فتح الطاقة الحرارية الأرضية العالمية: 下一代地热系统规模化部署的路径

فتح الطاقة الحرارية الأرضية العالمية: مسار النشر على نطاق واسع للجيل القادم من الأنظمة الحرارية الأرضية

تتحول الطاقة الحرارية الأرضية، كطاقة نظيفة ومستقرة، من الموارد الإقليمية إلى الإمكانات العالمية. في الماضي، كانت الطاقة الحرارية الأرضية مقيدة بسبب اعتمادها على التكوينات الجيولوجية المحددة. ومع ذلك، بفضل التقدم في الحفر الذي أحدثته ثورة تقنية التكسير في الولايات المتحدة، ارتفعت إمكانات توليد الكهرباء الحرارية الأرضية عالميًا من جزء صغير من الطلب إلى مرتبة تلي الطاقة الشمسية. التقنيات الجديدة تحقق النشر على نطاق تجاري مبتكر وسرعة انخفاض ملحوظة في التكاليف. وفي الوقت نفسه، من خلال التآزر في قطاع خدمات حقول النفط، توفر الطاقة الحرارية الأرضية حلاً جديدًا ومستدامًا للصناعات القائمة. تشير البيانات بوضوح إلى أنه يمكن استخراج الطاقة الحرارية الأرضية من الصخور الجافة الدافئة الوفيرة وتوسيع هذا المورد إلى مناطق جديدة في جميع أنحاء العالم.

نظرة تاريخية على الطاقة الحرارية الأرضية

يمتد تاريخ توليد الكهرباء الحرارية الأرضية - استخراج البخار أو الماء الساخن من المكامن الحرارية الأرضية لتشغيل التوربينات - لأكثر من قرن. بحلول نهاية عام 2022، بلغت القدرة المركبة لتوليد الكهرباء الحرارية الأرضية في ما لا يقل عن ثلاثين دولة وست قارات حوالي 16 جيجاوات، وهو ما يمثل جزءًا صغيرًا من هيكل الطاقة العالمي، حوالي 0.34%. تم نشر هذه التقنية لأول مرة في إيطاليا عام 1904، وانتشرت بسرعة بعد الحرب في الولايات المتحدة، ونيوزيلندا، واليابان. خلال أزمة الطاقة في السبعينيات من القرن الماضي، استخدمت آيسلندا مواردها الحرارية الأرضية لحمايتها من صدمات الوقود والتأثيرات الاقتصادية الكلية. وبداية الثمانينيات، بدأت الطاقة الحرارية الأرضية تنتشر في مناطق مثل الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، مثل المكسيك والفلبين وتركيا، وأبرزها كينيا - وهي حالة ناجحة للطاقة الحرارية الأرضية اليوم. كان صعود الطاقة الحرارية الأرضية في كينيا حالة دراسية مهمة في هذا البحث، حيث تلقت معظم المعرفة والتقنيات الكبيرة دعمًا قويًا من آيسلندا على مدى العقود الماضية.

منذ التسعينيات، تجاوزت مصادر الطاقة المتجددة مثل الغاز الطبيعي الرخيص وطاقة الرياح والطاقة الشمسية في زيادة القدرة المركبة للطاقة الحرارية الأرضية. يتوافق هذا الاتجاه مع صعوبة تحقيق وفورات الحجم في قطاع الطاقة الحرارية الأرضية، مما جعل معدات التوربينات تقع في نطاق الصناعات المخصصة في غياب معدلات تعلم قابلة للمقارنة (مقارنة بالطاقة الرياح والطاقة الشمسية). في الأسواق المشبعة مثل نيوزيلندا والولايات المتحدة، ظل النمو في الطاقة الحرارية الأرضية راكدًا لفترة طويلة. ومع ذلك، حققت دول أمريكا الوسطى في وسط الولايات المتحدة (غواتيمالا وسلفادور وويلز) نموًا ملحوظًا في القدرة المركبة منذ عام 2000.

خلال العقد الماضي، كان النمو الفعلي في القدرة المركبة العالمية للطاقة الحرارية الأرضية مدفوعًا بثلاثة لاعبين رئيسيين: إندونيسيا وكينيا وتركيا. تستخدم هذه الدول مجموعة من التدابير السياسية لتسريع التقدم الصناعي المحلي.

#### الصخور الجافة الدافئة

يبحث الباحثون والمبتكرون لفترة طويلة عن تقنيات جديدة للحفر والحفر في المكمن الحراري الأرضي، والتي لا تتطلب البحث عن موارد مائية حرارية أصعب للاكتشاف.#### 热干岩

Long time, researchers and innovators have been seeking novel geothermal drilling and completion technologies that do not require finding harder-to-discover hydrothermal resources. In the 1970s, researchers at the Los Alamos National Laboratory in the United States began experimenting with so-called "hot dry rock," a resource that contains heat but lacks the fluids needed to form a geothermal reservoir. Early experiments attempted to create artificial reservoirs through fracturing, a process now known as Enhanced Geothermal Systems (EGS). By the 1980s, researchers in France and Japan also tried creating artificial reservoirs through fracturing but were unsuccessful. In the early 21st century, researchers in South Korea and Switzerland attempted to stimulate wells through fracturing but triggered seismic activity, effectively halting research. However, in the 2010s, the US government re-supported this technology. This was thanks to US government research funding and the use of public land as drilling test sites, and the expertise from the US shale revolution helped solve some of the technical challenges EGS faced in drilling and maintaining reservoir fluids. At that time, another method to solve the dry rock challenge emerged: using closed-loop systems to circulate heat from the Earth without relying on external water. This closed-loop design, known as Advanced Geothermal Systems (AGS), began to emerge in the late 21st century and quickly gained prominence.

Although EGS and closed-loop geothermal are two main pathways for next-generation geothermal energy, other strategies are also seeking breakthroughs. Some researchers are focusing on solving sedimentary basins, which have more permeable rock than those typically used for EGS fractures, potentially unlocking a resource that can be exploited like traditional hydrothermal systems. Other researchers are focusing on deeper projects—supercritical geothermal or superheated rocks (SHR)—aiming to find and extract heat above 375 degrees Celsius. These resources can turn water into a supercritical state, potentially yielding ten times the power generation per well compared to traditional geothermal energy. However, SHR projects are still in the early R&D stage and require deeper drilling technology.

Factors Affecting Energy Systems

The emergence of geothermal energy, especially in the context of next-generation technologies (EGS and closed-loop systems), has a profound impact on energy systems. Although EGS and closed-loop systems may not match onshore wind or solar in terms of pure cost in the 2030s, they offer system-level advantages: they are dispatchable, 24/7 power sources. This reliability is key to achieving large-scale, stable energy supply. In the context of climate change, the potential of this baseload power is crucial for reducing the carbon intensity of the power system.

Furthermore, the deployment of geothermal energy, especially utilizing its characteristic as a stable energy source, can enhance grid resilience.### 面临的挑战

尽管前景广阔，但地热能的全球规模化部署仍面临多重挑战。储能的不足是当前最大的瓶颈之一，尤其对于地热的快速、大规模部署而言。虽然 EGS 提供了固有的调度能力，但系统级的能量存储解决方案仍需进一步成熟，以应对电网动态变化。此外，输电网络限制和项目融资压力是必须克服的工程和经济障碍。对于下一代系统，例如 EGS 和闭环系统，其初期资本支出较高，需要清晰的政策引导和风险共担机制。

再者，政策不确定性和原材料供应问题也存在。例如，EGS 过程可能涉及水资源消耗，这在某些地区可能引发监管上的顾虑，这为闭环系统提供了潜在的监管窗口。同时，确保技术成熟度，特别是高超临界地热（SHR）等前沿技术的商业化，需要持续的研发投入和风险管理。

未来展望

展望未来5到20年，地热能的格局将呈现出技术分化和战略协同的趋势。能源结构变化将不再是单一能源的竞争，而是清洁基荷电源与间歇性可再生能源的深度融合。地热能将从一个边缘技术，演变为作为关键系统稳定器的重要组成部分。

投资趋势将从单纯追求最低度化成本转向追求系统可靠性和能源安全价值。对于绿色投资而言，地热将吸引那些寻求长期、低波动性现金流的机构，尤其是在需要稳定基荷电力以支撑大规模储能和去碳化过程的电力公司和能源基础设施建设领域。

技术发展方向将集中在降低 EGS 和闭环系统的初始资本支出，提高其在不同地质条件下的通用性。关键在于实现技术学习率的进一步提升，以期将单位能量的生产成本降至更具竞争力的水平。同时，对先进热力学和材料科学的突破，将是解锁超临界地热等更深层资源的必经之路。

全球能源竞争格局将更加多元化。地热的部署将不再局限于传统热液储层，而是通过 EGS 和闭环技术，在全球范围内寻找新的地质潜力。不同国家和地区的政策制定者将根据其地质条件和能源安全需求，采取定制化的激励措施，推动特定地热技术的落地。في الختام، لا يكمن مستقبل الطاقة الحرارية في أن تحل محل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، بل في كونها حجر الزاوية الذي لا غنى عنه لبناء نظام طاقة مستدام حقيقي. من خلال الاستثمار المستمر في تقنيات الحفر والدوران الجديدة، مقترناً بالتوجيه السياسي الحصيف، من المتوقع أن تلعب الطاقة الحرارية دوراً مستقراً وموثوقاً وذا قيمة طويلة الأمد في التحول الطاقي.