建设帕瓦加达2千兆瓦太阳能电厂的利与弊
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我们脚下蕴藏着大量地热能。但今天的钻井方法很难穿透致密的岩石和高压条件开采地热能。新一代“加强型”钻井系统致力于克服这些障碍，实现前所未有的地热供给。
阿尔塔洛克能源公司（AltaRock Energy）正在努力利用毫米波使岩石熔化和汽化。科学家们没有采用刺耳的机械钻井方法，而是采用回旋振荡管（一种专业的高频微波束生成器）在坚硬的岩石板上开孔。其目标是用比传统钻井方法更快的速度和更低的成本穿透更深层的岩石。
这家总部位于西雅图的公司最近收到了美国能源部高级能源研究计划局（ARPA-E）提供的390万美元政府拨款。在这个为期3年的项目中，科学家们将不断扩大技术的示范规模，从烧穿手掌大小的样品拓展到房间大小的厚板。项目合作方表示，希望在2022年9月拨款期结束之前，开始在现实世界的测试场地钻井。
阿尔塔洛克预计，仅0.1%的地热能即可满足人类200万年的能源总需求。地球核心的温度高达6000摄氏度，通过岩浆层、大陆地壳和沉积岩辐射热量。在极深的地方，这种热量可以为地球上的任何地方提供持续供给。但由于技术和财力的限制，大部分地热项目的深度不到3千米。许多井是从靠近地表的间歇泉或温泉汲取热能的。
尽管地热能潜力巨大，但根据国际可再生能源协会的数据，地热能发电仅占全球发电容量的0.2%。
“现在我们的问题是如何获取地热能。”阿尔塔洛克子公司Quaise的首席执行官卡洛斯•阿拉克（Carlos Araque）说，“希望在于，如果我们能钻10到20千米深，我们基本就可获得无限的能源。”
ARPA-E项目采用的技术是麻省理工学院等离子科学与聚变中心的高级研究工程师保罗•沃斯科夫（Paul Woskov）首先开发的。从2008年开始，沃斯科夫及其同事便利用10千瓦的回旋振荡管来产生频率在30到300千兆赫的毫米波。在其他地方，毫米波用于多种目的，包括5G无线网络、机场安检和天文学等。产生这些毫米波仅需要功率为几毫瓦的电力，但要钻透岩石则需要功率达到几兆瓦。
一开始，麻省理工学院的研究人员在试验箱里放了一块岩石，然后用金属波导管引导大功率高频波束冲击岩石打孔。为了防止等离子体分解起火，研究人员在此过程中注入压缩气体。在试验中，毫米波钻穿了花岗岩、玄武岩、砂岩和石灰岩。
在ARPA-E拨款的支持下，麻省理工学院的团队将在美国田纳西州橡树岭国家实验室利用兆瓦级回旋管开发他们的工艺流程。“我们正在尝试推进技术上的突破，为开发深层地热能源开辟道路。”阿拉克说。
其他的增强型地热系统正在使用机械办法从深井和热源中提取能量。冰岛工程师们正在钻探5千米深处两大构造板块之间的岩浆层。澳大利亚、日本、墨西哥和美国西部（包括阿尔塔洛克的一个项目）的示范项目则在大陆岩石上钻探人工裂缝，工程师向裂缝注入水或液体生物质，然后再将它们泵回地面。当液体温度超过374摄氏度、压强超过22100千帕时，液体将变成“超临界”流体，比一般钻井中的水更容易流动，能更有效地传输能量。
但这种方式会引发地震活动，瑞士和韩国的项目在地震袭扰周边城市后被关闭。而毫米波钻探则不存在这样的风险。阿拉克表示，虽然波束会溢出钻孔，但损害可限制在地下深处。
位于美国达拉斯的南卫理公会大学的地热实验室协调员玛利亚•理查兹（Maria Richards）说，使用毫米波的一个优势在于，可以在几乎任何地方进行钻探，包括现有发电站旁边。在被关闭的煤矿设施中，地下深层的地热井可产生蒸汽来驱动现有的涡轮机。
此前，得克萨斯州的实验室探索过利用地热能帮助天然气发电厂更高效地运行。“最终发现它的成本太高了。但如果我们能钻得更深，获得更高温度的地热，像我们这样的项目就很可能会赢利。”理查兹说。她提到，毫米波也可以用于开采海上高压油气藏，那里太危险，机械钻无法工作。
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