انرژی زمینگرمایی: از چگونگی شکلگیری و استخراج تا کاربردهای متنوع و چالشها

انرژی زمینگرمایی از چگونگی شکلگیری و استخراج تا کاربردهای متنوع و چالشها, تنها چند کیلومتر زیر پای ما، ذخیرهای عظیم از انرژی نهفته است که بهصورت بالقوه میتواند بهترین راهکار برای تامین انرژی پایدار و مطمئن باشد. این انرژی که ناشی از گرمای تولیدشده در اعماق زمین است، انرژی زمینگرمایی یا ژئوترمال نام دارد.

اگرچه در حال حاضر این منبع کمتر از ۱ درصد از ظرفیت تولید برق جهان را تأمین میکند، اما پتانسیل دارد تا به یکی از پلهای اساسی گذار به انرژیهای سبز تبدیل شود. انرژی زمینگرمایی چیست؟ انرژی زمینگرمایی یک منبع پایدار از انرژی است که ریشه در گرمای زمین دارد. حرارت متولدشده در اعماق زمین بهصورت مداوم از طریق فرایندهای طبیعی مانند جریانهای همرفتی به سطح منتقل شده و در لایههای فوقانی پوسته زمین ذخیره میشود.

با بهرهگیری از تجهیزات و فناوریهای پیشرفته، میتوان این انرژی را از زمین استخراج و از آن استفاده کرد. این نوع انرژی در زمره منابع تجدیدپذیر و پاک قرار میگیرد و با توجه به اینکه منبع تولید آن پایدار است، گزینهای مناسب و مطمئن برای برآورده کردن نیازهای انرژی در نقاط مختلف جهان محسوب میشود. منشأ تولید انرژی تجدیدپذیر زمینگرمایی زمین منبع عظیمی از انرژی حرارتی است؛ بهگونهای که دما در هسته آن به ۵۵۰۰ درجه سانتیگراد میرسد.

بهطور کلی، گرمای زمین را میتوان نزدیک به ۱۲.۶×۱۰۲۴ مگاژول تخمین زد. این گرما بسیار زیاد است، اما تنها بخش کوچکی از آن قابل بهرهبرداری است. بر اساس پژوهشها، پتانسیل زمینگرمایی به ازای هر ۱۰ هزار متر از سطح زمین، معادل انرژی حاصل از ۵۰ هزار ذخیره نفت و گاز در سراسر جهان است.

گرمای درونی زمین از دو راه اصلی تامین میشود گرمای ذخیرهشده در هسته تجزیه رادیواکتیو عناصر سنگین مانند اورانیوم و توریم هسته؛ منبع اصلی گرمای درونی زمین هسته زمین عمدتاً از آهن و نیکل مذاب تشکیل شده است. به دلیل فشردگی گرانشی و دمای بالا، هسته زمین بسیار داغ است (۵۵۰۰ درجه سانتیگراد) و مقدار زیادی گرما تولید میکند.

این گرما توسط جریانهای همرفتی به گوشته و سپس به پوسته زمین منتقل میشود و در صورت عدم موانع، به سطح زمین میرسد. ماگماها که پس از فوران آتشفشانها روی زمین جاری میشوند، بهترین مثال برای توصیف این فرایند هستند. ماگما، سنگهای موجود در مرز گوشته و پوسته هستند که تحت تأثیر گرمای شدید هسته، ذوب شدهاند. اما عامل مهم و پایدارکننده گرمای درونی زمین، وجود عناصر رادیواکتیو مانند اورانیوم و توریم در اعماق زمین است.

این عناصر که در زمان شکلگیری کره زمین در لایههای گوناگون به وجود آمدهاند، نیمهعمر بسیار طولانی دارند و طی میلیاردها سال تجزیه میشوند. به همین دلیل است که با وجود گذشت میلیاردها سال از شکلگیری زمین، همچنان مقادیر قابلتوجهی از این عناصر در اعماق زمین باقی مانده است. تجزیه رادیواکتیو در تمام لایههای زمین رخ میدهد، اما چگالی این عناصر در لایههای مختلف متفاوت است.

بهطور کلی، هرچه به سمت عمق زمین پیش برویم، چگالی عناصر رادیواکتیو بیشتر میشود. کاربردهای انرژی زمینگرمایی موارد بهرهبرداری از انرژی زمینگرمایی را میتوان به سه دسته تقسیم کرد کاربردهای مستقیم، پمپهای حرارتی زمینگرمایی (GHP) و تولید برق. کاربردهای مستقیم یکی از رایجترین کاربردهای انرژی زمینگرمایی، بهرهگیری مستقیم از آبهای گرم زیرزمینی بدون نیاز به تجهیزات تخصصی است.

تمام کاربردهای مستقیم از منابع زمینگرمایی با دمای پایین، نزدیک به ۵۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد، انجام میشوند. این کاربردها شامل استفاده از حرارت زمین برای گرمایش ساختمانها (مسکونی، تجاری و صنعتی)، تامین آب گرم، و گرم کردن گلخانهها، زمینهای کشاورزی و استخرهای پرورش ماهی میشود. برخی کشورها مانند ایسلند از این تکنولوژی برای گرمایش شهری بهره میبرند.

پمپهای حرارتی زمینگرمایی (GHP) پمپهای حرارتی زمینگرمایی از فناوریهایی هستند که بدون استفاده از سیالهای زمینگرمایی، از گرمای موجود در خاک یا سفرههای آب زیرزمینی بهره میبرند. این سیستمها در عمق کم زیر زمین (نزدیک به ۳۰۰ متر) و در مجاورت ساختمان نصب میشوند. در این عمق دما نزدیک به ۱۰ تا ۱۶ درجه سانتیگراد است و گرمای زمین میتواند برای گرم کردن ساختمانها مورد استفاده قرار گیرد.

در این روش، لولههایی بهصورت افقی یا عمودی زیر زمین قرار میگیرند (معمولاً در یک حلقه بسته) و با گردش محلول، مانند آب یا مخلوطی از آب و ضدیخ، حرارت را از زمین به داخل ساختمان یا برعکس مبادله میکنند. بسته به نوع سیستم (افقی، عمودی یا در آب)، لولهها در اعماق مختلفی از زمین یا زیر آب قرار میگیرند. سیستمهای GHP بسیار کارآمد هستند و ۲۵ تا ۵۰ درصد کمتر از سیستمهای معمول گرمایش و سرمایش برق مصرف میکنند.

تولید برق انرژی زمینگرمایی به عنوان یک منبع تجدیدپذیر و پایدار، میتواند برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد. در نیروگاههای زمینگرمایی، با کنترل بخار و هدایت آن به سمت توربینها، برق تولید میشود. در برخی نیروگاهها میتوان با بهرهگیری از این انرژی، تا ۱۰۰۰ مگاوات برق تولید کرد. استخراج لیتیوم یکی از کاربردهای نوین و مهم انرژی زمینگرمایی، استخراج لیتیوم از محلولهای زمینگرمایی است.

لیتیوم به عنوان یک ماده کلیدی برای ساخت باتریهای قابل شارژ، در حال تبدیل شدن به یکی از عناصر حیاتی در صنعت خودروهای برقی و ذخیرهسازی انرژی است. در برخی پروژهها، آبهای داغ زمینگرمایی که از عمق زمین استخراج میشوند، حاوی مقادیر قابلتوجهی از لیتیوم هستند. در این راستا، ایالات متحده سرمایهگذاری سنگینی در زنجیره تامین داخلی لیتیوم باکیفیت انجام داده است.

یکی از مثالهای بارز این تلاشها، ابتکار مواد باتری آمریکایی (ABM) است. منطقه شناختهشده دریای سالتون در کالیفرنیا، به عنوان یک منبع بالقوه لیتیوم برای ایالات متحده شناسایی شده است. این منطقه به دلیل وجود لیتیوم در آبهای مخازن زمینگرمایی مورد توجه قرار گرفته است.

استخراج انرژی زمینگرمایی و تولید برق رایجترین روش بهرهبرداری از انرژی زمینگرمایی، دسترسی به مخازن طبیعی آبهای گرم زیرزمینی است که به عنوان منابع هیدروترمال شناخته میشوند. در این روش، بسته به شرایط زمینشناسی و دسترسی به مخازن، چاههایی به عمق ۱ تا ۵ کیلومتر حفر میشود تا از انرژی حرارتی مخازن بهره برداری شود.

منابع زمینگرمایی به سه دسته مهم تقسیم میشوند منابع با دمای بالا (بیشتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد)، منابع با دمای متوسط (بین ۹۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد) و منابع با دمای پایین (کمتر از ۹۰ درجه سانتیگراد). بیش از ۷۰ درصد از منابع زمینگرمایی جهان از نوع منابع با دمای پایین هستند. انتخاب فناوری تبدیل انرژی زمینگرمایی به سایر فرمهای انرژی، مانند الکتریسیته، بر اساس خواص ترمودینامیکی آب یا بخار زمینگرمایی انجام میشود.

این خواص، بهویژه دما، بر نوع کاربرد منبع و فناوری تبدیل انرژی تأثیر میگذارند. توربینهای بخار برای تولید برق معمولاً در دماهای بالای ۱۸۰ درجه سانتیگراد کار میکنند، در حالی که کاربردهای غیرالکتریکی میتوانند از منابع زمینگرمایی با دماهای بین ۴۰ تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد بهصورت مؤثری بهرهبرند.

طراحی عملیاتی نیروگاههای زمینگرمایی مشابه نیروگاههای سوخت فسیلی و هستهای است که بر پایه چرخه رنکین قرار دارند، با این تفاوت که منبع گرما، سیال (آب، بخار) استخراجشده از اعماق زمین است. انواع مختلفی از نیروگاههای زمینگرمایی بر پایه چرخههای ترمودینامیکی و فناوریهای تبدیل این انرژی وجود دارند نیروگاههای بخار خشک، نیروگاههای فلش، نیروگاههای باینری و نیروگاههای هیبریدی یا ترکیبی.

انواع نیروگاههای زمینگرمایی نیروگاههای بخار خشک در این نیروگاهها، از بخار داغ با دمای بیشتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد بهره گرفته میشود. این بخار مستقیماً از مخازن زمینگرمایی به توربینهای بخار هدایت میشود. توربین با چرخش ناشی از نیروی بخار، ژنراتور متصل به خود را به حرکت درمیآورد و در نتیجه برق تولید میشود.

پس از عبور بخار از توربین و انجام کار، سیال خروجی که شامل ترکیبی از بخار و آب است، ابتدا داخل یک سیستم مبدل حرارتی یا کندانسور میرود. در این مرحله بخار به آب تبدیل میشود و آب خنکشده به مخازن زیرزمینی بازگردانده میشود تا مجدداً گرم شود و چرخه بازیابی ادامه یابد.

این فرآیند باعث میشود نیروگاهها بهرهوری بالاتری داشته باشند و از کم شدن فشار در مخازن زیرزمینی جلوگیری شود؛ ضمن اینکه چرخه استخراج انرژی بهصورت مداوم و پایدار ادامه یابد. نیروگاههای بخار خشک در جهان بسیار کمیاب هستند، چون دستیابی به منابع زیرزمینی که بتوانند بخاری با دمای بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد تولید کنند، دشوار و نادر است.

تنها تعداد محدودی از این منابع در مناطق خاصی وجود دارند؛ از جمله لاردرلو در ایتالیا، آبفشان قدیمی در کالیفرنیا (آمریکا)، السالوادور، ژاپن و مکزیک. این مناطق به عنوان مهمترین مراکز فعال انرژی زمینگرمایی در جهان شناخته میشوند و از ظرفیت بالایی برای تولید انرژی (تا ۹۰۰ مگاوات) برخوردارند.

نیروگاههای بخار فلش در این سیستم، آب داغ (آبی که معمولاً بین ۱۵۰ تا ۳۷۰ درجه سانتیگراد است) یا بخار مستقیماً از منبع زیرزمینی به یک جداکننده منتقل میشود. در این مرحله، آب داغ با افت فشار ناگهانی روبرو میشود که این افت فشار باعث میشود بخشی از آب به بخار تبدیل شود. بخار تولیدشده سپس به یک توربین بخار هدایت میشود. توربین با بهرهگیری از انرژی بخار، ژنراتوری را به حرکت درمیآورد و برق تولید میکند.

پس از عبور بخار از توربین و انجام کار، بخار خروجی در یک کندانسور تقطیر میشود و به حالت مایع برمیگردد. این مایع، همراه با آب داغ باقیمانده که از فرآیند جداکننده خارج شده، مجدداً به منبع زمینگرمایی تزریق میشود تا چرخه تولید انرژی مجدد تکرار شود. سیستم فلش را میتوان بر اساس مراحل تولید بخار، به تکفلش، دوفلش یا سهفلش دستهبندی کرد.

این سیستم به دلیل بهرهگیری غالب از آب داغ به جای بخار، یکی از مناسبترین راهحلها برای تولید برق در نیروگاههای زمینگرمایی محسوب میشود. ظرفیت تولید برق این نیروگاهها تا ۵۰۰ مگاوات متغیر است. نیروگاههای سیکل باینری (دوفازی) در این نیروگاهها دو سیال متفاوت در یک سیستم حلقهبسته به کار میروند.

یکی سیال زمینگرمایی است که از منابع زیرزمینی به دست میآید و دیگری یک سیال آلی با نقطه جوش پایین، مانند ایزوبوتان یا پنتافلوئوروپروپان، است که به عنوان سیال عامل عمل میکند. این چرخه بهگونهای طراحی شده که از انرژی زمینگرمایی با دماهای پایین و متوسط (۸۵ تا ۱۷۰ درجه سانتیگراد) بهرهبرداری کند. در این فرآیند، سیال زمینگرمایی ابتدا از یک مبدل حرارتی عبور میکند.

در این مبدل، گرمای سیال زمینگرمایی به سیال عامل که در دمای پایینتر میجوشد، منتقل میشود. این گرما باعث تبخیر سیال عامل میشود و سیال به حالت بخار درمیآید. بخار تولیدشده سپس از طریق یک توربین عبور داده میشود. با منبسطشدن بخار در توربین، توربین به حرکت درمیآید. در نهایت، این حرکت مکانیکی به ژنراتور منتقل شده و برق تولید میشود. پس از عبور از توربین، سیال عامل به یک کندانسور هدایت میشود تا مجدد به حالت مایع تبدیل شود.

سپس سیال مایعشده مجدد به مبدل حرارتی بازگردانده میشود تا این چرخه تکرار شود. این چرخهبسته باعث میشود سیال زمینگرمایی با سیال آلی مخلوط نشود و همزمان بتوان انرژی زمینگرمایی را بهصورت مؤثری به انرژی برق تبدیل کرد. نیروگاههای هیبریدی در این نیروگاهها از ترکیب دو یا چند منبع انرژی متفاوت یا ترکیب چند چرخه حرارتی بهرهگیری میشود تا بهرهوری و تولید برق به حداکثر برسد.

این نیروگاهها میتوانند از ترکیب منابع انرژی همچون انرژی زمینگرمایی، خورشیدی، سوختهای فسیلی (مانند زغالسنگ و گاز)، یا منابع زیستتوده بهرهبرند. هدف از طراحی نیروگاههای هیبریدی، افزایش بازدهی و کارایی سیستم، کاهش هزینههای تولید برق و بهرهبرداری حداکثری از منابع طبیعی است.

چالشهای بهرهبرداری از انرژی ژئوترمال انرژی حرارتی ذخیرهشده در پوسته زمین ظرفیت پاسخگویی به کل نیازهای انرژی را دارد؛ بااینحال، این نیروگاهها کمتر از ۱ درصد از ظرفیت جهانی برق را تأمین میکنند و نرخ رشد ظرفیت بسیار آهستهای را در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدیدپذیر دارند.

بهطور کلی، چند عامل مهم مانع بهرهبرداری گسترده از این انرژی در مقیاس جهانی شده است محدودیت جغرافیایی مناطق خاصی روی کره زمین برای احداث نیروگاه و انجام حفاری مناسب هستند. این مناطق باید مکانهایی با فعالیتهای زمینساختی بالا، مانند نقاط فعال آتشفشانی یا چشمههای آب گرم باشند. تعداد زیادی از کشورها یا مناطق، دسترسی محدودی به این منابع دارند. هزینههای بالای اولیه معمولاً گسترش و ساخت نیروگاههای زمینگرمایی هزینهبر است.

دسترسی به منابع گرمایی زیرزمینی نیازمند حفاریهای عمیق و بهرهگیری از فناوریهای پیچیده است که بهنوبهخود سرمایهگذاری اولیه زیادی نیاز دارد. گاهی اوقات فرآیند حفاری در مناطقی که ساختار زمینشناسی پیچیده دارد، با مشکلات فنی مواجه میشود. خطرات زمینلرزههای کوچک (میکروزلزله) در نتیجه حفاریهای عمیق نیز به عنوان یک چالش مطرح میشود.

زمان طولانی بازگشت سرمایه بازگشت سرمایه در نیروگاههای زمینگرمایی، به دلیل هزینههای بالای اولیه و نیاز به نگهداری طولانیمدت، زمانبر است. از زمان حفر اولین چاه تا زمان راهاندازی نیروگاه زمینگرمایی مرکزی برای بهرهبرداری حدود ۵ تا ۱۰ سال طول میکشد.

اثرات محیطی محلی با وجود اینکه انرژی زمینگرمایی دیاکسید کربن، ذرات معلق و سایر مواد سمی کمتری تولید میکند و از این رو، انرژی پاک محسوب میشود، اما در برخی موارد، نیروگاههای زمینگرمایی ممکن است اثرات محیطی محلی مانند انتشار بوی گوگرد یا تغییرات هیدرولوژیکی ایجاد کنند که باعث نگرانیهای زیستمحیطی در سطح محلی میشود.

بااینحال، پیشرفتهای تکنولوژیک و بهبود در راهحلهای حفاری و بهرهبرداری، میتواند این چالشها را کاهش دهد و انرژی زمینگرمایی را به جانشینی مناسب برای منابع نایاب انرژی، مانند سوختهای فسیلی تبدیل کند. انرژی زمینگرمایی در ایران ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی و قرارگیری در مرزهای تکتونیکی، پتانسیل بالایی برای بهرهبرداری از انرژی زمینگرمایی دارد.

تنش ناشی از حرکت صفحات قارهای، مانند صفحه عربستان و صفحه اقیانوس هند، باعث شکلگیری تغییرات زمینشناسی و چینخوردگیهایی در نواحی زاگرس شده که نشاندهنده فعالیتهای تکتونیکی و آتشفشانی در سرزمین است. علاوه بر این، وجود چشمههای آب گرم و فعالیتهای آتشفشانی متعدد، مشخص میکند که ایران دارای منابع عظیم زمینگرمایی است. برآوردها نشان میدهد که ایران قادر است بیش از ۲۰۰ مگاوات برق از انرژی زمینگرمایی تولید کند.

نیروگاه زمینگرمایی مشگینشهر در استان اردبیل، یکی از نیروگاههای ایران از نوع زمینگرمایی با ظرفیت تولید ۵۵ مگاوات است. این نیروگاه با هدف بهرهبرداری از منابع زمینگرمایی در منطقه سبلان و تامین انرژی پاک و پایدار، در حال گسترش است. اکنون، نیروگاه مشکینشهر در جستجوی افزایش ظرفیت تولید برق است. ایران دارای چندین منطقه مستعد دیگر برای گسترش انرژی زمینگرمایی است که در حال حاضر در مراحل اکتشاف و بررسی قرار دارند.

این مناطق شامل نواحی دماوند، سبلان، سرعین و خوی میشود. بهطور کلی، با توجه به پتانسیل عظیم انرژی زمینگرمایی در ایران و برنامههای گسترشای کشور، پیشبینی میشود که این منبع انرژی تجدیدپذیر در سالهای آینده نقش پررنگتری در تامین انرژی کشور داشته باشد. خلاصه گرمای متولدشده در اعماق زمین بهصورت مداوم توسط فرایندهای طبیعی مانند جریانهای همرفتی به سطح منتقل شده و در لایههای فوقانی پوسته زمین ذخیره میشود.

به این انرژی، انرژی ژئوترمال یا زمینگرمایی میگویند که در زمره انرژیهای تجدیدپذیر و پاک قرار میگیرد. با توجه به اینکه منبع تولید این انرژی پایدار است، گزینهای مناسب و مطمئن برای تامین نیازهای انرژی در نقاط مختلف جهان محسوب میشود. از انرژی زمینگرمایی میتوان در تولید برق بهره برد. سوالات متداول آیا انرژی زمینگرمایی تجدیدپذیر است؟ بله؛ انرژی زمینگرمایی یک منبع تجدیدپذیر و پایدار است که از گرمای درونی زمین نشأت میگیرد.

این گرما به دلیل فرایندهای طبیعی مانند تجزیه مواد رادیواکتیو در هسته زمین، بهصورت مداوم تولید میشود و در طول زمان از بین نمیرود. با استخراج هوشمندانه و مدیریت مناسب منابع زمینگرمایی، میتوان از این انرژی بهصورت مستمر و بدون اتلاف منبع بهرهبرداری کرد. آیا از گدازههای آتشفشانها هم میتوان برای تولید برق بهره گرفت؟

بله؛ دمای ماگماها بیشتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است و میتوان از آنها برای تولید برق بهره برد؛ هرچند این فناوری تا به امروز در مراحل تحقیقاتی و توسعه بوده و بهصورت گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است. یکی از راهحلهای ممکن برای بهرهگیری از گدازهها شامل انتقال گرمای آنها به سیالاتی است که میتوانند به بخار تبدیل شوند (مشابه آنچه در نیروگاههای زمینگرمایی رایج است).

بااینحال، کنترل و مهار گرمای بسیار زیاد و بیثباتی گدازهها چالشبرانگیز است و همین امر باعث میشود بهرهبرداری عملی از این منابع با محدودیتهای فنی روبرو باشد. مزایای انرژی زمینگرمایی چیست؟ انرژی زمینگرمایی برخلاف انرژیهای بادی و خورشیدی، به شرایط آبوهوایی وابسته نیست و میتواند بهصورت دائمی و بدون وقفه، برق پایدار تولید کند.

علاوه بر این، انتشار بسیار کم گازهای گلخانهای و آلایندهها در طول تولید انرژی، این منبع را به یکی از پاکترین منابع انرژی تبدیل کرده که میتواند در کاهش تغییرات اقلیمی و اثرات زیستمحیطی موثر باشد. از نظر اقتصادی نیز انرژی زمینگرمایی میتواند در درازمدت هزینههای تولید برق و گرمایش را کاهش دهد.