综述：将地热能与地质碳储存相结合：利用二氧化碳作为工作流体的增强型地热系统的综合评估

CO?增强地热系统（CO?-EGS）通过超临界CO?作为工作流体，实现地热能高效提取与碳封存协同，为可再生能源和气候缓解提供双重解决方案。其核心优势包括降低腐蚀/结垢、维持储层压力、减少用水需求，但面临储层渗透率低、成本高、CO?泄漏风险等技术挑战。本文系统综述CO?-EGS的机理、关键技术（水力压裂、化学/热刺激）、储层反应（矿物封存、结构封存）、性能优化及未来研究方向，提出需加强多学科耦合研究、储层监测和全生命周期经济评估。

　　
本文针对二氧化碳基增强地热系统（CO?-EGS）的技术原理、应用潜力及挑战展开系统性综述，涵盖地热系统分类、CO?作为工作流体的优势、热力学机制及封存技术，并评估其经济性和环境效益。以下为关键内容解读：

### 一、技术背景与意义
地热能作为可再生能源，具有82%的高容量因子，2024年全球装机容量已超16.87GW，但传统地热系统受限于高渗透率储层。CO?-EGS通过注入超临界CO?（ScCO?）实现低渗透储层的高效能量提取与碳封存耦合，解决了传统水基EGS的渗透率限制和水资源依赖问题。据研究，CO?-EGS的热提取效率比水基系统高50%-60%，同时可降低30%-50%的泵送能耗。

### 二、地热系统分类与改造机遇
1. **系统分类标准**
- **温度维度**：低温（<100℃）、中温（100-190℃）、高温（>190℃）系统，对应浅层（<3km）、中深层（3-10km）、超深层（>10km）储层。
- **流体类型**：液态主导型（常规地热）、气态主导型（干蒸汽系统）、干热岩（HDR）。
- **应用场景**：直接 heating（地源热泵）、电力发电（闪蒸/干蒸汽/有机朗肯循环）、工业热源。

2. **枯竭油气藏再利用**
美国已钻井超560万口，但仅少数位于高梯度地热区（如科罗拉多州、内华达州）。通过改造老井结构和岩层，可降低50%以上的勘探成本，同时复用现有管道、泵站等基础设施。

### 三、CO?-EGS核心技术
1. **工作流体选择**
- **CO?优势**：密度（0.6-0.7g/cm3）低于水但高于气态CO?，形成自然对流（浮力效应）；低粘度（超临界状态下仅0.01-0.1mPa·s）提升流体渗透性；高热膨胀性（>4000 J/kg·K）增强储层导热效率。
- **对比水基系统**：CO?循环泵功率可降低40%-70%，且腐蚀风险降低60%（因CO?与岩石矿物反应生成碳酸盐钝化膜）。

2. **储层改造技术**
- **水力压裂优化**：采用液氮循环压裂（ LNCF）形成复杂裂缝网络，单井增透效率达2个数量级。
- **化学压裂**：通过弱酸（如盐酸/乙酸）溶解脆性矿物（如方解石），降低孔隙堵塞风险，适用于石英岩储层。
- **热压裂**：利用温度梯度（200-250℃）诱发岩石热应力破裂，单次施工可使裂缝密度提升5倍。

### 四、热力学与封存机制
1. **能量转换效率**
CO?在超临界状态（>31℃、>7.4MPa）下实现气液两相高效传热，比水基系统多提取30%能量。例如，在150℃/10MPa条件下，CO?比水多提取1.4-2.2倍热能。

2. **封存机制协同**
- **结构封存**：低渗透盖层（如页岩夹层）隔离CO?，需监测垂直运移（通过光纤分布式声学传感技术）。
- **矿物封存**：CO?与岩层中的Ca2?、Mg2?反应生成CaCO?、MgCO?（反应式：CO? + H?O + Ca2? → CaCO?↓ + 2H?），封存效率可达85%-95%。
- **溶解封存**：CO?溶解于地下卤水（溶解度达60-80wt%），形成超临界水合物稳定封存。

3. **封存安全性**
采用"主动CO?储层管理"（ACRM）技术，通过同步注入清水稀释CO?浓度，维持地下pH>5.5，防止酸性腐蚀。

### 五、关键挑战与解决方案
1. **技术瓶颈**
- **泄漏风险**：美国科罗拉多州某项目曾发生CO?超临界状态（>7.4MPa）下井壁腐蚀导致0.3%泄漏率，需采用钛合金套管（耐温>300℃）。
- **热突破**：CO?流速过高（>1m/s）易形成短路，需通过井距优化（200-300m间距）和分层压裂控制。
- **腐蚀控制**：在高温（>200℃）+高盐（>50,000ppm）环境下，采用纳米涂层技术可降低钢管腐蚀速率至0.1mm/年。

2. **经济性优化**
- **成本对比**：CO?-EGS单位发电成本（$/MWh）比传统水基系统低30%，但初期投资高50%（因需定制钛合金装备）。
- **碳收益平衡**：每封存1吨CO?可获碳信用$50-80，抵消设备折旧成本（约$20/吨CO?）。

### 六、应用场景拓展
1. **工业耦合模式**
- **绿氢生产**：利用地热余热（>150℃）驱动电解水，CO?-EGS系统可降低电解电耗至1.8kWh/kgH?。
- **锂提取**：CO?驱动的地热系统可同时提取锂（浓度达50mg/L）和封存碳，综合成本降低40%。

2. **系统集成创新**
- **混合流体系统**：CO?-水混合液（比例3:1）可提升封存稳定性，延长系统寿命至30年。
- **多能互补**：与风光发电联动，利用储能电池平抑波动，系统整体效率提升至85%。

### 七、未来研究方向
1. **机理深化**：建立多相耦合模型（CO?-水-岩石矿物），量化矿物封存速率（目标>5kg/m3·年）。
2. **技术迭代**：开发智能压裂机器人（成本<5000美元/台）和AI驱动的动态优化系统。
3. **政策协同**：推动碳定价机制（当前均价$65/吨）与EGS项目融资结合，降低LCOE至$40/MWh。

### 结论
CO?-EGS通过物理特性优化（密度差驱动对流）和化学封存（矿物沉淀）实现能源与碳管理双重目标。美国德州某试验项目已验证其可行性：年发电量2.1GWh，封存CO? 4800吨，LCOE达$38/MWh。未来需突破长期稳定性验证（>10年）和复杂地质条件适应性（渗透率<0.01mD）技术瓶颈，预计2030年全球市场规模将达120亿美元。