Ontgrendelen van wereldwijde geothermie: De weg naar grootschalige inzet van geothermie-systemen van de volgende generatie

解锁全球地热能：下一代地热系统规模化部署的路径

地热能作为一种稳定的清洁能源，正从区域性资源向全球性潜力转变。过去，地热能因其对特定地质构造的依赖而受到限制。然而，得益于美国压裂技术革命带来的钻探进步，全球地热发电的潜力已从需求中的一小部分，跃升到仅次于太阳能的地位。新的技术正在以首创的商业规模和显著的成本下降速度实现部署。同时，利用油田服务业的协同效应，地热正为既有行业提供一种新型可持续能源解决方案。数据清晰地表明，新的地下技术可以从丰裕的热干岩中提取地热能，将这一资源扩展到世界各地的新区域。

地热能的历史回顾

地热发电——从地热 reservoirs 中提取蒸汽或热水驱动涡轮机——已有超过一个世纪的历史。到2022年底，在至少三十个国家和六个大陆上安装的地热发电容量约为16吉瓦，占全球电力结构的一小部分，约为0.34%。该技术于1904年在意大利首次部署，并在战后迅速传向美国、新西兰和日本。在20世纪70年代的能源危机期间，冰岛利用其地热资源保护自己免受燃料冲击和宏观经济影响。到20世纪80年代初，地热开始向中东非等地区传播，如墨西哥、菲律宾、土耳其，以及最著名的肯尼亚——今天的地热成功案例。肯尼亚的地热崛起是本文研究中一个重要的案例，其知识和技术的大部分知识在数十年来得到了冰岛的有力支持。

自20世纪90年代以来，廉价的天然气和风能、太阳能等可再生能源在新增装机方面超越了地热。这一趋势与地热行业难以实现规模经济相吻合，导致其涡轮设备在缺乏可类比的技术学习率（与风能和太阳能相比）的情况下，沦为定制行业的范畴。在像新西兰和美国这样的饱和市场中，地热增长长期停滞。然而，美国中部美洲国家（哥斯达黎加、萨尔瓦多和洪都拉斯）自2000年以来实现了相对强劲的容量增长。

过去十年中，全球地热容量的实际增长主要由三个重要参与者驱动：印度尼西亚、肯尼亚和土耳其。

#### 热干岩

研究人员和创新者长期以来一直在寻求新颖的地热钻探和完井技术，这些技术无需寻找更难发现的水热资源。#### 热干岩

研究人员和创新者长期以来一直在寻求新颖的地热钻探和完井技术，这些技术无需寻找更难发现的水热资源。20世纪70年代，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员开始试验所谓的“热干岩”，这种资源虽然蕴藏热量，但缺乏形成地热储层所需的流体。早期的实验试图通过裂岩来创造人工储层，这一过程现被称为增强地热系统（EGS）。到20世纪80年代，法国和日本的研究人员也尝试通过裂岩来创造人工储层，但未果。21世纪初，韩国和瑞士的研究人员尝试通过裂岩来刺激井，但引发了地震活动，从而基本停止了研究。但到21世纪10年代，美国政府重新支持这项技术。这部分得益于美国政府的研究资助和将公共土地作为钻探试验场，美国 shale 革命的专业知识帮助解决了一些 EGS 在钻探和维持储层流体方面遇到的技术挑战。到那时，另一种解决干岩挑战的方法出现了：使用闭环系统，在不依赖外部水的情况下从地球中循环热量。这种被称为先进地热系统（AGS）的封闭环设计在21世纪末开始兴起，并迅速进入视野。

虽然 EGS 和闭环地热是下一代地热的两个主要途径，但其他策略也在寻求突破。一些研究者选择解决沉积盆地，这些盆地比通常用 EGS 裂缝的岩石更具渗透性，可能开辟一个被低估的资源，可以像传统的 Hydrothermal 系统一样被开采。另一些研究则着眼于更深层——超临界地热或超热岩石（SHR）项目，旨在寻找和提取高于375摄氏度的热量。这些资源能使水转化为超临界状态，单井发电量可比传统地热高出十倍。然而，SHR 项目仍处于早期研发阶段，需要更深层的钻探技术。

影响能源系统的因素

地热能的出现，尤其是在下一代技术（EGS 和闭环系统）的背景下，对能源系统具有深远影响。EGS 和闭环系统虽然在2030年代纯度化成本方面可能难以与陆上风能或太阳能持平，但它们提供系统级的优势：它们是可调度的、24/7的电源。这种可靠性是实现大规模、稳定能源供应的关键。在气候变化背景下，这种基荷电源的潜力对于降低电力系统的碳强度至关重要。

此外，地热能的部署，特别是利用其作为稳定能源的特性，可以增强电网的韧性。Ngoài ra, việc triển khai năng lượng địa nhiệt, đặc biệt là tận dụng đặc tính của nó như một nguồn năng lượng ổn định, có thể tăng cường khả năng phục hồi của lưới điện. Khi vấn đề tính gián đoạn của năng lượng tái tạo trở nên rõ ràng, sản lượng liên tục của địa nhiệt có thể cân bằng hiệu quả nhu cầu lưới điện, giảm sự phụ thuộc vào điện năng đỉnh ngắn hạn, chi phí cao. Xét về góc độ đầu tư, tiềm năng giảm chi phí của địa nhiệt, nếu được hiện thực hóa, sẽ khiến chi phí của nó tương đương với điện than truyền thống và điện gió trên cạn/ngoài khơi, mang lại một điểm neo giá trị dài hạn mới cho đầu tư xanh.

Những thách thức đang đối mặt

Mặc dù triển vọng rộng mở, việc triển khai địa nhiệt trên quy mô toàn cầu vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Sự thiếu hụt lưu trữ năng lượng là một trong những nút thắt lớn nhất hiện nay, đặc biệt đối với việc triển khai địa nhiệt nhanh chóng và quy mô lớn. Mặc dù EGS mang lại khả năng điều độ vốn có, các giải pháp lưu trữ năng lượng ở cấp hệ thống vẫn cần được hoàn thiện hơn để đối phó với những thay đổi động của lưới điện. Ngoài ra, hạn chế về mạng lưới truyền tải và áp lực tài trợ dự án là những rào cản kỹ thuật và kinh tế cần phải vượt qua. Đối với các hệ thống thế hệ tiếp theo, chẳng hạn như EGS và hệ thống vòng kín, chi phí vốn ban đầu cao, đòi hỏi sự định hướng chính sách rõ ràng và cơ chế chia sẻ rủi ro.

Hơn nữa, sự không chắc chắn về chính sách và vấn đề cung cấp nguyên liệu thô cũng tồn tại. Ví dụ, quá trình EGS có thể liên quan đến việc tiêu thụ tài nguyên nước, điều này có thể gây ra những lo ngại về quy định ở một số khu vực, tạo ra một cơ hội pháp lý tiềm năng cho các hệ thống vòng kín. Đồng thời, việc đảm bảo mức độ trưởng thành của công nghệ, đặc biệt là thương mại hóa các công nghệ tiên tiến như địa nhiệt siêu tới hạn (SHR), đòi hỏi sự đầu tư liên tục vào nghiên cứu và quản lý rủi ro.

Triển vọng tương lai

Nhìn về 5 đến 20 năm tới, cục diện năng lượng địa nhiệt sẽ có xu hướng phân hóa công nghệ và hợp tác chiến lược. Thay đổi cơ cấu năng lượng sẽ không còn là sự cạnh tranh giữa các nguồn năng lượng đơn lẻ, mà là sự hợp nhất sâu sắc giữa nguồn năng lượng cơ sở ổn định và năng lượng tái tạo gián đoạn. Địa nhiệt sẽ chuyển đổi từ một công nghệ ngoại vi thành một thành phần quan trọng của bộ ổn định hệ thống.

Xu hướng đầu tư sẽ chuyển từ việc chỉ theo đuổi chi phí giảm thiểu tối đa sang theo đuổi giá trị độ tin cậy của hệ thống và an ninh năng lượng. Đối với đầu tư xanh, địa nhiệt sẽ thu hút các tổ chức tìm kiếm dòng tiền dài hạn, ít biến động, đặc biệt là trong lĩnh vực các công ty điện và cơ sở hạ tầng năng lượng cần điện cơ sở ổn định để hỗ trợ lưu trữ quy mô lớn và quá trình khử carbon.

Hướng phát triển công nghệ sẽ tập trung vào việc giảm chi phí vốn ban đầu cho EGS và các hệ thống vòng kín, đồng thời nâng cao tính phổ quát của chúng trong các điều kiện địa chất khác nhau. Điều quan trọng là phải nâng cao hơn nữa tốc độ học công nghệ để giảm chi phí sản xuất trên mỗi đơn vị năng lượng xuống mức cạnh tranh hơn. Đồng thời, những đột phá trong nhiệt động lực học và khoa học vật liệu tiên tiến sẽ là con đường tất yếu để mở khóa các nguồn tài nguyên sâu hơn như địa nhiệt siêu tới hạn.

Bối cảnh cạnh tranh năng lượng toàn cầu sẽ trở nên đa dạng hơn. Việc triển khai địa nhiệt sẽ không chỉ giới hạn ở các tầng lưu trữ thủy nhiệt truyền thống, mà sẽ tìm kiếm tiềm năng địa chất mới trên phạm vi toàn cầu thông qua công nghệ EGS và vòng kín. Các nhà hoạch định chính sách ở các quốc gia và khu vực khác nhau sẽ áp dụng các biện pháp khuyến khích tùy chỉnh dựa trên điều kiện địa chất và nhu cầu an ninh năng lượng của họ để thúc đẩy việc triển khai các công nghệ địa nhiệt cụ thể.Samenvattend ligt de toekomst van geothermie niet in het vervangen van zonne- of windenergie, maar in het dienen als een onmisbare pijler voor de opbouw van een werkelijk duurzaam energiesysteem. Door voortdurende investeringen in nieuwe boor- en circulatietechnologieën, in combinatie met terughoudende beleidssturing, heeft geothermie het potentieel om een stabiele, betrouwbare en langetermijnwaarde-gedreven rol te spelen in de energietransitie.