通过地下加热脱碳

摘要：图 1：格拉斯哥天文台钻孔和地热基础设施的 3D 示意图，以多种灵活的组合大规模提取或储存热量。并非所有传感器和阀门都显示出来。地质学得到了简化。BGS © UKRI 2023 年。

图 1：格拉斯哥天文台钻孔和地热基础设施的 3D 示意图，以多种灵活的组合大规模提取或储存热量。并非所有传感器和阀门都显示出来。地质学得到了简化。BGS © UKRI 2023 年。

现在电视上的广告宣传用于家庭供暖的热泵。这一切实的变化遵循了许多政府战略和政策，其中包括使供热脱碳以帮助实现净零碳排放目标。这些战略包括雄心勃勃的增长目标，例如到 2028 年每年安装 600,000 台热泵（空气和地源）（英国政府能源白皮书，2020 年）。如果实现，这种转变将大大节省一氧化碳2用于加热我们建筑物的排放物。例如，在德国，使用地热技术节省了 350 万吨 CO2相当于 2021 年（BMWi 2021 in Abesser 和 Walker，2022 年）。

随着我们扩大对地热能的使用，必须充分了解这种地下资源及其增加使用的潜在影响。在这里，我们讨论了英国地质能源天文台的能力和最新结果，这两个地下设施能够实现清洁能源转型所需的研究和创新。

地源热泵

到2021年，英国估计安装了43,700个地源热泵（GSHP）系统（Abesser & Jans-Singh，2022）。从埋设几米深的水平闭环系统到深度约为 500 米的开环钻孔，GSHP 是将浅层低温（10-25°C）地热能资源提升到供暖和热水所需的 40-70°C 温度的一种手段。GSHP 利用储存在靠近地表的岩石和土壤中的太阳能产生的稳定地下温度、由于“城市热岛”效应而升高的城市地下温度，以及地热梯度——地球内部放射性衰变及其余热产生的深处温度升高。

在含水层特性允许更大的流动和传热的地方，浅层地热系统可用于为使用 GSHP 技术的许多家庭和建筑物共享的区域供热网络供电。盖茨黑德热网和规划中的西汉姆花园村是英格兰东北部大型项目的例子。这些项目由地方当局、私人开发商和煤炭管理局共同开发，容量约为 6 MW，每个项目最多可为 ~1,500 栋建筑物供电。

图 2：格拉斯哥天文台钻孔 GGA08 的分布式温度传感剖面。该温度传感曲线是在最初的地热基础设施调试工作期间采集的。剖面图像使用永久安装在套管外部的光纤电缆将热和
冷注入钻孔 GGA08（见图 1）。BGS©UKRI 2023 年

同样的技术可以反向使用，在温暖的月份或热量过多的建筑物（如数据中心）冷却建筑物。使用地下为建筑物降温意味着向地下增加热量。地下具有很大的热容量，因此人们对地下热能存储（或热土工电池）产生了相当大的兴趣，作为对抗可再生能源间歇性、改变季节间热量需求并确保热资源高效和可持续利用的一种手段。一个成功的例子是荷兰 Heerlen 的矿井水计划，该计划已发展成为第五代区域供热和制冷网络，使用建筑物和地下矿井水系统来供应和平衡供暖和制冷需求。

该行业的大幅增长即将到来，但我们在大规模、各种地质环境和数十年运营中应用的热地质学知识仍然存在差距

研究地下变化

但是，当许多人开始使用这种浅层地热加热、冷却和储热能力时，地下会发生什么呢？资源可以使用多长时间，是否会对环境产生影响？该行业的大幅增长即将到来，但我们在热地质学知识方面存在差距，这些知识被大规模应用于各种地质环境和数十年的运营中。在这个浅而温暖的前沿，需要地球科学家提供有关资源的大小和可持续性、热流循环反复释放和充电热土工电池的影响，以及通过地球工程基础设施降低热量有效传递的成本和风险的方法的新数据和知识。

该解决方案的一部分是大规模的研究和创新基础设施，以补充商业计划。耗资 3100 万英镑的英国地质能源天文台（www.ukgeos.ac.uk）是英国政府通过自然环境研究委员会对地下研究设施进行的一项重大资本投资。天文台包括专注于矿井水地热的格拉斯哥天文台（于 2023 年春季全面投入运营）和柴郡天文台（专注于含水层热能储存和地源热能，将于 2024 年投入使用）。英国地质勘探局（BGS） Keyworth 最先进的岩芯扫描设施也是英国地质能源天文台的一部分。

BGS 正在交付天文台，并将为科学界运营它们。在这里，学术界、工业界和监管机构可以使用灵活的钻孔、监测和地热设备阵列（在线见表 1）来收集有关地下变化的新数据和知识，同时优化地球工程和环境影响。天文台还将允许试用新的设备和技术，人们可以参观以了解低温地热的样子。

格拉斯哥天文台

格拉斯哥天文台位于城市的东端，可以研究矿井水的加热、冷却和储热。它包括 12 个钻孔、4 个带围栏的化合物和一个灵活的、密封的、开环的地热基础设施，用于从石炭纪煤层中两层被淹没的废弃煤矿井中带出热量或将热量注入其中（图 1）。安装了井下光纤、地电和水文地质传感器，以监测持续的环境变化以及对取暖或冷却矿井水的抽取/回注的反应。通过永久安装的土壤（地面）气体探头、近地表气体监测、地震仪和反射器来监测更广泛的环境，以提高 InSAR 对地震动的精度，以及一系列土壤气体、土壤化学、地表和地下水化学调查。压力、温度和其他传感器安装在地热管道和设备中，以量化性能和热损失。在线提供广泛、公开的特征和环境基线监测数据 - 用户可以在 15+ 年的使用寿命内设计自己的调查、测试新方法和技术。

图 3：地下水位的基线监测。（A）从钻孔中取样。（B）来自矿井中筛选的三个钻孔（GGA01、GGA04、GGA08）的一年多地下水位监测数据。（C）钻孔 GGA08 中地下水位的详细变化。（m aOD，军械基准面上方米）。英国皇家海军（BGS）©UKRI

矿井水供热面临的挑战

与为矿井水加热计划钻探、建造和测试泵送新井相关的资本成本可能很高。在至少两个矿井中成功进行筛选，这些矿井在适当的温度下提供长期的高流速和/或回注能力，并在采矿系统中进行适当分离，存在技术风险。

矿山废弃计划概述了矿山水库目标的范围和深度。然而，人为含水层通常变化很大，从开阔的道路和空隙，到回填和坍塌的地层，再到裂隙岩石和完整煤柱。格拉斯哥天文台的矿井水井在各种“储层”类型中进行了筛选，从而可以研究其用于抽热和储热的水文地质和热特性——这些参数目前记录不佳。更好地了解这些参数将有助于为钻探的位置目标提供信息，并有助于进行技术风险评估。

格拉斯哥天文台的初步测试抽水结果令人鼓舞。他们提出了一个具有代表性的设置，用于更广泛地研究和量化矿井水热能计划的流动和热过程。例如，短期抽水测试（例如，在 12°C 下每秒 25 升水，持续 5 小时）表明，同一矿井中的三个钻孔，但在不同储层类型中进行筛选，都具有相似的透水率（基本上是水通过一个单元的速度），约为 1,000 米2每天。此外，压力响应表明同一矿井内油藏连通性良好，而两层矿井之间的连通性有限。

图 4：柴郡天文台钻孔阵列的摘要图。蓝色箭头突出显示了如何利用钻孔进行抽水和再注入（m bgl，低于地面几米;DTS，分布式温度传感;iDAS，声学传感;ERT，电阻率断层扫描）。BGS © UKRI 2022 年

监控基础设施

出于监管目的和向客户供应的安全，了解热行为、储层连通性和突破率，以及几天到几年的时间尺度上的热消耗或补给至关重要。英国地质能源观测站的监测基础设施使我们能够跟踪、成像和量化地下的热量和流动运动，并描述水和岩石的体积。例如，井下光纤电缆允许分布式温度传感，并提供地下温度的基线时间序列。初步测量表明，在季节性波动区以下，温度以每 100 米约 1.3°C 的速度上升。虽然需要在更长的时间内进行更多的数据分析，但监测技术的实用性可以在最初的地热调试中看出，其中温度传感器显示矿井水井中的“热”和“冷”脉冲（图 2）。

在地热作业开始之前，格拉斯哥天文台已经对城市人为改变的环境进行了一系列“基线”监测。城市中心通常围绕煤田的矿山发展，导致热量需求与潜在的热资源位于同一位置。这些社区亲身经历过采矿及其影响，例如废弃后地下水位上升。潜在的环境影响是监管部门批准和公众接受新技术的一个重要因素。

例如，基线监测突出了地下水位的明显季节性变化（图 3B）。更详细的分析揭示了潮汐的影响，特别是太阳和月球每日潮汐的影响（图 3C）。重要的是要识别这些厘米级的地下水自然波动，这样我们才能区分与地热抽水相关的变化。土壤气体探测数据还揭示了与自然发生的生物过程相关的每日和季节性波动，地震动研究表明，虽然有一些区域与建筑环境的沉降有关，但总体而言，地面是稳定的。此外，对水和岩石样品的分析揭示了同位素和碳特征，可用于追踪含水层内的连通性或监测可能干扰地热作业的生物地球化学反应（例如可能导致管道和热交换器堵塞的微生物积聚）。

初步表征和监测表明，格拉斯哥天文台的地质和水文地质是英国遗留煤田的代表。因此，在这里使用灵活的基础设施进行的调查，以测量、量化和校准地下对热流变化的响应，以及测试新设备，应该可以转移到其他地点。

柴郡天文台

柴郡天文台专注于地下储能，主要是含水层热能储存。目前正在建设中，正在三叠纪 Sherwood 砂岩中钻探 21 个钻孔，深度约为 100 米（图 4）。钻孔将配备一系列先进的传感器，用于实时对地下过程进行 3D 成像、多级地下水监测和水力控制以及地下加热和冷却。这种大规模的实验性基础设施将提供无与伦比的地质环境数据集，这将允许优化浅层加热和冷却的设计和运营。在该站点以各种规模表征和监测原位过程的机会也将与其他地质能源技术高度相关，包括储氢和 CO2存储。

了解传热速率和过程如何受到地质变化和相邻加热或冷却钻孔的影响是研究的关键领域。这些因素会影响未来钻孔的设计，以及热资源的大小和可持续性。柴郡天文台将能够以 4D 方式（跨深度范围和时间）跟踪和成像热羽流和地下水响应。将使用四个地下水抽取/回注井（图 4，蓝色）通过监测阵列的密集仪表中央部分抽取热羽流。在施工过程中发现了裂缝，为研究多孔岩石介质和裂隙流在控制流动和热过程方面的影响提供了范围。

数字孪生

真实物理系统或过程的数字表示可用于模拟测试、监控和维护。这种数字孪生将一系列监测数据整合到预测模型中，越来越多地被开发用于管理地下和地球工程基础设施。柴郡天文台的地球物理、地下水和热监测技术相结合，将为高级监测提供独特的能力，为数据科学应用和用于加热和冷却的数字孪生提供信息。第一口多级监测井在钻探开始时安装，已经为钻探和热井安装对含水层水文地质的影响提供了重要见解，例如地下水位的变化（在线见图 5）。