自人類學會利用化石能源開始,圍繞這些能源的紛争就從來沒有停止過,因為所有人都知道這是一個不可持續的買賣,隻會越用越少。
衆所周知,我們現在使用的化石燃料是億萬年前原始植物存儲太陽能,這些燃料的儲存效率極低,周期極長。
但即便如此,随着開采技術的發展,這些僅有的化石燃料也能滿足人類很長時間的能源需求。
事實上,我們現在使用了大部分能量都是來自太陽能,或者說都隻能靠天吃飯。
比如風能,它的本質是地球大氣層接收太陽能不均勻——受熱不均導緻大氣膨脹并産生了風;
水電呢,它其實是将水的勢能轉化成電能,但是這個勢能最初也是太陽能賦予的,水吸收了太陽能變成水蒸氣,然後轉移到高處。
當然,也有兩種能源技術完全不受限于太陽,那就是核能和地熱能。
我們現在利用的核能技術是裂變,其能量來源鈾等高質量原子分解成更小原子并釋放部分能量。
如果你要問這些重核的能量來自哪裡,那麼答案還是恒星,準确地說是超新星爆發産生的極端能量讓較小的元素融合成了較重的元素。
但重點不是這些核能的最初能量來自于哪裡,而是我們需要像開發化石能源一樣,去開采包含鈾等高質量原子的礦石,這意味着它也不是特别可持續。
剩下的隻有地熱能,這絕對是地球 " 最寶貴的财富 ",它就在地球深處,而且它所包含的能量之大可以用取之不盡來形容。
然而,如你所見,很少有人去開采這塊巨大的蛋糕,這是為何呢?
地熱能來自哪裡?
從随處可見的火山中就不難發現,地球内部是非常炎熱的。現有的采礦和鑽探經驗告訴我們每深入地表 32 米地溫就會升高 1 ℃。
現在科學家普遍認為,到達地球的核心的話,其溫度将達到 5000 ℃到 7000 ℃之間,這比太陽表面的溫度(6000 ℃左右)還要高許多。
關于地球内部熱量的來源存在許多争議,但是在大部分模型中都有主要的兩個來源——那就是引力和放射性元素的衰變。
引力部分與行星的形成有關,早期太陽系中的物質會相互吸引,所以它們逐漸凝聚成更大的星球。
當物質逐漸沉入地球核心,動能在相互摩擦中釋放能量,這導緻早期的地球熱到完全融入的狀态。
經過數千萬年的冷卻,地表逐漸失去溫度。不過,從現在地溫梯度中不難發現,地球的熱量至今還在不停流失。
要知道地球都已經形成 46 億年了,為什麼地球内部還是這麼熱呢?
很明顯,僅靠引力最初制造的熱量是不夠的。
在早期地球還是熔融狀态的時候,較重的元素大多會下沉,而較輕的元素大多會浮到表面,所以地球内核積累了許多放射性元素,而這些元素不停地衰變,繼續給地球内部加熱。
同時,地球很大,體積越大的物體,實際上它保存熱量的能力就越好,因為它的表面積相對于體積更小。
所以,現在像體積更小的火星、月球等星球的内部都已經沒多少熱量了,而地球依然充滿活力。
地熱能夠讓人類用多久?
如果地核的熱量大部分來自放射性元素的話,那麼地熱能就是可再生的,至少在 50 億年後太陽膨脹成紅巨星把地球摧毀之前,地球内核依然不會冷卻下來。
即便地球内核的溫度不靠放射性元素的持續加溫,那麼要把 7000 ℃的鐵和岩石(地核的主要成分)下降到 100 ℃,其所釋放的能量 10% 被人類利用情況下,也足夠人類使用 170 億年了(這個是一個網站上的極客估算的數值),這比太陽系存在的時間都久遠。
事實上,地熱能的儲量是難以估算的,不過有一些團隊給出了地球表面的熱流平均為 82 兆瓦 / 平方米左右,這相當于總功率大約為 4200 萬兆瓦。
圖:冰島地熱能發電站
截止 2020 年底,中國電力的總裝機功率是 22 億千瓦,也就是說,地球熱量流失功率相當于中國發電功率的 19 倍。
如果放到世界的話,估計僅地球熱量自然流失的部分都足以全人類使用了,當然全球的發電功率很可能并沒有中國的 19 倍那麼多。
另外,我在一個關于地熱能的網站上還看到,僅地核現有熱量的 0.1% 都可以滿足人類 200 萬年的總能源需求。
總的來看,人類要是能夠利用地熱能的話,确實将不會再為能源發愁,更不會因能源而引發紛争。
但是,這麼好的能源為什麼到現在都很少有人去開發呢?
圖:已知最古老的溫泉
開發地熱能會怎麼樣?
其實地熱能的利用一直都存在,甚至在原始社會的時候就已經在利用了,最典型的就是溫泉,自古人們就喜歡圍着溫泉泡澡和烹饪。
現在,關于地熱能的利用主要體現在兩方面,一個是供暖,目前大約有 70 多個國家這樣做,另一個則是發電,目前隻有 26 個國家有這個技術。
當然,咱們中國也是其中一個,隻是咱們國家在地熱能利用方面還比較落後,所以我們可能對此會比較陌生。
其實,除了菲律賓、冰島、薩爾瓦多之外,其它國家利用地熱能的比例都非常小,即便是占全球地熱能開發總量的 29% 的美國,他們地熱能發電的裝機功率隻相當于其國家總裝機功率的 0.3%。
之所以,很少有國家願意去開發這個取之不盡、用之不竭的能源,原因當然就是它并沒有想象得那麼容易。
如果我們是挖煤的話,可能在 55 到 90 米的深處就能很好地開采了;
如果是石油的話,可能在 900 米左右就可以有不錯的收獲了,即便是更深的油田也隻要把油給擠出來就好了。
但是地熱能不同,對于絕大部分地區來說,2000 米的深度可能都還沒有入門,而且它還需要在很深的地方制造裂縫。
我們要利用地熱能的話,其實技術上和利用其它大部分能源是差不多的——簡單地說就是燒開水。
就像我們前面提到的,地球的地溫梯度是差不多每挖 32 米才會升溫 1 ℃,要達到 100 ℃的高溫話,那至少得挖到 3200 米深才行。
實際上,要把水燒開并傳送到地面,100 ℃的高溫還遠不夠,可能 200 ℃都還不夠,需要繼續挖得更深才行。
雖然幾千上萬米對于地球半徑來說不算什麼,但以人類現有技術,要挖這麼深已經非常不容易了,或者說它的成本會很高。
不過好消息是,在一些地方它不用太深就能得到不錯的溫度,比如那些火山口附近——很多地熱能發電站都距離火山口不遠,這就是為什麼菲律賓、冰島等國家地熱能占比如此之高。
除了成本高之外,地熱能的開采還是最危險的,它很容易引發地震。
這是因為地熱能開發至少需要挖兩口井——一口井進水、一口井出水,需要用水力壓裂方法來打通兩口井,這個過程以及之後注水的過程都很容易引發地震。
另外,雖然地熱能開發隻是簡單地燒開水,但事實上它也并不是完全清潔的,這是因為開采鑽井也會導緻地球内部的碳洩漏到大氣層中。
總的來說,地熱能的開發技術要求高,成本高,引發自然災害的風險也大,同時還不是完全清潔的。
所以,就現在能夠輕松獲取的能源依然還比較多的情況下,地熱能對人們的吸引力明顯不會太高。
當然,它是一個不錯的 " 未來能源 ",可能是我們的後路。