狮城是一个弹丸小国,缺乏自然资源,几乎所有能源需求都依赖于进口。根据新加坡能源市场管理局2022年的数据统计,新加坡进口的能源产品高达1.45亿吨油当量(tons of oil equivalent);其中,石油产品占了进口产品58%。因此,政府一直在寻求多样化的替代能源,以提高能源效率及韧性,实现新加坡绿色发展蓝图2030永续发展的目标。
在多种低碳的替代能源中,地热能(geothermal energy)是一种清洁、可再生的能源。它利用地球内部熔岩的热量来发电、供暖或用于其他用途。地热能在世界各地被广泛应用,本地科研机构和政府部门也不落人后,积极探讨地热能的可行性。
今年7月,南洋理工大学、Tumcreate和盛裕集团(Surbana Jurong Group)合作展开一项探索性研究。在距离三巴旺温泉2.5公里的海军部巷(Admiralty Lane),研究团队钻了一个1.1公里深的探测孔,分析下层岩层的岩芯样本和不同深度处的岩层温度。
根据数据推断,这花岗岩层在4至5公里的深处,温度可高达200摄氏度,足以用于发电。9月初,能源局宣布将在新加坡北部和东部展开勘探性研究,探讨我国利用地底深达10公里的地热能的潜力。该局说,除了太阳能之外,其他本土的替代能源可帮助我国实行能源减碳。
地热能的来源、定义和形成
地球从内到外可分成三个部分:地核、地幔和地壳。地热能主要指由地核散发,经地幔的熔岩散发至地壳,可由人类使用的热能源。这看似免费的热量有两个主要来源:一是地球形成时所剩下的余热,二是地球核心和地幔中自然元素的放射性衰变;后者占了地热源头的80%。
地核的温度高达5000摄氏度以上,向外辐射的热量使得周围的岩石、水、气体等物质受热。地球表面以下,不同深度处的温度不同,这种随深度变化的温度趋势称为地温梯度(geothermal gradient)。在世界大部分地区,地温梯度约为每公里深度增加20至40摄氏度左右。根据一份2011年的研究,新加坡的地温梯度可达每公里35摄氏度,热流量也很高,具有发展地热能的潜力。
当地下岩层受热达到700至1300摄氏度,就会融化成岩浆。通过岩浆的加热,地下含水层可经由间歇泉、温泉或喷气孔等到达地表,比如三巴旺温泉。这称为“水热型”的地热能是现今最常见的开发方式,一般发生在地壳板块的边缘,即火山地震活跃的地带,因此目前的技术只能应用在地壳浅部的区域。
然而,大部分地热能仍留在地幔的岩层中,以缓慢速度向外散发。这称为“干热岩型”的地热形式具有庞大的能量,可以通过钻探来获取,并通过注入水来产生蒸汽进行发电。由于探测方面的不确定性,以及技术层面的高度要求,这领域仍需要在地理建模、工程机械等方面做研究。
地热能的利与弊
位于北欧的冰岛,拥有独特的地理环境,根据2020年的统计,冰岛70%的能量来自于地热能,主要作为供暖用途。反过来看,新加坡针对地热能的勘查、研究和工业化使用仍处于萌芽阶段。那么,发展地热能到底有什么优缺点?
优点方面,地热能清洁、低碳,不像化石燃料那样会产生和排放大量温室气体和污染物。地热能可以减少对环境的影响,也可以改善空气质量和公共健康。
此外,地热能是一种稳定、可靠的能源,不受天气、季节或昼夜,甚至市场波动的影响;其他绿色能源都没有这个特点,太阳能依赖不受遮挡的日光,风能受到风速和风向的影响。一座运作良好的地热发电厂可以提供连续、恒定的电力供应,满足基本负荷需求。地热供暖和制冷系统也可以提供舒适、均匀的温度控制。
缺点方面,地热能是一种依赖地理位置的能源。地热资源分布不均,且受到地质深度、温度等因素限制。地热资源也须进行探勘、评估和监测,以确定其潜力和可行性。地热发电厂须要钻探井,建造管道,安装涡轮机等,这些都需要专业技术和大量资金。
地热能的未来发展
地热能在日常生活中有着广泛应用。考古证据显示,美洲原住民早在1万年前就使用地热能来煮食。古希腊和罗马时期,靠近火山或温泉的居民开设澡堂,使用地热温泉沐浴或做水疗。世界上最早的温泉浴池——位于中国西安骊山的华清池,早在西周时期就开始使用,唐代诗人白居易也曾于《长恨歌》里赞叹:“春寒赐浴华清池,温泉水滑洗凝脂。”
直到19世纪末,由于人们开始察觉地热能的发展潜力,它开始赶上工业化的进程,在一些城市作为区域供暖的主要来源。到了2015年,超过80个国家地区使用地热能来供暖,其中20多个国家使用地热能来发电。
虽然本地的研究仍在初步阶段,学者和能源局都抱持积极态度,找寻相关研究来开辟本地能源的新篇章。
何谓放射性衰变?
放射性衰变(radioactive decay)是指特定元素的原子核发生变化并释放出大量辐射的过程。地核和地幔中存在许多这样的放射性同位素,不断地衰变并产生热量。
不同原子核依其稳定性各有不同半衰期。半衰期指的是某一质量的物质经过衰变后,减少至剩下初始时一半的质量所消耗的时间。例如铀元素235(可用于核电和核弹)的半衰期为7亿380万年。
放射性强度的国际单位为贝克勒尔(Becquerel,Bq),定义为一秒内有一个原子衰变。一个有趣的例子是香蕉,它含微量放射性钾40(约占自然界中钾元素的0.0117%),一根普通香蕉的放射性强度大约是15贝克勒尔。