方,”姆旺吉指着岩石山脊之间的深峡谷说道。这是两个巨大的构造板块正缓慢分开的明显标志。“这是一个活跃的过程,将持续几百万年,”她说,“几百万年后,如果你来到这里,会发现这里变成了海洋。”

  在大陆撕裂的同时,人们也可以利用这种构造运动所释放的能量。随着构造板块的移动,地壳会出现裂缝,使过热的岩石与地下水相互作用,并将其转化为蒸汽。这些裂缝成为热量通往地表的通道,形成了温泉、间歇泉或热气腾腾的地热喷口。在东非大裂谷,大部分热量都被困在地表以下。

  这种能量来自地球,而且基本上是无限的,肯尼亚拥有非常好的资源,那就是东非大裂谷。在如此接近地表的地方就有着令人难以置信的热量。在世界的其他地方,人们必须钻探数千米甚至更深才能找到相同温度的地热能。

  卡利用这种能量发电非常简单,把水从蒸汽中分离出来,将这些蒸汽引导到涡轮上,使涡轮旋转发电。

  奥尔卡里亚5号发电站的涡轮机转速为每分钟3000转,快得肉眼无法追踪。在一间小控制室里,两名工程师12小时轮班工作,盯着十几台显示发电站数据的监视器。姆旺吉问:“今天的发电量是多少?”。一位工程师看了看电脑屏幕说:“158兆瓦。”这大约是肯尼亚电力容量的5%。

  总体上,奥尔卡里亚地热项目提供了肯尼亚四分之一的电力,部分电力向东南方向输送到500公里外的港口城市蒙巴萨,向西输送到几百公里外的乌干达边境。肯尼亚是世界上第八大地热能生产国,仅次于美国、菲律宾、印度尼西亚、土耳其和新西兰等国,其地热发电量已经超过冰岛和日本;一旦奥尔卡里亚6号发电站投入使用,就将超过墨西哥和意大利。

  这些地热能是大自然赋予肯尼亚的宝贵遗产,其开发也经过了一段很长的时间。“肯尼亚很早就开始了,”姆旺吉说,“我们从20世纪50年代就开始探索,所以已经有了几十年的研究、开发和成功经验。”

  当然也有失败。“我们的第一批井很糟糕,”姆旺吉说。那是在1956年,当时的技术还不够发达,无法利用这些蒸汽。

  最早的奥尔卡里亚发电站在25年后的1981年建成,这是肯尼亚第一座,也是非洲第一座地热发电站。自20世纪50年代以来,经营奥尔卡里亚发电站的肯尼亚电力公司已经在“地狱之门”钻探了310口井,其中125口至今仍在冒着蒸汽。2014年和2015年,两座新的大型发电站上线,大幅提高了发电量。

  但他们的工作远未结束。肯尼亚四分之一的人口仍然缺乏电力供应。停电现象在这个国家很常见,严重阻碍了制造业的发展,也使需要在晚上学习的学生或家长很难给手机充电。“我们需要增加更多的电力,这样我们的国家才能像世界其他地方一样灯火通明,”姆旺吉说道。

与其他形式的能源相比,地热能开发所需的土地更少,但在肯尼亚的地狱之门地区,当地居民仍需要重新安置  与其他形式的能源相比,地热能开发所需的土地更少,但在肯尼亚的地狱之门地区,当地居民仍需要重新安置

  向地下深处钻探

  为了寻找下一个蒸汽来源,姆旺吉每天要跋涉50公里,目标是所谓的“地热草”,一种又高又细的植物,具有绿色和黄色的细丝,暗示地热和湿气可能就埋藏在地下,收集岩石样品,检测水质,并测量地面温度,所有这些都能为计算提供依据,以最终决定是否应该在某个特定地点钻一口新井。

  一旦确定较为理想的地点,就需要让投资者不要胆怯,钻井的成本约为600万美元。如果失手,这些钱就都打水漂了,这正是地热能开发的主要缺点,资本投资非常高,这让很多人望而却步。

  对于许多地热工程师来说,最激动人心的时刻是钻一口新井并发现蒸汽的时候。当一口井钻好之后,他们打开阀门,将流体排放到大气中,此时的轰鸣和震动是不可思议的,绝对令人震撼,来自那口井里的能量——会持续20年——太令人兴奋了!

  在奥尔卡里亚,地热井都会进行大约两个月的测试,以确定其流量。然后,井里的蒸汽被引入当地的小型发电站,或是通过管道输送至更大的发电站,如奥尔卡里亚6号发电站。由于“地狱之门”是众多野生动物的家园,因此在一些地方,管道必须抬离地面数米,以让长颈鹿和其他野生动物安全通过。

  奥尔卡里亚的部分电力是在地热井当场产生的,这些小型“卫星井”往往只有2到3公里深,每个井可产生大约5兆瓦的电能——足够为5万户肯尼亚家庭供电。在蒸汽驱动涡轮机的同时,水也被注入地下,以确保地热井永远不会干涸。随着时间的推移,地下水会被重新加热,变成蒸汽。

在地狱之门地区,依赖旅游业的人担心地热发电站的扩张可能会破坏他们的生计在地狱之门地区,依赖旅游业的人担心地热发电站的扩张可能会破坏他们的生计

  地热发电的优势

  在一个电力供不应求的国家,地热发电站具有一些明显的优势。首先,这些发电站可以迅速扩张。可持续能源工程师表示,在奥尔卡里亚,试验性的发电站大概需要一年时间建成,而接下来4年里就能钻14个地热井。一旦走上正轨,发电站的发展会十分迅速。

  发电站的规模也很重要。位于地热井上的小型发电站规模比一个足球场还小,而当发现更强大的蒸汽源时,它们可以被拆除,并从一口井迁移到另一口井。这是地热的一个重要优势——它需要的足迹非常小。与风能、太阳能或煤炭相比,开发地热能所需要的土地要少得多。

  不过,尽管单个地热井可能很小,但300个地热井分布在一个布满管道和输电线路、通道以及注水池的山谷中,使奥尔卡里亚成为一个庞然大物。这对放牧的马赛人造成了困扰,几个世纪以来,他们一直在这片土地上放牧。

  为了给奥尔卡里亚的扩张腾出地方,肯尼亚电力公司将来自155户家庭的1181位马赛族居民重新安置到一块面积达1700英亩,建有房屋、教堂和学校的土地上。工程师也同样希望能有来自马赛人社区的下一代科学家和工程师。

  到目前为止,奥尔卡里亚的雇员有1250人,但只有50人是马赛人,其中来自安置社区的只有20人。没有多少肯尼亚人有机会上大学,尤其是农村的牧民。现在,在奥尔卡里亚南部苏斯瓦(Suswa)火山口附近的500个马赛族家庭中,有一些人担心他们很快也会被赶出去。苏斯瓦火山口是由一座休眠火山形成的,另一家地热能开发公司已经开始在其周围寻找潜在的地热井。该公司认为,苏斯瓦火山口有潜力产生750兆瓦的地热能,相当于奥尔卡里亚目前的发电量。

  “在奥尔卡里亚,那些人都被赶走了,”Kiano Sempui说道。他是一个马赛人,也是三个孩子的父亲,居住在苏斯瓦火山口附近,以放牧山羊、绵羊和牛为生。“我们非常肯定,当这家公司来到这里时,同样的事情迟早会发生在我们身上。”

  更重要的是,Kiano Sempui担心地热能开发会破坏他努力打造的小型旅游业。每到周末,都会有数十名肯尼亚和外国游客前往火山口,参观天然洞穴迷宫,并沿着火山口边缘徒步旅行,欣赏山下森林的美景。除了可以欣赏到花豹等野生动物,他们还可以在悬崖边的星空下露营。公园保护区的旅游收入可以用来支付教师工资、医院账单和修路费用等。

  Sempui说:“当地热上涌时,保护区就会被破坏,因为没有多少游客愿意忍受这些噪音。”他指的是在地热井进行测试或维护时,从井中会喷出令人心惊肉跳的滚滚蒸汽。

冰岛的地热公司将释放出来的二氧化碳注入地下深处,形成矿物质,从而将其封存起来冰岛的地热公司将释放出来的二氧化碳注入地下深处,形成矿物质,从而将其封存起来

  地热工程的问题

  近年来,肯尼亚政府和外国投资者花费了数十亿美元,将越来越多的东非地区连接到电网。为了满足该地区快速发展的城市的能源需求,人们将更多的目光投向了地热能开发,而当地牧民的土地问题是亟需解决的几个挑战之一。

  另一个挑战是如何处理地热流体所释放的二氧化碳。温泉和蒸汽喷发口也会自然地排放出二氧化碳。不同地热项目所释放的碳量差别很大,但与燃烧化石燃料相比,其排放总量仍微不足道——仅相当于燃烧煤炭的2.7%,或燃烧天然气的5%。

  一些发电站,如冰岛的项目,是通过捕获碳并将其注入地下,在那里使其矿化并变得无害。冰岛有一个名为Carbfix的项目,在过去10年里一直在研究这个问题。现在,来自赫利舍迪(Hellisheidi)大型地热发电站的大量二氧化碳被重新注入到玄武岩深处,形成了新的矿物质,成为岩石的一部分。

  相比二氧化碳,更可能带来问题的也许是将水重新注入岩石深处以补充蒸汽。重新注入的水含有高浓度的二氧化硅和盐(相对于低温的地下水),有时还有有毒元素,如砷、锂、锑、汞、硫和许多其他元素,在大多数情况下,水被注入到足够深的地方,不会影响蓄水层,但如果出了差错,就有可能污染饮用水源。

  另外一个事实是,地热工程可能会通过压裂岩石的方式引起地震活动。这并不是危言耸听,而是时常发生的情况。在极少数情况下,你能感觉到地震。这产生了很多不信任,还有很多会说“别在我家后院”,你不能因此责怪他们。

  尽管这样的地震不经常发生,但有时也会造成严重的后果。2017年11月,一家地热发电站的注水作业导致一条此前不为人知的断层线断裂,在韩国浦项引发了一场5.5级地震,最终有1700人被重新安置。更好的监测和风险管理有助于在未来避免类似的大地震。

地热能可能在有温泉和间歇泉的地区最为突出,但在一些气候更温和的地区,地热也能提供重要的清洁能源  地热能可能在有温泉和间歇泉的地区最为突出,但在一些气候更温和的地区,地热也能提供重要的清洁能源

  向深处钻探

  地热能开发只有一个多世纪的历史,远不如化石燃料,其未来很可能还会持续很久。然而,对于下一个前沿是什么,人们还有很多分歧。目前大多数地热发电站“需要一个中等规模的储热库,包括温泉、间歇泉和其他地热特征等”。这些本质上都是地热领域可轻易实现的目标。

  无论在什么地方,只要你钻得足够深,就会获得很高的温度那我们为什么不往深处钻探,把岩石弄断,将热量取出来呢?听起来真的很诱人。钻探很有意思,但说实话,真的很难做到。我们很难让岩石在正确的方向断裂。

  例如,冰岛的一项深度约4.6公里的钻探计划已经遇到了一些严峻的挑战,出现了一些残酷的化学反应,所有的设备都被摧毁了。地热流体会溶解来自地下岩浆的二氧化碳等气体,而当温度超过400摄氏度时,这些液体也会溶解岩石中的矿物质。这使得地热流体具有很强的腐蚀性,会对金属钻井设备、管道和固定设备的水泥造成损害。

  一些工程师希望向更深处钻探,而另一些人则认为开发的热度应该降一降温。在无法建设大型发电站的地方,可以用低廉的成本开发出发电量较小的低温地热系统。

  中国已经是地热发电的大国之一,许多其他国家也在试验用温度仅够泡茶的水发电的新方法。理论上,在任何地方,只要钻探得足够深,就可以产生地热能。有朝一日,我们甚至可能利用海底的地热能。地球上的大多数火山活动都发生在海洋中部,即板块聚合或碰撞的地方,那里的水也具有驱动涡轮机的足够温度。

  在非洲,肯尼亚在地热领域的开发处于领先地位,而在东非大裂谷的其他6个国家,也存在类似奥尔卡里亚的地质特征。肯尼亚电力公司已经在埃塞俄比亚运营着22口地热井,并将很快在吉布提开采地热蒸汽。

  在全球范围内,只要是构造板块发生碰撞的地区,就有发展地热能的机会。其中许多地点位于南半球,拥有最容易获得的地热能源。东非和亚洲,比如菲律宾和印度尼西亚,都有很大的潜力。不过,随着低温地热技术的不断发展,未来我们或许能在更多地方见到地热发电站,为人类提供更多的清洁能源。

转载请注明: 科幻大陆 - 最热门的科幻资讯站,科幻,科学,探索,幻想,未解之谜 » 科学好故事|来自地下的巨大热量:数百万年都不会耗尽的清洁能源

注:本站上发表的所有内容,均为原作者的观点,不代表本站的立场,也不代表本站的价值判断。

赞 (0) or 分享 (0)



游客 发表我的评论   换个身份
取消评论

表情
(0)个小伙伴在吐槽
Copyright @ 2019-2021 武汉半月江科技有限公司  网址:www.9open.com

备案号:鄂ICP备19001976号-2

联系QQ:5367604 邮箱地址:5367604@qq.com