下一代地热能正蓄势待发。储存在地壳中的热能规模巨大，超过所有已知化石燃料中的能量总和。几十年来，这一能源来源一直难以以足够大的规模进行开发，从而在全球能源市场中竞争。但催生页岩气革命的同样技术进步，为下一代地热能开发方法创造了强劲的顺风。
要实现地热能丰富的世界，需要持续的技术创新和广泛的商业化。下一代地热能公司需要友好的政策环境来促进投资。这种投资对于产生技术进步和降低成本曲线是必要的。
下面，我们盘点下一代地热能的当前状况、实现商业规模所需克服的技术挑战，以及当前的资本和监管环境为何仍显不足。
获取地壳中的热能本质上是一个技术问题。传统地热系统（有时称为水热型）历来受到钻井技术和传统生产技术的限制。技术限制迫使传统地热生产商依赖三种高度特定的自然地质条件：热量、流体和渗透性。由于钻井技术有限，传统系统必须寻找热量接近地表的罕见位置，例如靠近板块交界处。传统系统还需要具有高渗透性的天然储层，现有流体能够在注入井和生产井之间轻松流动。只有当这三个因素全部齐备时，传统井才能有效回收地热能：将流体泵入注入井，从生产井回收加热后的流体，并通过驱动涡轮机将热量转化为电能。
依赖特定的自然地质因素严重限制了传统地热能的规模。热量、流体和渗透性很少自然同时出现。结果是，美国仅 0.4% 的电力生产来自地热能。
下一代地热方法利用技术进步来绕过传统系统的限制。多家公司正在使用页岩气革命的创新成果，通过创建人工储层来获取地壳中丰富的热量。另一些公司则全力投入深层钻井的未来，试图获取超深层"基底"花岗岩中的热量。
增强型地热系统（EGS）
传统系统需要具有高渗透性的天然储层，而增强型地热系统（EGS）的设计则使用水平钻井和水力压裂来创造人工渗透性。通过打开地下裂缝，它们允许水在注入井和生产井之间循环。本质上，压裂*创造*了储层。
EGS 最近取得了一项突破，Fervo Energy 完成了为期 30 天的井测试。通过使用"根本不同且更现代化的压裂设计"，Fervo 实现了比以往更高的流量------高达 63 升/秒，"相当于峰值总电力输出功率 3.5 兆瓦"。
ResFrac 解释了这项技术性成就和 Fervo 的独特方法。
"追求密集网络剪切刺激天然裂缝导致压裂设计在油气领域会被认为不经济------单一压裂阶段、垂直井、无支撑剂。Fervo 将页岩气行业的经验应用于 EGS。"
Fervo 已经开始着手复制和扩展其成功，宣布了一个希望在 2028 年投运的 400 兆瓦电厂。能源部的 FORGE 项目也在研究可商业规模化的 EGS 技术。
正如 ResFrac 的 Marc McClure 所说，还有许多技术障碍需要克服。
"要充分发挥潜力，[Fervo] 需要测试更长的井和交替系列的生产/注入井（以便井可以双向流动）。他们需要仔细评估最佳井间距。即使他们继续取得技术成功，他们也需要证明商业模式------证明他们能够获得资金、执行项目并降低成本以实现长期盈利。"
然而，目前生产这些井的成本过高------是其他陆上可再生能源的十倍以上------尚不具备商业可行性。EGS 现在面临的挑战是将昂贵的示范项目规模化，实现可负担的广泛部署。Fervo 和其他公司需要证明最近的突破可以高效复制，并且成本可以下降。EGS 需要能够应对不同的地质条件并运行更长时间。生产需要继续变得更高效，开发需要变得更精简。EGS 还需要说服油气公司，这是一个比页岩气压裂或简单向股东派发股息更有利可图的替代方案。
闭式循环系统
闭式循环系统放弃使用地下储层，而是创建封闭的密封系统。EGS 系统通过"对流"工作------由大面积储层加热的流体在较冷流体注入系统时上升，而闭式循环系统则纯粹通过传导工作：注入的流体通过管道循环，通过与热岩石的传导被加热，然后被泵回地面发电。根据最近提交给石油工程师协会的一篇研究论文：
"这些方案具有吸引力，因为它们不依赖地层的天然渗透性或已有的热水储层，它们只需要足够高的井下温度。"
这种方法的一个优势是，在闭式循环系统中，地热厂可以使用"超临界流体"而非水作为主要传热流体。超临界流体是指温度和压力高于其临界点（此时不存在明显的液相和气相）但低于将其压缩为固体所需压力的物质。在超临界状态下，流体每单位质量可以储存更多能量。某些化合物，如二氧化碳，可以在比水更低的温度下转化为超临界流体。超临界流体在每单位能量传输方面效率显著更高，从而大幅提高发电效率，因为"排放超临界流体的井的发电量可能是传统地热钻孔的十倍"。地热公司 Eavor 正在开创闭式循环方法。
闭式循环系统的主要缺点是无法利用储层中的大面积接触面。岩石传导能量的速度不快，这就是为什么大面积接触面对传统系统和 EGS 如此重要。传导定律存在硬性限制，限制了系统能够获取的热量。但创新可能会有所帮助。Eli Dourado 撰文介绍了一种最近提出的设计："解决方案是不只使用一个水平段，而是使用多个，就像......散热器式设计。"但这些钻井成本高昂，需要大量迭代才能解决。
闭式循环系统的另一个概念称为"热根"系统：
"其思路是钻一口垂直井，然后从该井形成向下延伸到更热岩石中的水力压裂裂缝。接着，在井内安装井下换热器。自由对流在压裂裂缝中循环流体，将能量从下方地层带到生产井。"
通过在系统外部使用对流将热量带到闭式循环中，热根系统避免了仅依赖传导的限制。然而，热根系统也带来了自身的技术挑战：
"单一裂缝的流动传导性不足以维持经济可行性所需的高流量，也无法接触足够的表面积以实现长期可持续性。[一个经济上可行的项目需要]数百或数千条裂缝，[公司正在]试验使用支撑剂来提高通过这些裂缝可实现的流量......"
"......当热水从裂缝的下部上升时（或当冷水从换热器向下沉降时），它会与周围岩石达到温度平衡。这将阻止裂缝底部的高温到达裂缝顶部，反之亦然。"
闭式循环系统的成功取决于行业开发具有更高钻井效率和更低成本的材料和设计的能力。闭式循环必须应对岩石与系统之间低传导性的物理限制。要使系统更高效，需要钻更多更深的井。更深钻探的技术障碍是能够在花岗岩（深层地热系统需要获取的坚硬基底岩石）中稳定作业的钻机。虽然这是一个重大挑战，但深层钻井有潜力实现与压裂行业为沉积岩钻井所创造的成本降幅相当的成本下降。
超临界系统
下一代地热的最终前沿是开发超深超临界技术。本质上，如果你钻得足够深，岩石会变得非常热，以至于水也会变成超临界状态。这将为发电带来显著的效率提升。挑战在于，要到达 500℃ 的岩石，需要钻到约 20 公里的深度，远远超过当前钻井技术允许的范围（作为参考，Fervo 井的钻探深度约为 2 公里）。
一种深层钻井的新颖想法是使用毫米波来气化坚硬的基底花岗岩。Quaise Energy 目前正在开创这项技术。如果成功，毫米波钻井可能开启超深层地热的新时代。
Quaise 系统将毫米波长微波（MMW）沿波导向下发送，同时送入一种气体来清理孔洞，将碎屑沿管道周围的开放区域送出。
超深钻井是技术上最不确定的，但如果开发者能够成功，将带来显著的优势。除了效率和生产优势外，超临界地热系统将是终极的地理扩展；如果你能钻得足够深，地热资源在地球上任何地方都可用。此外，能够在任何地方获取地热资源将使地热公司能够利用现有或退役的基础设施，例如改造退役的燃煤电厂。这些地点已经接入电网，使地热公司无需应对输电挑战。
每种下一代地热方法都有其优势和不确定性。政策制定者现在不应选择 favorites，而应拥抱技术不确定性，允许不同公司进行实验。