火山爆發效果圖
01
用火山來發電貌似很過分，但這只不過是人類不斷追求可再生能源的大膽舉動之一而已。
世界發展越來越快，能源消耗越來越大，化石燃料（煤炭、石油和天然氣）無論是在30年、50年或者100年後，終歸會有用完而枯竭的一天。
況且，如此“方便”人類使用的化石燃料，已經給地球母親帶來了極為嚴重、無法逆轉的環境汙染和生態破壞。所以，開發潔淨的可再生能源，在很多專家學者看來，其迫切程度已上升到關係人類未來存亡的程度，這也是為什麼現在全世界都在不斷興建新核電廠的緣故。
除了核能，地熱也是人類對能源的無盡追求之一，追溯至今已有200年以上歷史。
1904年，意大利托斯卡納的拉德瑞羅，第一次用地熱驅動0.75馬力的小發電機投入運轉，並提供5個100瓦的電燈照明，隨後建造了第一座500千瓦的小型地熱電站。
地熱發電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種發電技術。
簡單來說，就是將水注入到高溫岩層中，然後將產生的水蒸氣抽離地面，推動渦輪機轉動來發電。
地熱電站不涉及燃料運輸，無需建造巨大的鍋爐設備，沒有灰渣和黑煙，是相對清潔的能源，且發電成本較水電和火電都低。
所以，地熱發電在近100年得到迅猛發展，而火山則是地熱發電的終極目標。
按照能量守恆定律，地熱電站生產的電能來自地下岩層的熱能，溫度越高，可供提取的能量也就越多。
火山裡的岩漿是地下岩層中溫度最高的物質，一般在900-1200℃之間，如果能利用它來發電，不是能夠比一般地熱電站的產能提升好幾十倍？
雖然有點像天荒夜譚，但還真有人打起火山的主意來了，他們來自冰島和埃塞俄比亞。
火山地熱發電效果圖
02
2017年1月，在冰島西南部的雷克亞內斯半島，冰島深度鑽探項目 (下文簡稱 IDDP)完成了世界上第一個“超臨界蒸汽發電站”的建設，造價2000萬美金。
工程師們運用名為Thor （托爾，雷神）的鑽探平臺，花了176天，在火山山脈鑽井4659米，井底溫度427℃，壓力為340巴（壓強單位，1巴=0.987個大氣壓）。
地下水從火山岩漿中獲取熱量，變成超臨界流體，驅動渦輪機發電。
當水滲透到地下3000～5000米的深處，接觸到高溫岩漿後會形成溫度超過370℃、壓力高於200個大氣壓的“超臨界流體”。在這種狀態下，水既是液體也是蒸汽，蘊含更高的地熱能。
“超臨界蒸汽發電站”對外輸出的電能比普通地熱井提高了10倍，單井每小時產能40~50兆瓦（功率單位，1兆瓦=1000度電）。來自冰島某能源公司的工程師阿爾伯特森參與了IDDP，他對該項目寄予了厚望：
“這種技術將大大減小建造發電站的財政支出。給雷克雅未克（冰島首都）約 20 萬居民的城市提供電力，通常需要建設 30~35 個常規高溫井，現在只需建 3-5 個超臨界井就夠了。”
冰島第一個“超臨界蒸汽發電站”
無獨有偶，作為非洲最缺電的國家之一，77%人口用不上電的埃塞俄比亞，當地人們也一直盤算著利用火山資源來發電。
早在20年前，埃塞俄比亞人就在阿魯託火山區興建了地熱發電試點，如今已在對發電廠的基礎設施進行升級，預計發電功率將提高10倍，從7兆瓦提高到70兆瓦。
2015年埃塞俄比亞政府與一間美國和冰島合資公司簽訂了100萬千瓦的地熱發電廠一期項目合同，投資40億美元，已在近年投產。
埃塞俄比亞100萬千瓦地熱發電廠
03
不是所有地方都可以像冰島和埃塞俄比亞那樣利用火山來發電，地理位置十分關鍵。
先說冰島。
“冰與火之國”是世界上地殼運動最活躍的國家之一。
冰島地處歐亞和美洲兩大板塊之間的擴展中心，大西洋中脊經由冰島西南部向東北部貫穿全島，且每年以大約2釐米的速度向兩側擴展。地塹式的斷裂活動使地幔上隆，岩漿熱源的熱量不斷傳遞到地表。
正是由於這個原因，冰島全島面積雖然只有10.3萬平方公里，卻擁有火山200多座，其中活火山超過30座，平均每5年就有一次火山噴發。另一方面，當地年降水量為2000毫米，水源補給十分充足。
冰島因此成為了世界上地熱資源最豐富的國家之一，地熱能儲量巨大，科研人員估算：
“地下3公里範圍內的地熱資源儲量為3000萬億度電，技術上可利用100萬億度。目前的開發總量僅佔百萬分之1~2。若按現在這個速度開發利用，可以開發50~100萬年。”
50萬年，人類如果還健在的話，可能早就殖民外太空了。
相對於化石能源，這相當於無盡的能量了，怪不得冰島的目標是把自己變成一個向全世界輸出電能的巨型地熱發電廠，比“石油輸出國”牛多了。
“冰與火之國”——冰島
再說說埃塞俄比亞。
這個給咱們留下“很窮很落後”印象的非洲國家，也是全世界火山最活躍的地區之一，因為東非大裂谷正好從其國境內穿過。
東非大裂谷兩邊的土地大致以指甲生長的速度彼此分離，大地裂隙使得地下的岩漿衝破壓力冒出地表。
埃塞俄比亞目前發現的火山已有60多座，透過巨大的火山口可以看出，它們許多在過去都有過大噴發，相當一部分火山直到今天仍然很活躍。
既然埃塞俄比亞的火山資源如此豐富，國家又那麼缺電，為什麼不多點開發地熱呢？
沒錢是一個因素，還有一個重要原因：科學家們對埃塞俄比亞的火山所知甚少，甚至連大部分火山最後一次噴發是在什麼時候都不清楚，而避開噴發期是火山發電的首要前提。
埃塞俄比亞”地獄之門“熔岩湖
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火山正處於噴發期，就算請來雷神來打洞又如何，還不是找死？選擇安全的火山最要緊。
目前，雷神正在冰島北部的克拉弗拉火山工作，該火山的最近一次爆發已經是700年前的事了。雷神在熔岩流上層鑽孔，而那個地方是兩個大陸構造板塊的縫隙地帶，選擇那兒開鑿地熱井，反而能夠減少火山內部的壓力，延緩火山噴發的週期。
劍橋大學礦物物理學教授雷菲德表示：
“我認為噴發的風險相當小。如果真鑽到了岩漿，在那樣的高壓下，岩漿會非常迅速地到達地表，這會對鑽井作業本身造成較大的傷害，但它不太可能會導致更嚴重的傷害了。”
人們對埃塞俄比亞火山的研究，遠比冰島要少得多。
近三年來，英國和埃塞俄比亞兩國大學聯合組建了科研小組來研究檢測火山的方法和危害防範，以便火山能源能被安全可持續地開發利用。
藉助衛星雷達技術，科研小組發現阿魯託火山在“呼吸”。火山先是連續幾個月膨脹“吸氣”，隨後“呼氣”的過程導致連續多年的緩慢下陷。科研人員表示：
“我們不能完全確定是什麼造成了這些起伏，但足夠的證據顯示，應該是岩漿、地下熱水或氣體在地表以下5公里處流動所致。”
通過數據分析，科學家們可以判斷火山是否處於噴發期，為火山發電提供安全保障。
阿魯託火山的巖縫中冒出蒸汽
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超臨界蒸汽發電廠能夠在高達340巴的壓力和超過600℃的溫度下運行，工欲善其事，必先利其器，先簡單瞭解一下雷神和發電機組的構造。
1. 鑽頭。 採用的是傳統石油開採和地熱鑽井的三牙輪鑽頭，尺寸為8-1/2（216毫米)。通過在鑽井過程中循環大量冷水，使鑽頭能夠保持在250℃以下溫度作業，而不需要特殊材料。
2. 鑽機。由於所鑽地層是堅硬和高溫的岩石，早在2006年，冰島就引進了一種現代化的大型鑽機，可以輕鬆地鑽取超深地熱井，同時配備自動鑽進裝置，提高效率。
3. 泥漿泵。在鑽進過程中，循環泥漿在接觸高溫地層後，會很快被加熱到沸點，如果不進行處理，有湧噴危險。雷神會在2400 米深度以下采用大排量泥漿泵，安全控制井內溫度。
4. 渦輪機。目前已經試驗了多種能承受高達650℃蒸汽溫度的新型鋼材，正在考慮使用鎳合金以便承受更高的溫度。
5. 蒸汽循環設備。通過採用立式爐管、循環設計最優化、提高給水溫度以及降低煙氣溫度等多種措施，近幾年蒸汽溫度和循環效率一直都在穩定提高。
冰島”雷神“
工程師們在一系列包括岩石物理學、流體化學、水巖反應和儲層建模等科研手段的幫助下，首先確定好鑽探孔位，這是成功的關鍵所在。
IDDP在開發第一個全尺寸地熱井時，曾計劃使鑽井深度達到4500 米。然而，在深度2100米時觸到了岩漿層，鑽井裡黑煙滾滾，鑽頭被摧毀，作業被迫終止。
確定好鑽探孔位後，先採集鑽芯樣品，目的是摸清地層結構，獲取地熱儲層參數，計算地熱井可開採資源量和開展熱儲試驗。雷神使用混合取芯系統在地下3400～4500米取了數段10米長、直徑4”的點芯。
點芯分析完畢，雷神正式開始鑽孔，過程單調，但工藝複雜。簡單地來說，就是不斷地往下鑽孔，一邊用管柱固井。
管柱內層為耐超高溫的新型鋼材，外層是專門為井內不同溫度設計的混凝土，內含多種添加劑已達到耐高溫效果。管柱上有微孔，便於超臨界流體進入和循環後的冷凝水重回地底。
雷神負責鑽孔，地面上的工作人員除了監測，還需要提前安裝好渦輪機和發電機組，跟普通發電廠的興建類似，此處省略一萬字。
管柱可耐超高溫
超臨界蒸汽發電廠是怎麼樣發電的呢？
只要雷神把孔打到超臨界流體層，流體通過近5公里的地下管道直達發電廠，先被導入一個腔室釋放壓力，隨後超臨界流體轉化為溫度在400℃～600℃的水蒸氣，導入渦輪機，推動渦輪機轉動。
火山的能量被充分轉移到渦輪葉片中，而熱蒸汽在進一步的降溫降壓。發電機和渦輪機同軸，通過電磁原理髮電，大家都懂。
熱蒸汽在渦輪機中耗盡了能量，凝結成水，通過管道重新注入地底。這些水會再次成為超臨界液體被循環使用。
超臨界蒸汽發電廠工作示意圖
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火山發電是不是100%環保呢？
對於這個問題，科學家們表示很複雜。“綠色和平”組織的可持續發展專家諾曼認為，儘管火山地熱比天然氣、煤炭和石油要環保很多，但它並不是“完全可再生且沒有副作用的”。
“當鑽頭鑽進地面的時候，地下存儲的二氧化碳和硫化物就會釋放出來。我們必須找到應對它的方法。”
IDDP的工程師們也表示目前這種技術尚不完美，他們正在想辦法把氣體送回地底深處或回收利用。阿爾伯特森認為：
“相比化石能源產生的汙染，地熱的汙染簡直是九牛一毛，況且減少和回收汙染物的方法也正在迅速發展。”
除了在清潔能源領域遠遠走在世界前列的冰島以外，包括中國在內的許多國家也把火山地熱發電作為可持續能源開發的研究項目之一。
在非洲國家，比如前文提到的埃塞俄比亞，還有肯尼亞、坦桑尼亞和烏干達等國家，同樣擁有非常豐富的火山資源。
可能在不久的將來，東非大裂谷上的火山發電廠裡會看見咱們中國專家們的身影呢。
地熱井鑽探現場圖
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