Colorado School of Mines(科罗拉多矿业大学)

所在州:科罗拉多州所在城市:GoldenU.S.News排名:91

可再生能源（如风能和太阳能等）的迅猛发展和近年来北美地区的页岩气革命浪潮，使它们有望成为未来全球能源供应的主要角色。美国斯坦福大学地质学教授马克-祖拜克等3位权威地质学家认为，研究人员必须克服来自地质学和环境方面的一些基本挑战，只有在人造地热能、页岩气和地球关键元素三个领域的研究取得重要进展，才能使新能源的潜能得到充分发挥。

在2012年12月召开的美国地质学会（AGU)秋季大会上，马克-祖拜克、康奈尔大学地热能专家杰夫-特斯特和能源关键元素领域带头人科罗拉多矿业大学教授、能源关键元素领域带头人穆雷-海特兹曼联合提出了上述建议。其中，身为页岩气开发和水力压裂技术领域的权威人士，隶属美国能源部的页岩气开发委员会成员的祖拜克指出：“从大学的角度来看，我们认为上述3个领域是与提高能源和资源回收率相关的基础研究。对科学家来说，这是解决阻碍新兴能源来源发展过程中所遇问题的关键性需求。”

人造地热能

祖拜克说：“从现有的碳基能源系统过渡到无碳能源系统，我们需要做出的选择之一就是充分开发利用地热能（包括传统的水热型地热能和人造地热能）。”

传统的地热发电主要是利用来自于地表附近的间歇喷泉和温泉的热能进行发电，而目前人造地热能技术（又称增强型地热系统，简称EGS）已作为一种主要的清洁能源形式在世界很多地方得到采用。该项技术是以高压方式将水倾注到深井（注水井），使其足以裂解地表下4公里到6公里深处的高温花岗岩和其他岩石。这种裂解方式提高了岩石的渗透率，并建立人工储热层，冷水经过热储层渗进岩石的缝隙吸收热量，然后再通过另一口深井（生产井）将水蒸气输送到地表，用水蒸气驱动涡轮机进行发电，这种发电方式不会排放温室气体。而水蒸气最终经过冷却后，可以被再次注入地下，并再次循环到地表。

2006年，特斯特教授与他人合作完成了一份研究报告，该报告估计在美国大陆上可利用人造地热资源的地域大约为2%，如果能得到全部开发利用，其发电量大约相当于全美年消耗能量的2600多倍。但是利用人造地热能必须克服很多障碍，其中就包括采用水裂压力技术所引发的小型地震。2005年，瑞典巴塞尔地区曾引发了一次震级为3.4级的小型地震，由于当地居民受到惊吓，有关部门被迫停止了一项人造地热能计划。这一事件阻碍了世界各地人造地热能计划实施。

2011年，毕业于斯坦福大学的马克-穆克鲁尔曾设计了一种计算机模型，旨在解决应用水力压裂技术所诱发的小规模地震活动。通常的做法是一次性将水注入深井内使其在地下产生压力，穆克鲁尔提出的方案为：随着时间的推移逐步减少注水速率，以减缓岩石的裂解过程，进而减少可能发生的地震活动。该成果获得了2011年美国《地球物理学报》最佳论文奖，但有待于得到实际应用的进一步验证。

页岩气

祖拜克认为，在页岩气开发方面也面临一些挑战。他说：“过去几年北美地区的页岩气革命已经呈现出超乎预料的发展规模和重要性。由于世界各国都开始致力于这种资源的开发，对基础研究来说亟待解决的问题是——页岩气的开发如何促进水力压裂技术的改进以及探索页岩气开发对环境影响最小化的新方法。

目前，北美地区已经钻探出大约3万个页岩气井，但一些基本的挑战阻止了将其潜能发挥到最大化。祖拜克说：“目前的情况是，在开采过程中只有25%的页岩气被采收，另有75%的页岩气则无法采收。我们需要在生产页岩气方面将工作做得更好，同时保护好环境。”今年早些时候，祖拜克和穆克鲁尔提出了在储气层渗透率极低的条件下开采页岩气的新证据。如果该方法确实能够有效地增加产量，它对克服现有水力压裂技术的缺陷至关重要。

祖拜克认为，甚至还需要在石油采掘技术方面取得更大的进步。“我们需要做更多的基础性研究工作，以便能从地表下获得更多的碳氢化合物。我们只有在这方面做得更好，才能真正减少需要钻探油井的油井数量，减少对环境的影响。这将惠及所有的公司和整个国家。”

能源关键元素

地质学在开发可再生能源资源方面发挥着极其重要的作用，而作为地质学的一个重要分支，经济地质学（即矿床学）的目的就是经济合理地进行找矿、勘探和开发利用矿产资源，以满足人类社会对矿产资源不断发展的需要。祖拜克说：“目前人们已经普遍认识到，利用可再生能源来满足国内和全球能源需求需要大量的关键材料。”

所谓“能源关键元素”是指锗、锂和钕等大约30种元素，它们是制造薄膜太阳能板、高效率风力涡轮发电机和高容量电池等清洁能源硬件的核心材料，因此这些元素的多少将决定清洁能源的未来。祖拜克指出，开发可再生能源“需要大量的铂和锂等化学元素，缺少这些‘能源关键元素’将会严重制约人们采用能够改变未来能源供应局面的新技术”。

能源关键元素在不同国家的储量差异很大。2009年祖拜克和海特兹曼完成的一项合作研究发现，中国的锗产量占全世界产量的71%。锗是光伏电池使用的一种元素，它是产锌过程中的典型副产品，而中国是世界上最重要的产锌国。

祖拜克指出：“这些元素被如何应用以及其储藏分布都是十分重要的问题，因为整个工业界都需要获得这些元素。”他进一步强调：“如果我们要持续地开发各种可再生能源技术，迫切需要我们从地质学、冶金和采矿工程学的角度，更好地搞清楚这些关键元素的储藏状况。”不幸的是，对于经济地质学在保障能源关键元素供应方面的重要性，美国联邦和州政府机构，全球采掘业界、民众、美国学术机构都没有形成共识。

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