世界上最深的地热发电厂

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上次有人在冰岛钻探如此深的钻井时,陷入了困境。2009 年,冰岛深井钻探项目(IDDP)在钻到地下两公里深处时遇到意外困难。钻头被顶死。钻井队已经用爆破手段切断了钻井到地表之间的部分。还有一次,他们向井中灌入盐酸,他们以为自己一定是遇到了岩石,用盐酸就能解决问题。但是,他们几乎毫无进展。

当火山玻璃碎片开始涌出钻孔时,一切真相大白。钻头并未卡在坚硬的岩石层中,而是钻进了岩浆储源。岩浆很快就损坏了钻井设备,钻孔也告塌陷。

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Image caption 冰岛的地热电厂星罗棋布,每个地热电厂都有多口地热井,但要充分利用地热,钻井还要打得更深。(图片来源:Chris Baraniuk)

钻到岩浆完全是意想不到的事情。但可以确定的是,钻入冰岛火山地壳是个好主意。井底散热惊人,温度超过 900C(1,652F)。向井中通入水后,会产生巨大压力的高温蒸汽,这是发电的理想条件。

冰岛的地热电厂星罗棋布,每个地热电厂都有多口利用冰岛地热资源的地热井。但大多数地热井的深度相对较浅。为充分利用丰富的自然能源,钻井还要打得更深。岩浆储源附近极高的温度和压力会产生36 兆瓦电能,是大多数地热井发电量的十倍之多。一口深井所产生的电能相当于整整一个电厂,可为成千上万户家庭供应电力。

这就是冰岛深钻项目(IDDP )在七年前再次启动的原因所在,他们已经接近挑战史上最热的钻井。地热能是地球上有待利用的最巨大的清洁能源资源之一。但是,由于环境极为恶劣,深井也是我们面对的一个巨大挑战。诸如冰岛深钻(几家冰岛能源公司共同建立的合资企业)这样的项目将推动地热技术进入一个新的境界。无论其迈向何方,世界都将追随其后。

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Image caption 地热能是世界上有待利用的最巨大的清洁能源资源之一。(图片来源:Chris Baraniuk)

过去几年,好几个国家都曾钻出地热井。例如,英国康沃尔郡的一口地热井深达 2.5 公里,美国加州一口地热井深达 3.5 公里.但是,冰岛深钻项目的新钻井深达 5 公里,无疑是另外一个水准。

IDDP-2 达到的深度温度预计高达 500C(932F)。在压力达 200 个大气压,温度超过 400C(752F)时,水以超临界流体的形式存在。技术上,它既非液态,也非气态,但能像高压蒸汽一样流动。这就是极深地热钻井的油类。

格维兹门迪尔·弗里得莱弗森(Gudmundur Fridleifsson)任冰岛可再生能源公司 HS Orka 的首席地质学家。上个月,他驱车带我从雷克雅维克前往冰岛西南部雷克雅内斯半岛的新钻井现场。我们距离东北部克拉夫拉火山 IDDP-1 钻井还有 200 公里(124 英里)。随着钻探的逐渐深入,冰岛深钻项目热切希望探索冰岛不同地区的地下宝藏。

越野车沿着光滑蜿蜒的道路延伸,带着我们深入该地区,那里的地表岩石只有一百万年历史。该地区直到今天还流淌着熔岩流。地表呈现深紫褐色,像刚刚烧过的样子。

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Image caption 我们穿过地热田,那里一股股巨大的热蒸汽流喷向高空,四处弥漫着臭鸡蛋味(图片来源:Chris Baraniuk)

我们穿过地热田,那里一股股巨大的热蒸汽流喷向高空,四处弥漫着臭鸡蛋味。弗里得莱弗森十分熟悉这种味道,几乎没有注意到它。他说,"我们将它称为冰岛香水。"

在冰岛,火山爆发是生活中不可或缺的组成部分。仅仅六年前,艾雅法拉火山的大规模爆发曾让整个欧洲的空中交通中断数天。冰岛全国各地约有 30 座火山,时有爆发。

弗里得莱弗森第一次遭遇活火山还是在 1973 年,当时是在冰岛南岸的韦斯特曼群岛。地面上喷出的岩浆长达两公里。熔岩流破坏了众多房屋,导致 5,000 人流离失所。

冰岛的火山活动源自其特殊的地理位置。冰岛位于大西洋中脊中部之上,这里是两大构造板块角力之地。数百万年来,它们为冰岛的形成做出了贡献。两大构造板的分离让冰岛逐渐向东和向西扩大。

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Image caption 我们抵达时,寂静的大地上回荡着机器的隆隆声(图片来源:Chris Baraniuk)

这些火山活动深深吸引着弗里得莱弗森和同事阿尔伯特·阿尔贝特松(Albert Albertsson)。1990 年代中期的一天,两人同在雷克雅内斯半岛另一个钻井现场。阿尔贝特松正通过显微镜观察一小片矿物质,矿物质的样子很特殊,有些像小羊毛球。弗里得莱弗森意识到,这些矿物质一定是在极端条件下形成,温度高于 300C(572F)。两人熬夜讨论自己脚下所埋藏的能源宝藏。

他们听说过 1985 年在打一口浅井时意外遭遇热区的钻井队的事情。当时,没人知道该怎么办,于是,钻井被封闭和遗忘。但两人认为,有人应该有其他办法。

二十年后,他们在 IDDP-2 钻井再度尝试。我们抵达时,寂静的大地上回荡着机器的隆隆声。金属结构在淡红色的冬日阳光中熠熠闪烁。工人们在设备高处操作,将下一节钻杆深深插入地下。

正如钻探第一口 IDDP 深井时,钻井队并未想到会钻到岩浆,而那时根本也没人能想到会钻到岩浆。尽管克拉夫拉火山的地球物理成像分析表明,钻头无论如何也无法靠近岩浆,但他们还是三次钻进岩浆,有两次他们都没有觉察到。项目经理阿里·斯特凡松(Ari Stefansson)表示,在他们钻透前,没人确切知道下面都有些什么。"钻得越深,也越有趣。"

斯特凡松坐在温暖的小屋中,看着最新的数据。一个屏幕上显示着各种数据,但上面一行才是最关键的数据——钻井的深度。他说,"现在我们已经钻到 4,090 米。"仅仅几周前,钻到 3,640 米深处时,这个钻井就已正式成为冰岛最深的钻井。但他们还有一公里要钻,他们希望到圣诞节时就能钻到。

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Image caption 这些岩芯样品是钻井队确定他们钻头经过材质的唯一方式(图片来源:Chris Baraniuk)

有时,钻井设备会顺着钻轴吐出岩屑,就像钻第一口井时吐出的黑曜石碎片一样。但这次却没有发生这样的情况。切屑在钻头返回地表途中就不见了,也许留在了多孔层或者碎裂岩中。因此,钻井队计划在继续钻进前先要提取一些样本。弗里得莱弗森说,"它们是我们能从钻轴上提取的惟一地质资料"。

钻井 IDDP-2 的钻成将带来超临界流体,世界各地的钻井都将它作为可再生能源应用。与冰岛深钻项目合作的地质学家、美国加州大学河滨分校名誉教授威尔弗雷德·埃尔德斯(Wilfred Elders)在墙上贴的地图上为我们指出发现地热资源的其他几个地方。他说,这些都已过时,也许还有更多的地点。

埃尔德斯说,"我们在此证明了一个重要思路,然后将其应用于其他地方"。美国加州可能存在一个地热井,它位于世界上最大的地热储层上。

如果极深处的地热能得到开发,我们得到的就不仅是廉价的电力。例如,雷克雅内斯半岛地热发电厂直接用管道将热水输送到当地企业。可再生能源公司 HS Orka 首席执行官阿斯杰尓·马盖尔森(Asgeir Margeirsson)飞快地说出一系列企业的名字。

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Image caption 雷克雅内斯半岛地热发电厂直接用管道将热水输送到当地各个企业(图片来源:Chris Baraniuk)

有一个养渔场饲养塞内加尔鳎,这是一种在热带环境中蓬勃生长的非洲比目鱼。还有一个公司使用地热蒸汽烘干燥鱼头和鱼骨头。这些都将出口到尼日利亚,它们在那里存储,无需冷藏。弗里得莱弗森说,它们被用来煲美味鱼汤。

还有地面下带加热设施的人行道、停车场和道路,冬天能融化路面积雪和冰。马盖尔森表示,"摔断骨折的人减少了,也就减轻了医疗压力。"

但是,他最引以为傲的还是他在近期冰岛足球的辉煌战绩中所发挥的作用。今年,冰岛首次杀入欧洲冠军杯四分之一决赛。国家队队长将此部分归功于他们是能在室外进行足球训练的第一代冰岛人。马盖尔森表示,由于有廉价的能源,我们才有可能新建体育设施。他笑着说,"这份荣耀我们人人有份,如果要这样说的话。"

在冰岛并非人人都对开发地热能持欢迎态度。有人认为,诸如雷克雅内斯半岛这样的地区被能源公司过度利用可能导致资源过快枯竭,冰岛可再生能源公司 HS Orka 对此加以否认。

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Image caption 冰岛可再生能源公司 HS Orka 的首席地质工程师格维兹门迪尔·弗里得莱弗森(Gudmundur Fridleifsson)20 年来一直在规划钻探深井(图片来源:Chris Baraniuk)

还有人担心,钻井和地下水喷射到地表会导致地震。这种风险是真实存在的,雷克雅内斯半岛的能源公司设施建设就具有抗震能力。2005 年,在发生一系列地震后,瑞士巴塞尔新钻的一口地热井遭到废弃,据记录,一次里氏 3.4 级地震还导致建筑物损坏。

马盖尔森承认,地下水喷射到地表可导致小地震,但考虑到频繁性,小地震反而是件好事。他说,"没有地下水喷射,就会不时发生更大的地震"。

无论有什么风险,许多人依然认为,解决不断逼近我们的能源危机,地热能是一种解决途径。英国杜伦大学乔恩·格鲁亚思(Jon Gluyas)说,"地热能是我们所能获得的、最接近的、可持续的、可再生能源的良方,"他一直饶有兴趣地在互联网上关注冰岛深井钻探项目的进展情况。

他说,"例如,在英国,我们使用的能源有一半用于办公室和家里采暖。"即使我们的地热资源为数不多,也足够为我们所有的房子采暖 100 年,由此将使二氧化碳排放锐减 50%。"

难怪弗里得莱弗森及同事们已经着手规划他们的下一个项目。到 2020 年,他们希望在冰岛西南部的亨吉德火山坡上开始钻探。

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Image caption 有人认为,地热能是我们能够获得的、最接近的、可持续的、可再生能源的良方(图片来源:Chris Baraniuk)

然后会怎样呢?弗里得莱弗森表示,总是会有新的钻探工作需要完成。在我们驱车驶离雷克雅内斯半岛钻探现场途中,他指出,许多蕴藏地热地区的火山岩都含有宝贵的矿藏,特别是金子。他表示,这里玄武岩的含金量是欧洲大陆玄武岩含金量的两倍。

返回雷克雅未克的道路漫长,经过蔚蓝天空下黑漆漆的崎岖地貌。远方地平线上的几个山顶,到处都有缕缕升起的蒸汽,每个山顶仿佛都在提醒我们下面蕴藏的丰富资源。

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