综述：增强型地热系统、碳封存与关键矿产回收之间的协同作用：多效益地下资源平台的综合评估

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Nexus of enhanced geothermal systems, carbon sequestration, and critical minerals recovery: A comprehensive review of multi-benefit subsurface resource platforms

　　尼廷·蒂瓦里|努尔·萨扎德·侯赛因·奇|比贾伊·尼泊尔
GeoCARE实验室，土木、环境与基础设施工程学院，南伊利诺伊大学，卡本代尔，伊利诺伊州62901，美国

**摘要**
增强型地热系统（EGS）为从低渗透性地下岩层中提取热能提供了革命性的解决方案，然而其与地质二氧化碳封存和关键矿物回收的结合仍大多未被探索。这篇全面的综述综合了1008篇同行评审的出版物（1968-2026年），发现尽管存在显著的技术协同效应，仅有1.0%的研究探讨了这两种过程的协同整合。我们系统地研究了以下几点：（1）EGS/HDR技术的演变，发现经济可行性是主要障碍，尽管潜在资源非常丰富（美国联邦土地超过7700吉瓦，但当前利用率仅为0.12%）；（2）地质二氧化碳封存机制，强调了酸化引起的地球化学和地质力学效应；（3）地热卤水中的关键矿物地球化学，揭示了从供应短缺到丰富的途径；（4）超临界二氧化碳（scCO2）作为一种多功能工作流体，能够同时实现多种效益。定量分析表明，在渗透率低（<10毫达斯卡）的储层中，基于scCO2的EGS系统比基于水的系统热能产出高出25-40%，这是因为scCO2的粘度更低（0.04 mPa·s vs 0.14 mPa·s）和热虹吸循环作用；尽管长期热提取效率相当（20-30年内分别为30-50% vs 35-55%），但scCO2还能实现永久性二氧化碳储存，并通过可控酸化（pH 4-6）增强矿物溶解。玄武岩岩层被证明是最理想的宿主岩，2年内二氧化碳矿化率超过95%，地热梯度较高（>100 °C/km），且具有显著的稀土元素（REE）富集潜力。技术经济评估显示，综合系统通过收入多样化将项目净现值提高122-288%，包括电力收入（每年1500万至2000万美元）、碳信用额（每年500万至1500万美元）以及关键矿物收入（卤水中锂浓度为50-300毫克/升时为每年1000万至3500万美元；在玄武岩岩层中锂浓度为2毫克/升时约为每年270万至540万美元），以代表性的25兆瓦设施为例。关键的研究空白包括THMC耦合建模、商业规模的现场示范、抗二氧化碳材料、集成监测框架以及简化多用途许可程序。这种整合从根本上挑战了“关键矿物”的分类，同时解决了可再生能源转型、气候缓解和供应链安全问题，需在2035-2040年前投入5亿至10亿美元进行研究以实现商业化应用。

**引言**
全球能源格局正处于一个关键的转折点，三个看似独立的挑战汇聚成了一个相互关联的危机，需要综合性的解决方案。第一个挑战是将与化石燃料相关的能源系统转向能够提供可靠基础负荷电力的可再生能源。第二个挑战是通过大幅减少大气中的二氧化碳（CO2）浓度来减缓气候变化，这不仅需要减排，还需要大规模的碳移除和地质封存。第三个挑战是确保清洁转型的关键矿物供应，特别是稀土元素（REE）和锂，这些矿物因传统提取方法而面临供应链脆弱性和环境问题。虽然这些挑战传统上由不同的研究社区、政策框架和工业部门分别应对，但新的证据表明，它们共享某些共同的地下解决方案，可能同时解决这三个问题。

热干岩（HDR）和增强型地热系统（EGS）是地球上最丰富但未得到充分利用的可再生能源之一，其理论潜力超过10^21焦耳，储存在经济可开采深度的低渗透性结晶岩层中[1]、[2]。与传统仅限于构造活跃区域的 hydrothermal 系统不同，EGS 技术可以在广阔的大陆区域开发，通过在热而不透水的岩层中人工创造渗透性来实现；第2节详细讨论了全球的部署状况和资源估算。

实现这一潜力的旅程始于美国新墨西哥州芬顿山的洛斯阿拉莫斯国家实验室的开创性实验，研究人员在1977年首次证明了在结晶基底岩中创建人工地热储层的技术可行性[3]、[4]。这些早期工作奠定了 HDR 技术的基础原则，但也揭示了阻碍广泛应用的技术挑战，如高昂的钻探成本、复杂的地下条件以及难以在天然渗透性仅为10^-18至10^-20 m2的岩层中产生足够的连通渗透性[5]、[6]、[7]。尽管钻井技术、储层刺激方法和地下特征分析技术取得了显著进展，但由于钻探成本高昂，加上不确定的地下条件以及生成足够连通渗透性的难度，HDR 和 EGS 整体上未能实现商业化。

与此同时，全球气候危机日益严重，2023年人为二氧化碳排放量达到了36.8吉吨，并且尽管有减排承诺，但仍在加速[11]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）明确指出，要将全球变暖限制在比工业化前水平高1.5至2 °C以内，不仅需要快速脱碳能源系统，还需要大规模部署二氧化碳移除技术和能够每年储存数十亿吨二氧化碳的地质封存基础设施[12]。全球 CCS 研究所记录了全球196个商业碳捕获、利用和储存（CCUS）设施，总设计容量为每年2.439亿吨二氧化碳；然而，截至2022年底，只有30个设施在运行，11个正在建设中，这远未能满足气候目标所需的封存能力[13]。这种所需与实际封存能力之间的巨大差距反映了技术挑战和经济障碍，因为在大多数情况下，二氧化碳封存只是一个纯粹的成本支出，除非获得碳信用额。

一些大规模的二氧化碳储存项目已经展示了技术可行性和长期储存安全性。自1996年以来，北海的 Sleipner 项目每年成功将约100万吨二氧化碳注入深部咸水层，广泛的监测证实了二氧化碳的安全封闭和可预测的迁移路径[14]、[15]。最近，冰岛的 CarbFix 项目开创了一种全新的方法，将二氧化碳注入玄武岩岩层，快速矿化过程在不到两年的时间内将气体二氧化碳转化为稳定的碳酸盐矿物，其封存速度比在沉积岩层中快几个数量级[16]、[17]。尽管取得了这些技术成功，但更广泛的地质碳封存实施需要大规模的基础设施建设、改进的经济激励措施（超出当前的碳定价机制），以及寻找能够提供额外价值的储存地点，以证明所需的巨额资本投资是合理的。

这种融合的第三个维度涉及关键矿物供应的安全性，特别是对于可再生能源技术、电动汽车、风力涡轮机的永磁体以及现代经济几乎所有领域所需的稀土元素（REE）和锂。目前的全球REE供应链存在严重的地理和加工集中问题，尽管中国仅拥有37%的已知储量，却控制了约85%的全球加工能力[18]。这种集中导致了供应脆弱性，促使美国、欧盟和其他地区将REE、锂、钴、镓等元素指定为关键矿物，要求进行战略性的供应多样化[19]、[20]。传统上，从硬岩矿床（如 bastn?site 和 monazite 矿石）提取REE 充分耗费能源，露天采矿和化学加工对环境造成破坏，并产生大量放射性废物（由于天然共存的钍和铀）[21]、[22]。同样，从常规来源提取锂也面临重大挑战，硬岩锂云母矿的开采需要耗能的焙烧和酸浸工艺，而从大陆卤水中浓缩锂则需要大量水资源，且在缺水地区处理时间长达12至18个月[23]、[24]。

在这种三个紧迫但各自独立解决的挑战背景下，一种变革性机遇正在浮现：人们意识到深层地下岩层具有同时解决这三个问题的潜力，通过精心设计的集成系统。这一机遇基于对地热系统自然特性以及二氧化碳与热岩层相互作用时发生的物理化学过程的关键认识。在探讨这些协同效应之前，有必要定义什么是“完全集成”的系统，并区分文献和本综述中出现的三个集成层次。共位系统共享地表基础设施（道路、电网连接、供水、行政设施），但分别进行地热热提取、二氧化碳注入和矿物加工的地下循环；资本节省仅来自地表共享。共井系统使用同一井筒实现多种目的，例如通过环空注入二氧化碳并通过 tubing 产生地热卤水，或使用单一的刺激储层同时进行热提取和二氧化碳储存；地下资本和运营成本得以共享。共处理系统循环单一流体流，同时提取热量、携带二氧化碳进行封存并将溶解的矿物输送到地面进行回收；这是最紧密耦合的配置，也是本综述中使用“完全集成”一词所指的情况。在文献计量分析（第1.3节和附录A）中，第二级分类的最低要求是所有三个目标在同一研究中都作为共处理或共井的结果出现，而不仅仅是共位活动。在整个综述中，描述现场项目和系统原型时始终一致应用这种分类法。深层地热卤水中通常含有较高浓度的锂（每升10至500毫克）和REE（每升0.1至10毫克），某些系统由于高温下的长时间水岩相互作用，这些元素的浓度更高[25]、[26]、[27]。虽然这些浓度与传统矿床相比较低，但在每天循环数千立方米卤水的地热系统中，从经济角度来看具有意义。

同时，许多适合地热开发的地质岩层，特别是具有充足热量流动和沉积序列下方断裂基底岩的深沉积盆地，具备有利于二氧化碳封存的特性。这些岩层具有适当的孔隙率和渗透性（或通过用于地热开发的相同刺激技术提高渗透性的潜力）、足够的储层容量来容纳大量注入的二氧化碳，以及存在能够防止二氧化碳向上迁移的低渗透性盖层[28]、[29]。地热操作所需的水力基础设施（包括注入井和生产井、地表管道和储层监测系统）与二氧化碳封存所需的基础设施有很大重叠，表明存在潜在的资本成本分担和运营协同效应。

或许最引人注目的是，超临界二氧化碳（scCO2）在某些地质条件下作为热提取流体的热物理性质使其可能优于水；注入的二氧化碳通过多种方式实现永久封存，包括在盖层下的结构捕获、孔隙空间中的残留捕获、溶解在岩层卤水中的溶解度捕获，以及最终溶解的二氧化碳与造岩矿物反应形成稳定碳酸盐相时的矿物捕获[30]、[31]。在 EGS 中使用 scCO2 作为工作流体不仅仅是简单的流体替换；它从根本上改变了系统的热力学和地球化学行为，对能源提取和碳储存具有深远影响。

理解这些集成系统的核心是二氧化碳诱导的酸化作用在驱动耦合地球化学过程中的作用，这种过程根据岩层矿物学、温度、压力和流体成分的不同，可能增强或阻碍系统性能。当二氧化碳溶解在岩层水中时，会通过公认的反应路径形成碳酸（H2CO3），使 pH 值从中性（通常为7至9）降至酸性条件（pH 4至6），具体取决于二氧化碳分压和岩石的缓冲能力[32]、[33]。这种 pH 降低显著提高了反应性硅酸盐矿物（如长石、云母和角闪石）以及碳酸盐矿物（如方解石和白云石）的溶解速率，释放出钙（Ca2+）、镁（Mg2+）、铁（Fe2+）等阳离子，对于关键矿物回收而言，尤其是稀土元素（REE3+）和锂（Li+）的释放尤为重要。需要区分本综述中出现的两种 pH 区域：井筒附近的区域，即注入点周围，此处溶解的二氧化碳分压最高，pH 可降至3-5，导致碳钢和水泥的严重腐蚀；以及远场储层区域，岩石通过碳酸盐和硅酸盐矿物的溶解逐渐中和流体，pH 降至4-6，这是讨论矿物溶解增强和关键矿物回收时提到的范围。运营中的pH管理目标是保持4-5的缓冲范围，以在最大化溶解效果与基础设施完整性要求之间取得平衡。二氧化碳酸化引起的矿物溶解增强为综合系统带来了多种机遇和挑战。一方面，溶解速率的提高可以增强从围岩中回收有价值元素的能力，潜在地从矿物中释放稀土元素（REEs）和锂，这些元素可能替代主要阳离子或以微量成分存在[34]，[35]。释放这些有价值元素的相同溶解过程也提供了二次碳酸盐沉淀所需的阳离子，将溶解的二氧化碳转化为稳定的固体相，如方解石（CaCO3）、白云石（MgCO3）和菱铁矿（FeCO3），从而在地质时间尺度上实现二氧化碳的永久封存。这种矿物碳化过程在富含镁和铁硅酸盐的基性岩和超基性岩中尤其迅速，冰岛CarbFix地区的实地研究证明了玄武岩形成体在两年内几乎可以实现二氧化碳的完全矿化。然而，二氧化碳酸化也引入了必须在综合系统中谨慎管理的重大工程挑战。酸性流体可以通过溶解氢氧化钙（Ca(OH)2）和脱钙钙硅酸氢盐相来破坏井筒水泥，可能危及井筒的完整性并形成不需要的流体迁移路径[36]。同样，酸化会加速金属井筒（尤其是常用在井建设中的碳钢）的腐蚀，需要采用耐腐蚀合金或保护涂层，这会增加资本成本。在储层内部，初级矿物的溶解与次级相的沉淀之间的相互作用会以复杂的方式改变储层渗透性，这种变化难以预测，溶解可能会通过扩大裂隙和孔隙来增加渗透性，而沉淀则可能通过阻塞流动路径来降低渗透性[37]。理解和管理这些耦合的溶解-沉淀过程是综合地热-碳-矿物系统的核心科学和工程挑战之一。

尽管在能源提取、碳封存和关键矿物回收方面存在明显的协同潜力，但专门研究这些综合系统的文献仍然非常匮乏。相关研究主要集中在孤立的学科领域内，地热工程师优化热提取和储层寿命，碳储存专家设计封存项目以最大化储存容量和安全性，而湿法冶金学家开发盐水提取和分离技术来回收有价值元素，这些领域之间几乎没有思想、方法或系统设计的交叉交流。这种碎片化导致了未能充分利用协同效应、管理权衡问题以及开发整体优化框架的机会，这些框架本可以加速多效益地下系统的部署。

表1将摘要中的每个主要定量声明映射到具体的操作条件、主要来源和相应的不确定性范围，以防止对本文涵盖的多种地质环境进行过度概括。

为了严格量化研究活动并识别地热能、碳封存和关键矿物回收交叉领域的知识空白，我们对Scopus数据库进行了系统的文献计量分析，涵盖了1968年至2026年1月期间的出版物。完整的方法细节，包括针对标题-摘要-关键词（TITLE-ABS-KEY）字段组合执行的完整可复现查询字符串、PRISMA一致性的筛选流程、去重协议和整合层次分类规则，详见附录A。搜索共检索到1008条记录（期刊文章、综述文章和会议论文）。经过DOI去重和标题字符串标准化后，得到了915条独特记录，其中791篇是期刊或综述文章，124篇是会议论文（附录A，表A2）。标题和摘要筛选排除了与三个目标领域均无实质性关联的125条记录，从而有790条记录进入全文分类（附录A，图A1）。1008这个数字代表去重前的总记录数，与PRISMA 2020年的“识别”计数一致[46]；1008与本手稿早期版本中的975条记录之间的33条记录差异反映了去重阶段移除的跨文件重复项，这一差异已在附录A，表A1中得到完全说明。

出版活动在20世纪90年代中期之前一直较为稀少（每年不到10篇论文），反映了Fenton Hill关闭后地热能研究的专门化性质。2010年左右开始出现显著加速，2010年至2024年间出版率呈指数级增长（年增长率约为9.7%，R2=0.99，见附录A，第A.3节），2024年达到151篇论文的峰值（图1）。R2值为0.99是对年度（而非累计）出版数量的调整，纠正了之前基于累积总数得出的0.94这一数值[46]。这一增长表明多个行业对这些技术的投资迅速增加，并且对其认识不断提高。

将790条记录全文分类为互斥的整合层次（附录A，第A.4节）揭示了研究领域的隔离程度。第0层次（单一领域）：685篇论文（86.7%）仅涉及一个领域，包括379篇关于EGS/地热能的文章，248篇关于关键矿物的文章，以及58篇关于地质二氧化碳封存的文章。第1层次（两个领域的部分整合）：97篇论文（12.3%），其中84篇将地热能与二氧化碳封存结合（包括25篇关于超临界二氧化碳作为双用途工作流体的文章），13篇将地热能与关键矿物结合，没有一篇将二氧化碳封存与关键矿物结合且不含地热成分。第2层次（三个领域的完全整合）：只有8篇论文（1.0%）同时解决了所有三个目标，作为耦合或共同评估的结果。这8篇第2层次的文章及其入选理由在附录A，第A.5节中明确列出；附录A，第A.6节讨论了可能导致这一比例偏低或偏高的系统偏见。

时间聚类结果很有启示性：8篇整合论文中有5篇发表于2016年或之后，2篇发表于2019年或之后，表明该领域可能正接近一个转折点，传统的学科界限开始消融。然而，综合系统设计、跨多价值流的组合经济优化以及监管障碍的系统性评估等全面框架仍然缺乏。

地理分析显示，研究集中在地热开发活跃的地区（美国、冰岛、德国、中国、印度尼西亚、菲律宾、土耳其）以及面临关键矿物供应安全问题的国家（欧盟、日本、韩国）。出版平台包括专门的地质热学期刊（Geothermics，40篇论文；GRC Transactions，65篇论文）和地球化学期刊（Applied Geochemistry，17篇论文；Chemical Geology，14篇论文），最近的整合研究也出现在高影响力的跨学科期刊（Joule、Nature Energy、Geoscience Frontiers）上，表明这种研究的认可度正在上升。

这篇综合综述综合了地热-碳-矿物相关领域的当前知识，并为综合多效益地下系统建立了框架。我们的方法与传统综述不同，它明确指出了尚未研究的内容、存在的关键知识空白以及哪些声称的好处需要通过现场验证来确认。我们采用系统视角，不仅考察各个独立组件，还考察它们之间的相互作用、协同效应、权衡以及支配综合系统行为的耦合过程。

1. 评估增强型地热系统技术，从其早期示范项目到当前商业运营的演变过程，包括储层创建方法、水与超临界二氧化碳的性能对比、热提取机制以及在不同地质环境中的经济可行性。
2. 系统地回顾不同类型地层（深部盐水含水层、枯竭的碳氢化合物储层、玄武岩形成体）中的地质二氧化碳储存，考察捕获机制、矿化动力学、储存容量以及长期封存安全性，重点关注二氧化碳酸化对关键矿物移动的潜在影响。
3. 研究地热盐水中关键矿物的地球化学性质，包括存在模式、浓度因素、提取技术（吸附、离子交换、膜分离、溶剂提取）以及经济可行性，认为通过分布式、低影响的流体提取，这些元素可以从“关键”资源重新分类为“丰富”资源。
4. 评估超临界二氧化碳作为双用途工作流体的潜力，通过理论、实验室、数值和现场研究分析其热物理性质、在不同储层条件下的性能、与水的对比、同时的碳储存潜力以及商业部署的技术挑战。
5. 建立多效益系统设计框架，识别真正的协同效应、必要的权衡以及性能对地质环境、操作参数和经济条件的依赖性，包括技术经济分析，并评估以玄武岩为载体的系统作为特别有前景的整合目标。
6. 评估监管和政策方面，包括多用途地下许可的障碍、潜在的政策激励措施、国际比较经验以及对于不符合现有类别的系统所需的监管创新。
7. 识别关键知识空白、技术障碍以及优先研究方向，涵盖基础科学（耦合过程建模）、工程挑战（腐蚀环境中的材料）、经济不确定性（对新供应的价格响应）以及政策问题（储存二氧化碳的长期责任）。

图2展示了指导这篇综述的概念框架，说明了从当前孤立的研究领域向综合多效益系统的进展。图表突出了Pairwise整合（84篇关于地热-碳的文章，13篇关于地热-矿物的文章）与完全的三方整合（只有8篇，1.0%）之间的显著差距，反映了本文所关注的核心知识空白。

综述从各个组件系统地构建到综合系统。在引言之后，我们首先探讨了EGS/HDR的基本原理和全球项目，然后全面介绍了地质碳储存机制和项目，并详细讨论了二氧化碳酸化。随后，我们分析了地热盐中的关键矿物和提取技术，再评估了超临界二氧化碳作为工作流体的潜力。这些以组件为中心的部分为整合机会的合成、技术经济框架和玄武岩载体系统的讨论奠定了基础，最后总结了知识空白、研究优先事项以及向商业部署过渡的路径。

我们的分析方法不仅考察了已知的确切内容，还探讨了不确定之处、可能被夸大的声明以及看似矛盾的发现。我们明确指出了建模假设、实验室实验的局限性以及实测性能与预期潜力之间的差距。数据和引用都经过原始来源的验证。定量声明附有明确的假设。对于存在矛盾结论的研究，我们讨论了来源，根据方法学的严谨性评估声明的可信度，并确定了解决这些矛盾所需的研究。这种批判性视角确保了综述提供了对科学成就的准确、无偏见的评估，指出了科学的可靠之处、仍处于探索阶段的部分以及尚未得到解答的关键问题。

**部分内容概述：**

**全球资源分布与发展现状**
增强型地热系统（EGS）和干热岩（HDR）技术具备从低渗透性地下地层中提取热能的变革潜力，理论上的全球储藏能力超过10^21焦耳，这些储层位于经济可获取的深度[1]、[2]。与传统地热系统不同，后者受限于构造活跃区域，仅覆盖地球陆地表面的不到10%，EGS技术可以在广阔范围内开发。

**大规模地质碳储存的必要性**
大气中的二氧化碳浓度从工业革命前的约280 ppm上升到2024年的超过420 ppm，同时化石燃料和工业排放量每年继续增加约36.8 Gt[11]、[12]。与此相比，地质储存的规模仍然微不足道：每年只有约30个商业设施注入约40 Mt的二氧化碳，不到全球排放量的0.2%[13]。IPCC指出，需要以数十亿吨每年的规模进行永久性地质封存才能限制二氧化碳的排放。

**关键矿物挑战：供应链、地缘政治和环境后果**
美国、欧盟和日本指定的稀土元素、锂和其他关键矿物面临供应链脆弱性问题[18]、[20]。这些元素对可再生能源至关重要，例如风力涡轮机和电动汽车中的永磁体、储能电池以及光伏电池，但其供应存在危险的地理集中、破坏性的提取方式以及削弱清洁能源的地缘政治脆弱性。

**热物理性质：地热应用的优缺点**
超临界二氧化碳在21世纪初作为地热热提取的替代品出现，理论分析表明其在热传递效率、泵送要求和能量转换方面具有优势[30]。二氧化碳在其临界点以上的独特性质使其具有类似气体的低粘度，便于在紧密地层中流动；类似液体的密度提供了热传输能力；大的热膨胀产生了强大的浮力驱动循环。

**整合范式：从单一用途到多效益系统**
历史上，地下资源开发沿着独立的方向进行，地热能、地质碳储存和矿物提取分别由不同的行业采用不同的技术、法规和经济模型推进[1]、[13]、[21]。这种分离反映了专门化的专业知识需求，以及适合某一用途的地层可能缺乏适合其他用途的特性[2]、[122]。然而，尽管在前几节中记录了在理解综合地热-碳-矿物系统各个组成部分方面取得了实质性进展，但仍然存在显著的知识空白和技术障碍，限制了商业部署，需要重点研究投资[1]、[2]、[42]、[45]。从概念理解和数值预测到广泛的实际应用，关键在于解决五个相互关联的优先领域，这些领域的进展将带来最大的推动作用。对1968年至2026年间发表的1008篇论文的全面回顾显示，在增强型地热系统、地质碳封存和关键矿物回收方面，既存在巨大潜力，也存在显著的整合缺口。尽管在整个回顾过程中记录了明显的技术和经济协同效应，但文献计量分析仅发现8篇论文（占1.0%）同时涉及所有三个领域[45]。这种差距并非根本性的障碍，而是需要进一步解决的问题。

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织任何资助机构的特定拨款。作者感谢南伊利诺伊大学卡本代尔分校提供的计算资源和设施。

作者声明：他们没有已知的会对其报告的工作产生影响的竞争性财务利益或个人关系。