在《技术物理学》以往的一篇著作中，汉奈尔博士叙述了各种热“区”的特性以及探测热区的各种方法，在本续篇中，我们着眼于当地热能一旦探测到以后如何能够开发出来满足人类的需求。
尽管关于地热开采（开发开始与勘探脱离）过程的观点定义得不精确，但是地热开采显然与钻井作业有关。为了验证或推翻似乎与观察极其相符的热区“模型”，勘探钻井是勘探作业人员的必要作业。假如作业人员既技术熟练又侥幸——我们不能完全排除侥幸——在勘探钻井中就能很快达到相当高的成功率，并且以后能以相当的信心进行生产钻井。成功勘探钻井以后可以用作或改作生产钻孔；而每一生产钻孔在加到总的已知热区时，在某种意义上说又可认为是勘探的延伸。除非该生产钻孔的直径许大于勘探钻孔的直径，否则勘探与开发之间的界限是很难分的。
采掘、聚集和传输地热流体
采用常规的旋转钻井法穿透表层地壳往下直达；冰层目前是有效的，这与采掘石油所用的方法没有什么不同。每个钻孔的上部都包以钢，而延伸到热水层的下部则通常装备一个开槽的套管以约束石块防止钻井上升。当旋转钻井的成本近乎随深度呈指数提高时，在二或三公里左右的深度处存在一个实质上的“成本壁垒”，在此深度以下进一步往下钻探是不经济的。幸好，水层通常出现在比较合适的深度上；但是巨大的热量是包含在更深的地层内的，可以想象有朝一日借助岩石 - 断裂技术能够将这些能采掘出来，关于研究某些新钻探方法的文献极丰，这些方法的成本深度关系是比较适宜的。目前正在研究几种新的钻探方法，例如喷气钻孔钻井，激光钻井，爆炸钻井以及（也是最有希望的）岩石一一熔融的“地下洞穴”。在廉价的深钻方面取得成功将为热能采收揭示全新的前景。
在地表面，每个钻孔均安装有不同复杂程度的井口装置。在生产干蒸汽的超热区，井口装置由少许阀门、仪器和一台排除砂粒（砂粒或许会漏入开槽套管）的离心分离器组成。在产生沸腾的水/汽混合流体的超热区内，两种流体相通常必须加以分开，这样可把干汽通过管道输入到电站或者其它用途的工厂，而热水可以排出余热，重新注入地内或者置于商用——或者通过闪蒸产生低压蒸汽作补充发电，或者提取其热量作其它应用。一台优良的旋风分离器可以从沸腾的混合流体中把99.9%或更多的热水排除掉。配备一些用于膨胀和测试的安全设备和一个消除排放多余流体时噪音的消音器，多少可使超热区使用的井口装置更为配套。在产生低于100°C热水的半热区，井口装置只是由阀门、温度计或许还有滤除和抽吸设备组成。
蒸汽通过软钢管由井口输送到应用工厂，钢管配有适当的支承物和伸缩装置。随着钻孔区和应用厂之间聚集的蒸汽越来越多，不同钻孔的支管都接入容量越来越大的主管道。管道均充分绝热以限制（但不能消除）传输时的冷凝：对于一定的冷凝量采用一定的导流点；则可通过不断减少冷凝水而使蒸汽大大净化，同时可以消除已由水滴（水滴在分离器内未被吸收）带入蒸汽的溶解盐的遗迹。高温水很少用管道作远距离输送，但在防止因压力、降温（混合）或同时因二者引起沸腾的地方则必须作远距离输送，以预防危险的水击（water-hammer）。用于分区加热或其它目的的100°0以下的热水可通过隔热钢管抽吸或在重力作用下输送。最近对于借助下孔（downhole）泵对钻孔水增压以便廉价输送的兴趣越来越大，对于两相输送——在同一管道内输送汽和水的兴趣也越来越大。与输电不同，输电可超过几百公里，热量以热气形式只能经济地输送二，三公里，以热水形式只能经济地输送几十公里。
地热发电
目前，全世界运行中的地热发电厂总容量约为两千兆瓦。最近几年该容量的增长率急剧提高，而且远远超出了世界电力需求量的增长率。1977年预测到1985年时地热电的总容量接近一万二千兆瓦。
为了由地热发电，业已提出了各种非常规的一次原动机（在某些情况下还经过了试验）——史帕兰克尔螺旋膨胀机、鲁勃逊引擎、无叶片透平（依靠蒸汽射流和透平旋转表面之间的摩擦阻力）、KROV机器、Armstead-Hero透平和重力环系统一一其中有一些已经证实了自己的价值。对于“总流透平”的设想花去了许多精力（特别在加利福尼亚州），在这种透平中来自湿区的汽和热水在同一喷嘴内膨胀并冲击一台脉动式透平的叶片。根本的目的——最大限度地利用所有地热流体的含能量——是值得称赞的，但是由于热力学上一项不可避免的错误理论（如果等熵地膨胀承受相同压差的热水和蒸汽获得的速度将大不相同）阻碍了这一点的实现，结果是水将成为蒸汽的障碍，同时没有透平叶片能以适合于两种流体的速度运转。
发电和成本
电的通用性、它的易传输以及它的立即适合市售性使得发电成为地热能一项有吸引力的应用。尽管如此，发电需要等级相当高的热量（不是所有地热区都适用的），同时考虑到热力学上不可避免的限制，地热发电生来就是一项效率非常低的技术。在最好的情况下，干热区钻孔蒸汽的含热量只有15 ~ 18%能够被转换成电力，在湿热区6 ~ 7%的效率是比较普遍的。（对于分区加热、工业用热以及其它的直接用热，高效率的唯一限制是商业的——不是热力学的。）
由于一个地热发电站的运行成本多少是固定的，而且与电力输出无关，因此在一个组合式电力系统中地热电力特别适合给“基本载荷”供电。但是，在少数情况下，可能造成在电站利用系数极低的情况下运用。
地热电力无论在哪里生产，实际上总是证明比相竞争的能源便宜，从获得效率极低（与烧燃料的发电厂30 ～ 40%的效率相比）的观点来说，这一点似乎很令人惊奇，但是尽管每一装机千瓦的成本较高并且效率低，一个地热发电厂凭借极其便宜的地热就能生产便宜的电。这样泛泛地谈论尽管是实际的，但是以下这一点也许稍微有些不公平，即估算的生产成本如果不低，那么计划就不会得到发展。虽然如此，在六十年代以燃油厂发电成本的50 ～ 60%通常便可产生地热电，这样说大概是实际的。由于近几年来燃料价格的提高比劳动力和材料成本要快，因此地热发电已变得更加有竞争力了。
当然，根据地点的远近，水层的深度，钻探地区的岩石组成，钻孔输出特性，开采热流体的化学侵蚀性，本地电力市场规模以及交流电源成本等不同，各预期地热方案的生产成本变化是很大的。要对成本进行统一化是困难的，而且无疑还会出现有些地方地热电力不能相竞争的场合。虽然如此，经济上的趋势对地热电力是有利的。在组合式发电系统中，每一千瓦的地热基本载荷一年约能节省两吨石油燃料。这样，假设石油成本是每吨一百卄美元，地热基本载荷可节省每千瓦年二百四十美元左右，如果以每年的百分之十作为资金，那么就相当于每千瓦投资二千四百美元——远远大于任何常规热电厂的投资。虽然过于简单化，这些数字却是意味深长的。
分区加热，热水和空调
在雷克雅维克，目前几乎每幢建筑都由地热供暖和供应热自来水。在冰岛别的地方正在发展类似的公用供暖系统，而且岛上大概超过半数的居民目前用这种方式取暖。比例还在继续上升。在地震带穿过的其它一些国家——苏联、美国西部、意大利、新西兰、日本——地热的这种应用正在迅速地发展。令人吃惊的是，在这方面第二个最发达的国家匈牙利是一个无超热区的国家。1975 ～ 1976年，冰岛和匈牙利的热需量分别是557兆瓦和57.5兆瓦（热），年载荷因子为52 ～ 53%。冰岛计划到1980年时使其热容量翻一番：匈牙利正在计划到1985年时增加十倍，并且已经增加了五倍以上。巴黎盆地（一个非热地区）在地热公用供暖方面的最新进展令人注目。已有数以千计的住房和机关在使用地热，并且计划着手对法国不同地区的几达五十万幢住房供热。
在可以使用极热水的地方，通常装置双管系统，在该系统中，留在散热器中的已冷却水（但绝非冷水）在给出其许多热量后，在与进一步供应的极热钻孔水混合又回流供再循环。这样节省热量。在使用不很热的水的地方，不能认为外加管道工程的成本是合算的，因此散热器输以“一次通过”热水，然后就被排入下水道。当然，生活角的热自来水是借助一次通过系统，在用过以后水往往遭到了污染。
不管讨论成本时早先所作什么说明，明显的趋向则是给一个分配点供热的地热热量成本可能低至由燃料供热成本的10 ～ 15%。在雷克雅维克，即使考虑了城市网状系统供应和维持的成本后，1975年地热的成本也只是由单个生活用锅炉供热成本的25 ~ 30%，并且比例还在继续下降。
地热的工业应用
即使是微温的水也可使用于如下目的：鱼类孵养、道路除冰、浴疗、生物降解和发酵、在永久冻土地区协助采掘作业、肥料加热等。许多工业需要大量不同等级的热量。热量密度的标准可取为每美元价值的最终产品所消耗的热量单位数。适合于地热开发的工业包括许多化学加工、矿物（如硅藻土）的生产和提炼、泥炭烘干、贝叶斯（Bays）加工法由铝土矿生产铝、从热水中提炼有价值的矿物、淡化、生产糖、食品加工、人造纤维生产、其它纺织工业、造纸、木材干燥、菜油生产、制造混凝土预制板、酿酒、合成橡胶生产、致冷和气体液化、染业、塑料工业和生产用于不可胜数的其它用途的蒸汽。在几个国家里许多工业已经使用地热。或许给人印象最深的是新西兰卡维劳的泰斯曼纸浆和纸张公司工厂，该工厂每小时用两百吨蒸汽来产生热量和进行小规模发电。另一个例子是冰岛那马牙尔的硅藻土工厂，该工厂每小时使用五十吨蒸汽，每年生产二万四千吨硅藻土滤除装置。还有许多工业部门所需热量密度远远高于这些部门，它们无疑可从廉价的地热得益。
已证明在偏僻地点的丰富地热能源可能是价值不大的。但是，如果热量足够的丰富、便宜并且等级适宜，也许在廉价热源附近建立一种工业，把原材料（或许还有劳动力）运送到该地点——甚至越过国界——然后将最终产品运载到任何可能成为这些产品市场的地方，是相当划算的。如果说“廉价电力”代替以“廉价热量”的话，炼铝工业已经在这样做了。移民于世界上一些荒无人烟但地热方便的地区，并且建立经济自足生活舒适的居民区，看来这是可能的。
地热能的农业用途
农业上的使用，包括温室栽培，牲畜饲养，鱼类孵养与家禽饲养等。热量要求大部分是低级或中级的，存在的问题与分区加热和工业中的问题许多有着共同之处。某些需要是季节性的（例如温室加热）另一些则不是的（例如巴氏灭菌法）。迄今地热在农业中最成功的应用是在温室的供暖方面。冰岛是一个气候非常严酷的国家，只有少许土豆能够自然耕种，它至少有0.15平方公里的地热供暖温室，在这些温室中成功地进行着水果、蔬菜、花类，甚至热带作物的生产，这样导致了国家的收支平衡。匈牙利的冬天是艰苦的，它大约有两平方公里这样的温室。苏联已使地热农业发展得远远超出了任何其它国家的程度，而其它从事这项工作的国家有日本、新西兰、意大利、美国，甚至还有印度的喜马拉雅地区。肥料加热和灭菌、作物烘干、热助溶液培养、孵卵、有机废物的生物降解、巴氏灭菌法、木材洗净和干燥、煮猪饲料、农场建筑供暖，甚至还有鳄鱼饲养都是地热在农业方面成功应用的例子。作为分区加热温室只依靠地热是不经济的：为了满足“峰值”条件用某些补充燃料或电供热是可取的。温室的热耗量因气候与生产的作物而异。在冰岛最大需求量为每平方米三百五十至四百瓦是很普通的，年载荷因子则为30 ～ 35%。在英国的条件下，平均需求量可能是同样量的一半左右。
多用途装置
从理论上讲，地热理想的利用途径可能是建立双用途或多用途装置，在这种装置里总利用热降对于不同的目的可能被分为两个或多个区段，或者对于不同季节要求的各个工业部门之间可以相互补充，或者蒸汽可用于一种目的而热水用于另一种目的。从理论上来说，这样一些结合的方法可使适用的热量以最有效的方式得到最大的实用。至今这类装置的例子还很少。上面提到的卡维劳纸张公司利用废透平蒸汽来加工纸浆和纸张，在日本的Atagawa，热水首先用于温室，然后在低温上供鳄鱼饲养所用。曾经酝酿和计划过利用多用途装置。最初沃拉克依的发展计划曾用于电力和重水的联合生产，但是重水市场的减少使计划变成了一个“只发电”的计划。在苏联有利用透平废汽加热温室的计划。许多计划曾对发电、空间供暖、矿物回收、淡化、农业、致冷和浴疗等不同方式的联合犹豫不决。对于所有这些复杂的装置可能存在着需求量平衡的问题，这种平衡有时可通过贮热或产品贮存——或更为浪费，简单地由流体分流来解决。迄今只是在一个地方可能实现（几乎是偶然的）的另一种双用途，就是利用废弃的热区水借助可利用的高差进行水力发电。在新西兰的沃拉克依，多余的热水被排入维克多河，然后不断地流过其路径上的一系列水力发电站直至流入大海。用这样的方式正在作为副产品而获得约2.5兆瓦的基本载荷（约等于每年五千吨的石油燃料）。在其它位于高出海面处的地热装置应当能够得到类似的发展。
最新的估计给出了下列地热热量的世界需求量数字（发电除外）：
根据俄勒冈州技术协会地热利用中心J. W. Lund的“世界范围直接应用述评”作表。
虽然总数字7,110兆瓦（热）大大超过了目前的总地热发电需求量约2,000兆瓦（电），必须记住，由于后者效率低，发电所对应的热需求量可能相当15,000兆瓦（热）之谱。
各式各样的问题
腐蚀：在地热开发的最初日子里，由于各种气体以及它们的可溶性，曾经经验了许多由腐蚀液体所带来的麻烦，但是冶金学方面的进步以及精心的工程大大克服了这些困难。
污染：在环境方面，地热开发并非完全无可非议的；虽然与燃料燃烧相比，它总的来说几乎是无害的。为了减少污染不得不由燃料向地热作某些替换。有几种潜在的地热污染的来源：水载毒质（例如硼、砷、氨、汞），如果多余的热水被排入水道，它们可能砷、氨、汞），如果多余的热水被排入水道，它们可能污染用于农业、孵渔业或人类用水的下游水；空气载毒质（例如硫化氢、汞和砷的化合物），它们可能与排出的蒸汽同时发生；含二氧化硅的喷雾可能危害本地的植物；二氧化碳目前相对来说是无害的，与燃烧相比是可以忽略不计的，但是如果地热一直在很大规模地发展，煤气就变得有些麻烦了；噪声大部分可由消声器所消除；由排入江河的极热水引起的热污染，必然危害鱼类，并且助长多余杂草的生长；由于抽掉了大量地下水引起地陷；逸散蒸汽可能引起局部的气雾；破坏局部生态平衡；以及各式各样的小麻烦。通过把多余流体重新注入一些地点的地内，这些潜在污染因素中有几种便可以消除，而在那些地点是不太可能意识到对生产钻孔有所干扰的。
其它大部分麻烦以适当的代价便可以消除或减小到最低程度，结果，像在加利福尼亚州那样，地热装置是可以建造得几乎没有污染的。某些地区（例如加利福尼亚州）已建立了防污染的法律，这种法律虽然在原则上是受到欢迎的，但由于引进必要的计数测量需要时间，从而延误了洁净地热发电厂的建造，因此有时阻碍了生产，地热发电厂的延误由于通货膨胀以及由于地热厂投产而节省燃料的推迟不仅丧失了金钱，而且同时大大地增大了高污染热电厂的输出。防污染法律最好是逐渐地而不是突然地实行。
远景展望
希望本短文可以用来表明地热是一种必须紧迫地勘查的能源。本文是计划“三部曲”的第二篇，第一篇悬汉奈尔关于勘查地热资源的地球物理方法的文章。在不久将出版的第三篇文章中，我将进一步调查研究未来，以分析世界和英国关于地热能的前景。
[Physics in technology 10卷No 6 1979年11月]