美国犹他州西南部米尔福德镇附近的一片点缀着灌木丛的平原或许能让我们一窥地热能的未来。在该镇以北约16 km处，由美国能源部资助的犹他州地热能前沿研究观测站（Utah Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy, FORGE）项目正在钻探深达3350 m的井，以测试借鉴自石油和天然气行业的技术（如水力压裂技术）是否能开发出新的地热能源（图1）[
1]。附近，总部位于美国得克萨斯州休斯顿的初创公司Fervo Energy正在利用上述诸多方法来建造一座400 MW的地热发电厂，该发电厂预计将于2026年开始发电[
2]。
近年来钻探技术的进步意味着“只要钻得足够深，世界上任何地方都有地热潜力”，致力于推动地热能开发的非营利组织Project InnerSpace的技术总监Taylor Mattie说道。研究人员现在希望突破钻井极限，以开采更热的地层。总部位于美国马萨诸塞州剑桥市的初创公司Quaise Energy计划利用回旋管（一种用于核聚变研究的设备）产生毫米波电磁辐射，以此来使岩石气化[
3]。该公司声称，通过钻探至20 km深处（几乎是迄今为止任何钻井深度的两倍），该技术能够提供的能量是传统地热蒸汽技术的十倍[
3‒
4]。
目前，地热发电在美国电力供应中的占比约为0.4%，在全球占比约为0.3% [
3,
5]。但美国能源部预测，新兴技术有望将美国的地热发电能力从目前的不足4 GW提升至2050年的超过90 GW [
6]。然而，地热发电仍存在一些障碍。例如，部分钻探方法尚未得到验证；地热发电的成本高于其他可再生能源且项目可能引发地震等问题[
7]。尽管如此，Mattie表示，大幅增加地热能发电的技术“触手可及”。
地热能符合清洁能源的诸多标准。它是一种可再生能源，且根据发电厂类型的不同，产生的二氧化碳极少或基本为零[
8]。由于地热发电厂所需的土地面积约为太阳能发电设施的八分之一，约为风电场的三分之一，因此其建设对环境的破坏性通常较小[
9]。与太阳能和风能不同，地热能能够持续提供电力，因为其输出不会因天气状况或处在一天中的不同时段而产生波动[
9]。
尽管有这些优势，地热开发仍然如一位作者所描述的那样，是“可再生能源中的次优选择”[
10]。美国犹他州盐湖城犹他大学土木与环境工程学教授、犹他州FORGE项目首席研究员Joseph Moore表示，为了产生足够的蒸汽来发电，地热储层需要具备“热源、水源和渗透性”，以使水能够渗透穿过岩石并被加热。这些要求使得传统地热发电厂只能建在具备这三种自然特征的地区。例如，冰岛（图2）利用其丰富的地热活动生产了该国25%的电力[
11]。在美国，内华达州和加利福尼亚州分别有10%和5%的电力来自地热能源[
12]，但美国50个州中有43个州目前尚未建设大型地热发电厂[
12]。
50多年前，研究人员开始尝试通过构建地热储层，即所谓的增强型地热系统（EGS），来突破这一限制[
13]。该过程涉及在压力下向岩石中注入水以诱发裂缝[
13]。然而，到目前为止，只有少数几个EGS发电厂投入商业运营，且发电量很少[
14]。“人们已经成功实现了EGS技术的应用，但尚未将其大规模推广并从中获利。”美国加利福尼亚州斯坦福大学地球科学教授Roland Horne说道。
通过完善水力压裂和水平钻井技术以从页岩矿床中开采出更多的石油和天然气，石油和天然气行业无意中也为地热发电的发展提供了帮助[
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16]。水平钻井技术能够到达传统垂直钻井难以到达的岩层[
17]。水力压裂技术涉及将流体注入岩层深处，从而在岩石中形成裂缝，使石油和天然气得以通过裂缝流向收集井[
15]。这两种技术都不是新技术，但经过改进后，它们的实用性得到了提升[
18]。
犹他州FORGE项目已经证明，这些方法在地热发电项目中是可行的。Moore表示，FORGE项目的首次成功展示了聚晶金刚石复合片（PDC）钻头的价值，这种钻头在石油和天然气钻井中是标准配置，因为它们非常耐用[
19]。由于这种钻头不需要像通常用于地热钻井的钢制和钨制牙轮钻头那样频繁更换，因此钻井可以更快完成。钻井成本约占地热项目成本的一半，但使用PDC钻头后，“我们可以节省30%甚至更多钻井成本”，Moore说道。
Moore表示，犹他州FORGE项目取得的另一项进展是给地热井加套管，并在其内部铺设钢管。尽管这一步骤在油气井施工中是常规操作，但之前的EGS项目都跳过了这一步，因为这会增加成本。一旦井加好套管，犹他州FORGE项目的研究人员就会执行一项在油气行业中称为“插塞与射孔”（plug and perf）的工艺，即在地下引爆小型炸药，在套管的一部分中炸出一些孔洞。然后，他们可以泵入高压水，高压水会通过套管中的孔洞流入周围的岩石，扩大现有的裂缝并产生新的裂缝。“如果不给井加套管，这将很难实现。”Moore说道。
研究人员从井的底部开始操作，他们先在套管上打孔并注入水，然后对该段进行封堵——因此被称为“插塞与射孔”——并对封堵上方井段的每一部分重复此操作。Moore表示，这种方法与油气行业中的水力压裂技术的区别在于水的处理方式。在油气开采中，水是一种必须处理的废弃物，通常会被注入到不同地点的地下深处，不过这种做法曾导致地震的发生[
20]。地热项目可以对水进行再利用，将其重新注入地下以再次加热。Moore指出，这种循环利用减少了项目所需的水量并降低了发生地震的风险。
犹他州FORGE项目在探索如何开发地热系统方面做出了重要贡献，Mattie说，他本人与该项目并无关联。但该项目并非旨在发电，更谈不上盈利了。而这正是包括Fervo、Sage Geosystems（美国得克萨斯州休斯顿）以及GreenFire Energy（美国加利福尼亚州核桃溪）在内的多家公司正在尝试做的事情。其中，Fervo公司的进展最为显著。自2023年年底以来，该公司已为内华达州的谷歌数据中心提供了3.5 MW的电力[
21]。此外，该公司还签署了一份合同，其位于米尔福德附近的在建电厂将向Southern California Edison公司提供360 MW的电力，后者是南加州大部分地区（包括洛杉矶部分地区）的电力供应商[
22]。
Horne表示，Fervo公司利用“插塞与射孔”工艺和水平钻井技术来开采地热储层。他是该公司的顾问委员会成员，该公司由他之前的两名学生创立，但他表示自己并未直接参与公司运营。随着注入的水渗入地下裂缝，水温会升高。水与岩石接触的面积越大，水温就越高。Horne表示，在井内多个层次上将水平钻井与“插塞与射孔”工艺相结合，可增加水所接触到的岩石表面面积，这样一来就提高了水吸收足够热量用于发电的可能性。在2023年的一篇预印本中，Fervo公司报道称，他们在美国内华达州的一个试验场钻了两口水平井，然后向其中一口井泵入冷水，当水从另一口井涌出时温度达到了169 ℃，足以用来生产3.5 MW的电力[
23]。该试验场的地热发电厂正是为内华达州电网供电的发电厂。该公司还表示，其钻井时间缩短了70% [
24]。这一改进有助于降低地热发电的高额前期成本，而这也是地热发电的一个缺点[
8]。
一些专家表示，一种非传统的钻探深度达20 km的策略或许还能有助于降低地热能的成本。深井的益处是显著的。“钻得越深，就能获得越高的温度。”Horne说。而更高的温度意味着发电量的增加。如果井钻得足够深，就能钻到超临界水。在220个大气压（1个大气压= 101 325 Pa）的压力下，超临界水的温度高于374 ℃ [
25]。使用超临界水的发电厂比使用较低温度水的发电厂效率更高，发电量也相对更多[
10]。此外，这种水的温度足以驱动现有燃煤、天然气和核能发电厂的涡轮机，理论上能使这些发电厂改用可再生能源。“如果能钻到15 km深，那么几乎可以在世界上任何地方建地热发电厂，并获取可以加热到超临界状态的水。”美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院等离子科学与聚变中心的高级研究工程师Paul Woskov说。
然而，迄今为止，钻探深度从未超过12.2 km [
26]。Moore指出，当温度超过200 ℃后，传统钻井设备开始出现故障，用于监测井况的电子设备也开始失灵。他表示，这些高温在全球范围内都出现在相对较浅的深度。例如，在犹他州FORGE项目中，一旦井深达到3350 m，温度就可能会超过225 ℃。
2008年，Woskov提出了一种利用回旋管产生毫米波（在电磁波谱中频率范围为30~300 GHz）的想法。利用该方法，即便是在传统钻探设备无法承受的极高温度下，也能使岩石气化[
3]。该装置将置于地表，并通过插入井中的波导管传输毫米波。
这种钻探方式除了能够在高温岩石中作业外，还能带来其他益处。例如，Woskov说，毫米波会熔化钻孔的侧面，从而为井筒形成一个套管。如果这项技术能够加以改进，从而允许重复利用现有的化石燃料和核设施的话，那么“我们的地热发电厂已经完成75%的建设工作了”， Woskov说。Quaise Energy公司已接管该技术的开发工作，并计划于2024年年底使用一套原型便携式回旋管系统开始其首批试验井的钻探工作[
3]。
“任何能让我们钻得更快、更便宜、更深的技术都是有用的。”Moore说道。但他和其他研究人员正在等待相关示范来证明回旋管技术能够与标准钻探设备兼容，并能够深入到预计深度。“让我看看它是否真的有效吧。”美国纽约州伊萨卡康奈尔大学可持续能源系统教授Jefferson Tester说道。
Moore表示，技术和经济障碍可能会阻碍EGS项目的进一步发展。他指出，地热项目的成本必须降低，才能与其他可再生能源和化石燃料相竞争。Horne则指出，地震发生的可能性也是一个令人担忧的问题。他表示，以往钻探活动引发的地震“规模之大，足以让许多人感到不安，并导致一些项目流产”。不过，研究人员正在研究降低风险的措施，如密切监测地震活动以及将项目选址远离断层。
尽管如此，专家们认为，企业和研究人员终将克服这些障碍，使地热能满足更多的能源需求。Horne表示，在未来20~30年内，美国从地热能源中获得的电力比例不会达到50%甚至30%，但6%这样的比例“似乎是合理的”。
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