วงจร CO₂ ใต้ดินลึก 2,500 เมตรของจีนทำงานอย่างไร และยังต้องพิสูจน์อะไรอีกบ้าง

โครงการความร้อนใต้พิภพระบบวงจรปิดด้วยคาร์บอนไดออกไซด์เหนือวิกฤต (supercritical CO₂) แห่งแรกของจีนที่เริ่มเดินระบบในเมืองเจิ้งโจว มณฑลเหอหนาน เป็นโครงการสาธิตด้าน การให้ความร้อน ไม่ใช่โรงไฟฟ้าความร้อนใต้พิภพ โครงการของ China Huaneng เริ่มดำเนินงานเมื่อ 19 พฤษภาคม 2026 โดยส่ง CO₂ ผ่านหลุมปิดลึกประมาณ 2,500 เมตร เพื่อดึงความร้อนจากหินโดยรอบ แล้วถ่ายเทความร้อนให้กับวงจรน้ำอีกชุดหนึ่งสำหรับระบบทำความร้อนอาคารในฤดูหนาว 613

ความสำคัญของโครงการอยู่ที่การทดสอบวิธีใช้ความร้อนใต้พิภพโดยไม่ต้องสูบน้ำใต้ดินขึ้นมา แต่ผลลัพธ์ในปัจจุบันควรถูกมองว่าเป็นหมุดหมายระยะแรกของการเดินระบบ ไม่ใช่หลักฐานว่าความร้อนใต้พิภพระบบวงจรปิดสามารถผลิตไฟฟ้าราคาถูกได้ตลอด 24 ชั่วโมงแล้ว

ระบบที่เจิ้งโจวทำงานอย่างไร

หลุมดังกล่าวใช้โครงสร้างแบบ โคแอกเซียล ซึ่งมีทางไหลอยู่ในหลุมเดียวกันแต่แยกจากกัน ทางหนึ่งส่ง CO₂ ที่ค่อนข้างเย็นและอยู่ภายใต้แรงดันลงสู่ใต้ดิน ส่วนอีกทางนำของไหลที่อุ่นขึ้นกลับมายังผิวดิน

เมื่ออยู่ที่ความลึก ความร้อนจากชั้นหินโดยรอบจะถ่ายเทผ่านโครงสร้างหลุมเข้าสู่ CO₂ ที่หมุนเวียนอยู่ จากนั้น CO₂ ที่ไหลกลับขึ้นมาจะปล่อยความร้อนให้กับน้ำในวงจรทำความร้อนที่อยู่บนพื้นดิน โดย CO₂ ยังคงอยู่ภายในระบบปิดและไม่ผสมกับชั้นหินหรือแหล่งน้ำใต้ดิน 6713

แนวทางนี้แตกต่างจากโรงไฟฟ้าความร้อนใต้พิภพแบบไฮโดรเทอร์มอล ซึ่งสูบน้ำร้อนตามธรรมชาติจากแหล่งกักเก็บใต้ดินที่มีช่องว่างและการไหลผ่านได้ดี ก่อนจัดการน้ำที่ผลิตขึ้นด้วยการอัดกลับลงไปในชั้นใต้ดิน ระบบวงจรปิดสามารถใช้ความร้อนที่สะสมอยู่ในหินได้ แม้พื้นที่นั้นจะมีการไหลของน้ำใต้ดินไม่มากพอสำหรับระบบแบบเปิด

ทำไมจึงเลือก CO₂ แทนน้ำใต้ดิน

โครงการนี้ใช้ CO₂ เหนือวิกฤตเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน ภายใต้เงื่อนไขความดันและอุณหภูมิที่เหมาะสม CO₂ จะมีคุณสมบัติผสมระหว่างการเคลื่อนที่แบบก๊าซกับความหนาแน่นแบบของเหลว เหตุผลทางวิศวกรรมที่มีการรายงานคือ CO₂ อาจหมุนเวียนในหลุมลึกด้วยแรงต้านการไหลที่ต่ำกว่า พร้อมถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ 613

CO₂ ยังอาจช่วยให้เกิด เทอร์โมไซฟอน หรือการหมุนเวียนที่ขับเคลื่อนด้วยความแตกต่างของความหนาแน่น เมื่อ CO₂ อุ่นขึ้นระหว่างไหลกลับขึ้นมา ความหนาแน่นจะลดลงเมื่อเทียบกับ CO₂ ที่เย็นกว่าซึ่งกำลังไหลลง ความแตกต่างนี้อาจช่วยขับการหมุนเวียนและลดงานของปั๊มได้ แต่ไม่ได้หมายความว่าไม่ต้องใช้อุปกรณ์บนพื้นดิน หรือรับประกันว่าต้นทุนดำเนินงานจะต่ำ

ระบบวงจรปิดมีข้อดีที่อาจเกิดขึ้นหลายประการ ได้แก่

• ไม่ต้องสูบน้ำใต้ดินขึ้นมาและไม่ต้องอัดน้ำกลับลงไป
• แยกตัวกลางทำงานออกจากชั้นหินโดยรอบ
• ลดปัญหาตะกรันและการจัดการแร่ธาตุที่มักมากับน้ำเกลือร้อนจากใต้ดิน
• อาจขยายการใช้ความร้อนใต้พิภพไปยังพื้นที่ที่มีหินร้อน แต่มีความสามารถในการซึมผ่านตามธรรมชาติต่ำ 613

อย่างไรก็ตาม นี่เป็นข้อได้เปรียบในระดับการออกแบบระบบ ไม่ใช่การรับประกันผลประกอบการเชิงพาณิชย์ ความร้อนจากหินยังต้องถ่ายเทผ่านผนังหลุมได้เร็วพอที่จะตอบสนองกำลังความร้อนที่ต้องการ

ผลงานที่เจิ้งโจวรายงาน

รายงานสาธารณะระบุว่า CO₂ เข้าสู่ระบบที่อุณหภูมิประมาณ 8 องศาเซลเซียส และกลับขึ้นมาที่ประมาณ 22 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับแนวทางดึงความร้อนด้วยน้ำ โครงการมีรายงานว่าสามารถเพิ่มความสามารถในการดึงความร้อนได้ประมาณ 20% และลดการใช้พลังงานต่อหน่วยความร้อนได้ประมาณ 10% นอกจากนี้ยังออกแบบมาเพื่อให้ความร้อนส่วนกลางแก่พื้นที่พักอาศัยมากกว่า 18,000 ตารางเมตรในฤดูหนาว 3613

ตัวเลขเหล่านี้สะท้อนการใช้งานด้านความร้อนที่มีประโยชน์ แต่ยังไม่ได้ยืนยันกำลังการผลิตไฟฟ้า อุณหภูมิขากลับที่รายงานอยู่ในระดับของระบบทำความร้อน และหลักฐานที่มีไม่ได้แสดงว่าโครงการนี้ผลิตไฟฟ้าได้

ยังมีข้อควรระวังด้านคำศัพท์ด้วย คำว่า “CO₂ เหนือวิกฤต” หมายถึงแนวคิดการใช้ของไหลภายใต้สถานะความดันและอุณหภูมิที่เหมาะสมภายในระบบ แต่สรุปการเดินระบบที่เปิดเผยต่อสาธารณะยังไม่ได้ระบุโปรไฟล์ความดันและอุณหภูมิใต้ดินอย่างครบถ้วน รายงานรองฉบับหนึ่งให้ตัวเลขอุณหภูมิขาเข้าและขาออกต่างออกไป ดังนั้นตัวเลข 8 ถึง 22 องศาเซลเซียสที่ถูกอ้างถึงอย่างแพร่หลายควรถูกมองเป็นค่าการเดินระบบที่มีการรายงาน ไม่ใช่คำอธิบายทางอุณหพลศาสตร์ของวงจรทั้งหมด 34

มีโอกาสผลิตไฟฟ้าฐานตลอด 24 ชั่วโมงหรือไม่

ความร้อนใต้พิภพมีข้อได้เปรียบสำคัญคือมีอยู่ต่อเนื่อง ต่างจากลมและแสงอาทิตย์ที่เปลี่ยนแปลงตามสภาพอากาศและช่วงเวลากลางวัน ในทางทฤษฎี หากระบบวงจรปิดเข้าถึงหินที่ร้อนเพียงพอและหมุนเวียนของไหลได้มากพอ ก็อาจให้ความร้อนที่มั่นคงตลอดเวลา และผลิตไฟฟ้าได้เมื่ออุณหภูมิสูงถึงระดับที่เหมาะกับวงจรแปลงพลังงาน

แต่โครงการเจิ้งโจวยังไม่ได้แสดงให้เห็นผลลัพธ์ดังกล่าว การผลิตไฟฟ้าต้องอาศัยการไหลของความร้อนที่ใช้งานได้มากกว่านี้อย่างมีนัยสำคัญ รวมถึงอุณหภูมิที่เหมาะกับวงจรผลิตไฟฟ้า เนื่องจากบทบาทปัจจุบันของโครงการคือการให้ความร้อนแก่ที่อยู่อาศัย การกล่าวว่าโครงการนี้พิสูจน์การผลิตไฟฟ้าความร้อนใต้พิภพตลอด 24 ชั่วโมงแล้ว จึงเกินกว่าหลักฐานที่มี

เศรษฐศาสตร์ของโครงการเป็นเงื่อนไขสำคัญยิ่งกว่า แบบจำลองระบุว่าระบบวงจรปิดอาจมีต้นทุนแข่งขันได้สำหรับการผลิตความร้อน แต่การผลิตไฟฟ้าให้แข่งขันได้มักต้องลดต้นทุนการเจาะลงอย่างมาก งานศึกษาอีกชิ้นพบว่า ระบบจำลองที่อ่างกักเก็บมีอุณหภูมิ 180 องศาเซลเซียสอาจยังไม่สามารถคืนทุนตลอดอายุโครงการได้ แม้จะมีแขนงหลุมแนวนอน 30 แขนง และมีอัตราการผลิต 75 กิโลกรัมต่อวินาที

เหตุใดจึงกำลังพัฒนาหลุมรูปตัวยูที่ลึกกว่า

หลุมโคแอกเซียลมีพื้นที่สัมผัสเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนค่อนข้างจำกัด แนวคิดหลุมรูปตัวยูหรือ U-loop ที่ลึกกว่าพยายามเพิ่มพื้นที่ดังกล่าวด้วยการเจาะหลุมแนวดิ่งสองขา แล้วเชื่อมเข้าหากันด้วยช่วงหลุมแนวนอนยาวที่พาดผ่านหินร้อน เส้นทางใต้ดินที่ยาวขึ้นทำให้ของไหลสัมผัสกับชั้นหินมากขึ้นและอาจเพิ่มปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทเข้าสู่ระบบ

รูปแบบนี้พยายามแก้ข้อจำกัดหลักของระบบหลุมเดี่ยว นั่นคือการดึงพลังงานที่มีประโยชน์ต้องมีพื้นที่สัมผัสกับหินมากพอ อุณหภูมิสูงพอ และอัตราการไหลที่คงอยู่ได้นานหลายปี แต่การออกแบบดังกล่าวก็เพิ่มความซับซ้อนของการเจาะแบบกำหนดทิศทาง ความเสี่ยงระหว่างก่อสร้าง และเงินลงทุน

หลักฐานที่มีอยู่ยังไม่ได้ยืนยันความลึก ผลการดำเนินงาน สถานะการก่อสร้าง หรือต้นทุนที่แน่ชัดของโครงการหลุมรูปตัวยูในจีน ดังนั้นควรทำความเข้าใจโครงการลักษณะนี้ในฐานะทิศทางการพัฒนา มากกว่าจะเรียกว่าเป็นคำตอบเชิงพาณิชย์ที่พิสูจน์แล้ว

อุปสรรคด้านวิศวกรรมและเศรษฐกิจ

ความท้าทายไม่ได้อยู่ที่การค้นหาหินร้อนเพียงอย่างเดียว แต่อยู่ที่การสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใต้ดินที่ทนทาน ให้ความร้อนสูง และมีต้นทุนต่ำพอที่ความร้อนหรือไฟฟ้าที่ผลิตได้จะชดเชยเงินลงทุน

อุปสรรคสำคัญ ได้แก่

• ค่าใช้จ่ายในการเจาะลึก รวมถึงช่วงหลุมแบบกำหนดทิศทางหรือหลายแขนง
• การสร้างพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนใต้ดินให้มากเพียงพอ
• การรักษาความสมบูรณ์ของหลุมและซีลภายใต้อุณหภูมิและแรงดันสูง
• การจัดการการกัดกร่อน การสูญเสียความร้อน และพฤติกรรมของ CO₂
• การป้องกันไม่ให้ทางไหลขาลงกับทางไหลขากลับลัดวงจรทางความร้อนเข้าหากัน
• การพัฒนาแท่นเจาะ หัวเจาะ เครื่องมือใต้หลุม และวัสดุที่ทำงานได้ในสภาพแวดล้อมหินลึกซึ่งรุนแรง

บทความทบทวนใน Nature ประเมินว่า การสร้างชุดหลุมหลายแขนงหนึ่งชุดอาจมีต้นทุนประมาณ 50–100 ล้านดอลลาร์สหรัฐในบางสภาพแวดล้อม และระบุว่าความสามารถในการทำกำไรขึ้นอยู่กับทั้งปริมาณพลังงานที่ผลิตได้และความต้องการในพื้นที่ นอกจากนี้ ระบบวงจรปิดยังพึ่งพาการนำความร้อนจากหินโดยรอบเป็นหลัก ซึ่งช้ากว่าการพาความร้อนผ่านแหล่งน้ำใต้พิภพที่ไหลเวียนตามธรรมชาติ

ข้อจำกัดนี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดระบบทำความร้อนรวมศูนย์อาจเป็นตลาดเชิงพาณิชย์ที่เกิดขึ้นก่อนการผลิตไฟฟ้า โครงการสามารถขายความร้อนอุณหภูมิปานกลางให้กับอาคารใกล้เคียงได้โดยตรง โดยไม่ต้องแปลงเป็นไฟฟ้าก่อน ขณะที่โรงไฟฟ้าต้องการแหล่งความร้อนที่ร้อนกว่า อัตราการไหลสูงกว่า และอุปกรณ์แปลงพลังงานที่มีราคาแพงกว่า

บทเรียนจากโครงการ Eavor ในเยอรมนี

โครงการ Geretsried ของ Eavor ในรัฐบาวาเรียเป็นกรณีเปรียบเทียบที่สำคัญ เมื่อ 4 ธันวาคม 2025 โครงการเริ่มจ่ายไฟฟ้าเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าของเยอรมนีจากระบบความร้อนใต้พิภพแบบวงจรปิดหลายแขนงที่ปิดผนึกอยู่ นับเป็นโครงการเชิงพาณิชย์แห่งแรกที่มีการรายงานว่าสามารถทำเช่นนี้ได้

โครงการมีพิกัดการออกแบบเต็มระบบที่รายงานไว้ประมาณ 8.2 เมกะวัตต์ไฟฟ้า และ 64 เมกะวัตต์ความร้อน โดยใช้วงจรหลุมใต้ดินยาวแทนการพึ่งพาแหล่งน้ำร้อนใต้ดินที่ผลิตได้ตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ณ เดือนมีนาคม 2026 มีเพียงหนึ่งจากสี่วงจรที่วางแผนไว้ซึ่งกำลังดำเนินงานอยู่ โครงการจึงเป็นหลักฐานสำคัญด้านความเป็นไปได้ทางเทคนิค ขณะที่การก่อสร้างเต็มรูปแบบและเศรษฐศาสตร์ของโครงการยังเป็นคำถามที่ต้องติดตาม 17

เมื่อมองร่วมกัน เจิ้งโจวและ Geretsried แสดงให้เห็นสองระยะของแนวคิดเดียวกัน เจิ้งโจวสาธิตการหมุนเวียน CO₂ ในระบบปิดเพื่อผลิตความร้อนที่ใช้งานได้ ส่วน Geretsried แสดงให้เห็นว่าระบบวงจรปิดหลายแขนงสามารถจ่ายไฟฟ้าเข้าสู่โครงข่ายได้ แต่ทั้งสองโครงการยังไม่ได้พิสูจน์ว่าความร้อนใต้พิภพระบบวงจรปิดมีต้นทุนต่ำ ใช้งานได้ทุกพื้นที่ หรือพร้อมเข้ามาแทนที่การผลิตไฟฟ้าแบบเดิม

สรุป

โครงการเจิ้งโจวควรถูกมองว่าเป็นการทดสอบแนวคิด “取热不取水” หรือ “ดึงความร้อนโดยไม่ดึงน้ำ” อย่างเป็นรูปธรรม หลุมโคแอกเซียลลึก 2,500 เมตร วงจร CO₂ แบบปิดสนิท การเพิ่มความสามารถในการดึงความร้อนที่รายงานไว้ประมาณ 20% และการให้ความร้อนแก่พื้นที่พักอาศัย 18,000 ตารางเมตร แสดงให้เห็นว่าเหตุใดแนวทางนี้จึงได้รับความสนใจ 613

เทคโนโลยีนี้อาจทำให้การใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพขยายไปยังพื้นที่ต่าง ๆ ได้มากขึ้น ด้วยการแยกการดึงความร้อนออกจากการพึ่งพาน้ำใต้ดินที่ไหลเวียนตามธรรมชาติ แต่เส้นทางไปสู่การผลิตไฟฟ้าตลอด 24 ชั่วโมงยังต้องแก้โจทย์ที่ยากกว่า ได้แก่ การสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใต้ดินที่ลึกและมีขนาดใหญ่ขึ้น การเจาะที่อุณหภูมิสูงอย่างน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพทางความร้อนในระยะยาว และการลดต้นทุนเงินลงทุนลงอย่างมาก

หลักฐานในเวลานี้จึงสนับสนุนให้มองเทคโนโลยีนี้ด้วยความหวังอย่างระมัดระวัง มากกว่าจะสรุปว่าเป็นการปฏิวัติเชิงพาณิชย์ที่พิสูจน์ผลในระดับใหญ่แล้ว