环境及气候
我们能用一个巨大的地热发电厂阻止黄石公园爆发吗？
黄石国家公园不仅风景秀丽，更令人惊讶的是，它位于一座巨大的超级火山之上。与普通的火山不同，超级火山的喷发规模异常庞大，每隔几十万年就会发生一次灾难性的喷发。根据火山爆发指数(VEI)定义，超级火山喷发指数至少为8级，这意味着喷发出的岩石体积至少为1000立方公里。与普通火山形成锥形山峰不同，超级火山喷发时，其下方地面会塌陷，形成巨大的凹陷，称为破火山口。黄石公园就位于黄石破火山口内，该破火山口形成于64万年前黄石上次大规模喷发。
(并非黄石的每一次喷发都如此规模庞大。它最近一次喷发发生在7万年前，规模要小得多。)
超级火山的形成源于黄石热点。黄石热点位于地球地壳深处，温度极高，据推测是由地幔柱引起的。地幔柱是地球内部炽热熔岩向上涌动的区域。随着地球构造板块的移动，黄石热点逐渐向东移动，留下一系列破火山口，标志着每一次大规模喷发。
人类历史上从未记录过超级火山喷发，但如果发生，其后果将是灾难性的。
在100公里范围内的一切都被灼热的落岩掩埋。浓密的火山灰会覆盖整个大陆。例如，大约7.4万年前，印度尼西亚的托巴火山喷发，导致整个印度被厚达一米的火山灰覆盖，甚至远至非洲都发现了火山灰的痕迹。托巴火山喷发释放出的火山尘埃和硫酸盐气溶胶造成了“火山冬季”，使全球气温下降了几摄氏度，持续了几年。即使是规模小得多的1815年印度尼西亚坦博拉火山喷发(不到托巴火山喷发规模的百分之一)，也导致全球气温降低了1摄氏度，远至美国的地区也出现了作物歉收和六月降雪的现象，被称为“没有夏天的年头”。
喷射到大气中的火山灰体积将与导致恐龙灭绝的小行星撞击事件相当，并产生类似的后果：
这种影响可能与1-10公里小行星的撞击大致相当，将导致全球大规模粮食减产，持续多年。由于世界粮食储备只有大约六个月，数十亿人可能会饿死，全球文明可能会因此崩溃。
然而，与大多数灾难性风险不同的是，应对超级火山喷发的风险也带来了机遇。火山由岩浆房提供能量，岩浆房是地表以下深处的巨大液态和半液态岩石体。在黄石火山的情况下，存在两个岩浆房：一个较小、较液态的岩浆房位于地表以下4-14公里处，熔融岩石含量约为10%；另一个较大的岩浆房位于地表以下20-45公里处，熔融岩石含量约为2%(尽管最近的分析表明熔融岩石比例更高)。这两个岩浆房的总容量约为5.6万立方公里，较深的岩浆房据估计每年膨胀约0.3立方公里。
如果能够将岩浆房的热量抽走，使其冷却并凝固，不仅可以理论上阻止火山喷发，还可以利用地热能发电厂将热量转化为电能。根据发电厂的规模和抽热速度，这可以产生非常巨大的电量，足以满足整个美国的用电需求。
关于地热能的简要说明
地球蕴藏着巨大的热量，仅地壳中的热能就比所有已知的石油和核燃料储备总和还要多出 41 倍。地热发电厂正是利用了这种热量来发电。尽管存在不同的技术，但它们都遵循同一个基本原理：从地表深处抽取加热水(或其他导热流体)，然后利用它产生蒸汽来驱动发电机。随后，流体被重新泵回地表，吸收更多热量。
历史上，地热发电厂仅限于地表以下热源异常靠近地表的地方，并且需要存在可供利用的、通过渗透性岩石流动的加热水源。世界上最大的地热发电厂——位于加州的盖瑟斯(The Geysers)——就是建在大型自然温泉之上。但是，只要钻探深度足够并找到一种方法将流体泵入和抽出，地热能几乎可以在任何地方利用。越来越多的人正在研究增强型地热系统 (EGS)，它可以通过钻孔和使用压裂技术创造渗透性岩石，几乎在任何地方都能够建立地热发电厂。
正如你所料，黄石公园下方的岩浆房释放了大量的热量。黄石公园比美国其他任何地方都要热 7 公里。一个足够大的地热发电厂可以利用这种热量，在发电的同时降低或消除灾难性喷发的风险。
我知道有两个关于如何实现这一目标的提案，一个是由美国国家航空航天局喷气推进实验室在 2017 年提出的，另一个是由 Thomas Arciuolo 和 Miad Faezipour 最近提出的。
JPL提案
JPL 的提案主要旨在降低黄石喷发的风险，发电是其附带好处。作者指出，鉴于过去黄石喷发的规模以及它们之间的间隔时间，火山下方能量积聚的速度仅为 1.5 吉瓦左右，低于普通发电厂的散热量。黄石目前以约 4.5 至 6 吉瓦的速度散热，主要通过地表以下流动的加热水。因此，理论上你只需要增加大约 35% 的散热量，就可以阻止能量积累并防止未来喷发。
钻探黄石下方或上方的岩浆房将面临许多问题。首先，它可能会使火山喷发，这正是我们想要避免的。其次，岩浆体上方的环境不是坚硬的岩石，而是由岩石、酸和盐水混合而成的“泥浆”，钻探起来非常困难。即使你能够成功钻透它，环境也极具腐蚀性，即使是耐腐蚀材料也会在暴露几天后开始腐蚀。
相反，作者建议在岩浆体周围每 1.5 公里建造一组 160 个地热发电厂。每个工厂将钻一对井(一口生产井用于取水，一口注入井用于将水重新注入), 最深可达 10 公里。根据增强型地热系统的预计流量(每秒 80 公斤)，160 个工厂将共同提取约 20 吉瓦的热能，并产生约 3.5 吉瓦的电能。预计成本为每瓦特 1 美元，这样的系统将花费大约 35 亿美元，并且每千瓦时发电成本低于 10 美分，尽管有人告诉我每瓦特 1 美元是 EGS 成本的一个非常乐观的预测。
这个系统将在岩浆房周围形成一个大约 50 米宽的冷却岩圈。每隔 50 年，将在稍小的范围内建造一系列新的工厂(或从现有工厂定向钻井新井)，慢慢扩大岩浆房周围的冷却岩圈。按此速度，下一次喷发的能量将在大约 16,000 年后被消耗殆尽，在不到 50,000 年的时间里，岩浆房将完全冷却。虽然这很长，但在黄石的背景下，这是很短的一段时间，因为在过去的 210 万年中，它只发生过三次大型喷发。
3.5 吉瓦的容量比单个核电站的容量还要小。但是 JPL 论文的作者指出：“很容易想象，整个容量可以增加到此处考虑的 20 GW 标称值的数倍，从而成比例地减少从岩浆房抽取热量的时间”。这大致就是 Arciuolo 和 Faezipour (简称 A&F) 提出的方案。
阿尔丘洛和法齐普尔的提案
从概念上讲，A&F 的提案与 JPL 的提案并没有太大区别，但规模要大得多。在 A&F 的提案中，他们将在黄石岩浆房下方 8 公里处钻挖 100 个直径 8 米的竖井(相比之下，典型的地热井顶部直径约为 1 米，向下逐渐变窄)。一根直径 8-12 英寸的典型油气井)。
一根巨大的中央管道将延伸到竖井底部，然后分叉成十根较小的管道并向上延伸，最后连接到一个巨大的蒸汽轮机。水(作者建议使用 Shoshone 湖作为水源)将被泵入中央管道，并转化为超高温蒸汽来驱动涡轮机。
A&F 建议使用镀金铜作为管道材料——镀金是为了耐腐蚀，而铜是为了导热。JPL 的提案只从地面提取了 20 千兆瓦的热量，而 A&F 的系统预计将提取超过 1200 千兆瓦的热量，是 JPL 的 60 多倍。A&F 的提案将耗时约 830 年，而不是 50,000 年从岩浆房中抽取热量。
除了规模之外，A&F 的提案与 JPL 的提案主要区别在于拟议的能量提取系统的细节。不幸的是，据我所知，A&F 系统并没有经过特别仔细的考虑，大多数提供的细节都没有多大意义。
首先，选择镀金铜作为建筑材料是奇怪的，并不适合地热井的恶劣条件。铜相对柔软且强度低，并且在高温下会迅速失去本已较低的强度——这对于温度可能超过 1000 华氏度的地热井而言并不理想。现有的地热井通常使用钢或(对于高腐蚀性环境)钛来制作管道和套管。冰岛深钻项目是一个将井钻入岩浆并利用产生的蒸汽发电的实验项目，它使用 K55 钢作为井套管。
同样，镀金管道似乎也没有多大意义。虽然镀金通常用于电气连接器以提供耐腐蚀性，但薄薄的金层会随着时间的推移而磨损。镀金首饰在几年后就会磨损，即使符合军用标准的镀金连接器的使用寿命也只有几千次连接/重新连接周期。在地热井中，管道会暴露在数千升水和蒸汽的高温流动、酸性盐水浸泡的岩石中，这会使薄薄的镀金层磨损得更快。不用说，目前的地热井不使用镀金管道。
A&F 计算得出，他们的系统将产生大约 1260 吉瓦的电力，超过美国整个发电能力(截至 2021 年为 1143 吉瓦)。但这个计算是错误的。作者假设基于涡轮机的效率(减去泵水所需的极少量能量)，热量转化为电能的效率将大致为 90%。但这个 90% 是涡轮机的效率，是基于将其与理想的、零熵涡轮机进行比较得出的——它不是整个过程的效率。任何热机在将热量转化为有用功方面的效率都存在根本性限制，而且这个限制远低于 90%。现有的地热发电厂的热效率约为 10-15%。使用超临界蒸汽的燃煤电厂的热效率可达到 50%。JPL 的提案使用了与 A&F 提案类似温度的蒸汽，计算出的热效率为 17%。因此，A&F 高估了他们的系统将产生的电量约为五倍。
这个提案还有一些其他奇怪的地方。A&F 似乎没有使用绝缘管道(据他们的分析，蒸汽温度从竖井底部 1400 多华氏度下降到从岩浆房向上移动时约 600 华氏度)，即使使用绝缘材料，损失也应该在几个百分点左右(另一个不使用铜的原因)。他们的管道布局(内部下行，外部上行)是错误的——下行的水应该在外侧，从周围的岩石中吸收热量。八米深的竖井(在地表附近需要更大的直径)正如作者所指出的那样，需要类似隧道掘进机的东西来钻，而且比使用更多数量的较小竖井要昂贵得多。
是否应该这样做？
无论细节如何，从抽象的角度来看，这样的计划在某种意义上是可能的。我们应该如何考虑它呢？
一方面，在黄石公园建造一个巨大的地热发电站可以同时产生大量(潜在便宜)的电力，同时降低灾难性风险。此外，开发建造该技术的技术将产生超出黄石公园的利益。增强型地热技术仍处于非常早期的阶段，在黄石公园建造一个巨大的工厂所需的进步可以被有利地应用于其他工厂。同样，弄清楚如何阻止一个超级火山喷发所获得的知识可以应用于防止其他超级火山喷发。更广泛地说，阻止超级火山喷发是我们作为一个文明可能低估的投资。在《悬崖》中，托比·奥德估计，超级火山喷发对文明的风险是小行星和彗星撞击的风险的 100 倍，NASA 每年在其上花费超过 1 亿美元。根据这一估计，我们每年应该至少花费 100 亿美元来防止超级火山喷发。
另一方面，从许多方面来说，黄石公园是尝试建造这样的工厂的特别糟糕的地方。岩浆室内外的恶劣腐蚀性条件会使钻井变得特别困难，其位于偏僻地区的地理位置将需要建造巨大的输电线路(这是美国并不擅长的事情)。增强型地热技术的主要优点之一是您几乎可以在任何地方建造它，从而使您可以直接使用地热进行工业过程加热(消除将热量转化为电能再加热的浪费)，或者改造现有的燃煤电厂(重复使用其蒸汽轮机和其他电气基础设施)。一个庞大的黄石地热电站放弃了许多这些好处。
虽然黄石公园有发生灾难性超级喷发的风险，但它受到黄石火山观测站的全面监控。我们(希望！)会在黄石实际喷发之前得到提前警告。更大的问题可能是来自我们没有跟踪和没有数据的火山的大规模喷发。冰芯数据表明，在过去 60,000 年里发生了 97 次大规模火山喷发，但其中只有少数可以归因于特定火山。自 1950 年以来发生的所有火山喷发中，只有 27% 在喷发前受到任何类型仪器(如地震仪)的监控。没有专门用于监测潜在火山喷发的卫星。
无论如何，这场辩论在可预见的未来都有可能仍然是学术性的。1970 年的《地热蒸汽法》禁止使用黄石公园进行地热发电，该法规定“要求内政部保存和监测像 Old Faithful 这样的热液特征”。尽管人们越来越认识到，广泛的环境评估往往会损害环境，并且某种形式的许可改革将有必要建设低碳能源基础设施，但我们仍处于早期阶段。试图在一个最受欢迎的国家公园(!!)中建造一个巨大的地热发电厂和相关输电线路(!!)，该公园有专门的法律禁止(!!!)，并且有可能引发一场摧毁文明的火山喷发(!!!!)，这就像许可改革运动的最终 Boss。
本文译自 construction-physics，由 超载鸡 编辑发布。