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摘 要：超临界地热发电是一种利用比传统地热发电中使用的地热储层更深，通常位于地下约3～5km的岩浆成因流体的技术。该技术的核心在于利用处于极高温高压环境中的地热资源，从而能够提取更多的能量。
关键词：超临界地热发电、岩浆顶部、超临界流体、电力脱碳、能源安全
1地热发电与超临界地热发电的区别
在解释超临界地热发电之前，先来解释一下地中热和地热的区别。
地中热是指地下约100m深处的热能。在日本，地下20～100ｍ深处的温度稳定在10～25℃左右，利用地中热的特性，夏季可用于制冷，冬季可用于取暖。
与之相比，地热是指来源于地球深处高温岩浆的热能。利用这种能源的地热发电是通过从被岩浆热量加热的地下水（200～350℃）中提取蒸汽来发电。利用能源时，两者的区别在于，地中热利用的是温度较低、相对较浅的区域，而地热则利用的是高温、较深的区域。它们的利用方式也不同，地中热适用于空调，而地热则更适合用来发电。
日本拥有世界第三大丰富的地热能源资源，是一个地热发电利用潜力很大的国家。然而，目前已安装的地热发电设备的发电量仅约为0.6GW，相对于日本自有资源的比例而言，发电量仍处于非常低的水平。为了改善这一状况，进一步将地热发电作为不受天气影响、能够24小时稳定运行的纯国产能源加以利用，日本政府设定了到2030年将地热发电装机容量增加到1.5GW的目标。
为了实现这一目标，超临界地热发电作为一项可以大幅增加地热发电量的创新技术而备受关注。
2超临界地热发电的机制和基本概念
超临界地热发电是一种利用比传统地热发电中使用的地热储层更深，通常位于地下约3～5km的岩浆成因流体的技术。该技术的核心在于利用处于极高温高压环境中的地热资源，从而能够提取更多的能量。
传统地热发电与超临界地热发电的示意图
在极高温高压的条件下，流体被认为处于超临界状态。某种物质能够区分液态和气态的极限的温度和压力被称为临界点，而无法区分的状态被称为超临界状态。超临界地热发电技术通过提取处于超临界状态的流体（例如纯水），并使用它来转动发电涡轮机，有望比传统地热发电更高效地提取能源。
超临界地热发电正在世界地热发达国家蓬勃发展。在日本和新西兰等位于海洋板块“俯冲带”的地区，当海洋板块下沉时，会在边界处产生岩浆。这些岩浆以每年几厘米的速度向地表上升。例如，在日本东北地区，岩浆在距离地表约3～6km处停止上升，并在约一百万年的时间里冷却下来。传统地热发电利用的正是这些正在冷却的岩浆作为热源，但最近的研究发现，在上升到地表附近的岩浆的最顶部，有一部分含有高温高压的流体。
俯冲带中岩浆生成方式以及岩浆房顶部储存热量的部分的示意图
3超临界地热资源及其特征
超临界地热发电之所以备受关注，其中一个原因是它能够产生大量电力。人们认为许多火山下方都蕴藏着超临界地热资源。这是因为火山喷发需要岩浆，而火山附近很可能存在超临界地热资源。尤其是在过去一百万年内喷发过的火山下方，存在超临界地热资源的可能性很高。
如果假设日本国内某一火山的发电功率为100MW（兆瓦），那么发电量可达数GW甚至更多。日本是世界著名的火山国家之一，据估算，发电量有望比现在增加10倍以上。如果其利用进一步推进，不仅可以大大促进脱碳社会的实现，而且还能加强能源安全。能够确保本国所需的能源至关重要。与其他清洁能源如太阳能和风能不同，地热发电不受时间和气象条件的影响，能够稳定发电。因此，其用作基载电源也颇具吸引力。超临界地热发电被认为是解决未来能源问题的极具前景的手段之一。
4环境影响及其缺点
另一方面，众所周知，在超临界地热发电的开发过程中，可能会有腐蚀性较高的蒸汽排放到大气中。虽然可以通过妥善管理将这些蒸汽对大气的影响降至最低，但仍存在管道腐蚀等风险。
此外，有人指出，在包括地热发电在内的地下开发中，向地下注水时存在诱发地震的风险。然而，作为超临界地热发电目标的地下条件，由于处于不易发生地震的温度和压力状态，因此只要保持地下平衡，这种风险被认为非常低。
在超临界地热发电的开发过程中，地下条件仍有许多不确定因素，因此实际挖掘并确认资源的存在至关重要。此外，为了实现商业化发电，需要开发能够应对高腐蚀性蒸汽的材料和技术。现有的地热发电厂使用的材料在几年内就会老化，因此需要开发新型材料、涡轮机和发电技术。
5产综研的超临界地热发电研究
产综研在超临界地热项目中的主要任务是探索地下条件，并根据所获得的数据建立模型，以推测地热系统和储层的情况。
超临界地热的研究涵盖了非常广泛的领域。需要涵盖地面发电系统的设计、地下勘探和模拟等各个方面，目前各种问题错综复杂地交织在一起。我们将这个项目称为“地热阿波罗计划”，产综研、大学和企业合作，正在全日本范围内开展研究。
在产综研，福岛可再生能源研究所（FREA）和日本地质调查局（GSJ）正在紧密合作开展研发工作。未来，研究小组将在进行勘探和各种检查的同时，对日本国内的资源量进行详细评估。产综研准备承担一项任务，通过对资源量测定、单位发电量估算、化学问题的解决等进行综合评估，来评估2030年左右能否实现商业化发电。
6超临界地热发电带来的未来
目前，日本的传统地热资源估计约为23GW。根据环境省的计算，到2050年，可发电量约为3.6GW。日本的总发电量超过300GW，因此，如果现状不变，地热发电仅占1%左右。
然而，引入超临界地热发电将大幅提高这一目标。如果这项技术得以实现，将有可能取代目前所有的燃煤发电。由此带来的脱碳效果将极其显著，地热发电作为国内能源有望发挥重要作用。产综研正推动这一技术的研究开发，目标是通过地热发电在2050年以后带来能源行业的革命。
短期来看，推进超临界地热发电的研发，显然将对传统地热发电产生显著的积极影响。了解超临界地热如何构成以及如何运作，将有助于提高传统地热发电的可持续性和扩展性。
产综研还在利用人工智能技术进行勘探，以高效评估全国有潜力的地热资源量。超临界地热发电投入实际应用预计需要大约25年时间，但在此期间，人才培养和知识转移至关重要。由日本产业技术综合研究所和东北大学联合开办的“NEDO讲座”为企业提供在线讲座，传播有关超临界地热能的知识。
