به گزارش روشنفکر
تنها چند کیلومتر زیر پای ما، مقدار بسیاری انرژی نهفته است که بهطور بالقوه، میتواند بهترین راه برای فراهم انرژی پایدار و قابلمطمعن باشد. این انرژی که ناشی از گرمای تولیدشده در اعماق زمین است، «انرژی زمین گرمایی» یا «geothermal» نام دارد. اگرچه اکنون این انرژی کمتر از ۱ درصد از ظرفیت تشکیل برق جهان را راه اندازی میدهد، اما پتانسیل آن را دارد که به یکی از پلهای مهم گذار به منبع های انرژی سبز تبدیل شود.
انرژی زمین گرمایی چیست؟
انرژی زمینگرمایی یا ژئوترمال بهگفتن یک منبع پایدار از انرژی، از گرمای زمین نشأت میگیرد. گرمای تشکیلشده در اعماق زمین بهطور مداوم توسط فرایندهای طبیعی همانند جریانهای همرفتی به سطح منتقل شده و در لایههای فوقانی پوسته زمین ذخیره میشود. با منفعت گیری از تجهیزات و با بهکارگیری فناوریهایی، میتوان این انرژی را از زمین استخراج و از آن منفعت گیری کرد.
انرژی زمین گرمایی در دسته انرژیهای تجدیدپذیر و پاک قرار میگیرد و با دقت به این که منبع پایداری برای تشکیل انرژی است، گزینهای مناسب و قابلمطمعن برای فراهم نیازهای انرژی در تعداد بسیاری از نقاط جهان محسوب میشود.
منبع تشکیل انرژی تجدیدپذیر زمین گرمایی
زمین منبع عظیمی از انرژی گرمایی است؛ بهطوری که حرارت در هسته آن به ۵۵۰۰ درجه سانتیگراد میرسد. بهطور کلی، گرمای زمین را میتوان نزدیک به ۱۰۲۴×۱۲.۶ مگاژول تخمین زد. این گرما زیاد زیاد است اما تنها قسمت کوچکی از آن قابل منفعتبرداری است. بر پایه پژوهشها، پتانسیل زمینگرمایی بهازای هر ۱۰ هزار متر از سطح زمین، معادل انرژی حاصل از ۵۰ هزار منبع نفت و گاز در سراسر دنیاست.
گرمای دورنی زمین از دو طریق فراهم میشود:
- گرمای ذخیرهشده در هسته
- تجزیه رادیواکتیو عناصر سنگینی همانند اورانیوم و توریم.
هسته؛ منبع تشکیل گرمای درونی زمین
هسته زمین عمدتاً از آهن و نیکل مذاب راه اندازی شده است. بهعلت سختی گرانشی و دمای بالا، هسته زمین زیاد داغ است (۵۵۰۰ درجه سانتیگراد) و گرمای بسیاری تشکیل میکند. این گرما توسط جریانهای همرفتی به گوشته و سپس به پوسته زمین منتقل میشود و اگر مانعی بر سر راهش قرار نگیرد، به سطح زمین راه مییابد. ماگماها که بعد از فوران آتشفشانها روی زمین جاری خواهد شد، بهترین مثال برای توصیف این فرایند می باشند. ماگما، سنگهای حاضر در مرز گوشته و پوسته زمین می باشند که در تاثییر گرمای شدید هسته، ذوب شدهاند.
اما عامل مهم و پایدارکننده گرمای درونی زمین، وجود عناصر رادیواکتیو همانند اورانیوم و توریم در اعماق زمین است. این عناصر که در زمان شکلگیری کره زمین، در لایههای گوناگون آن بهوجود آمدهاند، نیمهعمر زیاد طویل دارند و طی میلیاردها سال واپاشی میکنند. به همین علت است که با وجود گذشت میلیاردها سال از راه اندازی زمین، تا این مدت مقادیر قابلتوجهی از این عناصر رادیواکتیو در اعماق زمین وجود دارد.
تجزیه رادیواکتیو در همه لایههای زمین رخ میدهد، اما چگالی عناصر رادیواکتیو در لایههای گوناگون، متفاوت است. بهطور کلی، هرچه بهسمت عمق زمین پیش برویم، چگالی این عناصر زیاد تر میشود.
انرژی زمین گرمایی چه کاربردهایی دارد؟
موارد منفعت گیری از انرژی زمینگرمایی را میتوان به سه دسته تقسیم کرد: کاربردهای مستقیم، پمپهای حرارتی زمینگرمایی (GHP) و تشکیل برق.
کاربردهای مستقیم
یکی از متداولترین کاربرد انرژی زمینگرمایی، منفعت گیری مستقیم از آب گرم زیرزمینی بدون نیاز به تجهیزات تخصصی است. همه کاربردهای مستقیم از منبع های زمینگرمایی با دمای پایین، نزدیک به ۵۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد، منفعت گیری میکنند.
کاربردهای مستقیم زمینگرمایی شامل منفعت گیری از حرارت زمین برای گرمایش ساختمانها (مسکونی، تجاری و صنعتی)، فراهم آب گرم و گرمکردن گلخانهها، زمینهای کشاورزی و حوضچههای پرورش ماهی است. برخی کشورها همانند ایسلند از این تکنولوژی برای گرمایش شهری منفعت گیری میکنند.
پمپهای حرارتی زمینگرمایی (GHP)
پمپهای حرارتی زمینگرمایی ازجمله فناوریهایی می باشند که بدون منفعت گیری از سیالهای زمینگرمایی، از گرمای حاضر در خاک یا سفرههای آب زیرزمینی منفعت میگیرند. این سیستمها در عمق کم زیر زمین (نزدیک به ۳۰۰ متر) و در مجاورت ساختمان نصب خواهد شد. در این عمق دما نزدیک به ۱۰ تا ۱۶ درجه سانتیگراد است و گرمای زمین میتواند برای گرم کردن ساختمانها منفعت گیری شود.
در این روش، لولههایی بهصورت افقی یا عمودی زیر زمین قرار میگیرند (طبق معمولً در یک حلقه بسته) و با گردش محلول، همانند 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.

GHPها زیاد کارآمد می باشند و ۲۵ تا ۵۰ درصد کمتر از سیستمهای گرمایش و سرمایش معمولی برق مصرف میکنند.
تشکیل برق
انرژی زمینگرمایی بهگفتن یک منبع تجدیدپذیر و پایدار، میتواند برای تشکیل برق منفعت گیری شود. در نیروگاههای زمینگرمایی، با کنترل بخار و هدایت آن بهسمت توربینها، برق تشکیل میشود. در برخی نیروگاهها میتوان با منفعت گیری از این انرژی، تا 1000 مگاوات برق تشکیل کرد.
استخراج لیتیوم
یکی از کاربردهای نوین و مهم انرژی زمینگرمایی، استخراج لیتیوم از محلولهای زمینگرمایی است. لیتیوم بهگفتن یک ماده کلیدی برای ساخت باتریهای قابل شارژ، درحال تبدیلشدن به یکی از عناصر حیاتی در صنعت خودروهای الکتریکی و ذخیرهسازی انرژی است.
در برخی از پروژهها، آبهای داغ زمینگرمایی که از عمق زمین استخراج خواهد شد، حاوی مقادیر قابلتوجهی از لیتیوم می باشند. در این راستا، ایالات متحده اندوختهگذاری سنگینی در زنجیره فراهم داخلی لیتیوم باکیفیت انجام داده است. یکی از مثالهای بارز این کوششها، «ابتکار مواد باتری آمریکایی» (ABM) است.
منطقه شناختهشده دریای سالتون در کالیفرنیا، بهگفتن یک منبع بالقوه لیتیوم برای ایالات متحده شناسایی شده. این منطقه بهعلت وجود لیتیوم در آبهای مخازن زمینگرمایی موردتوجه قرار گرفته است.
استخراج انرژی زمین گرمایی و تشکیل برق
متداولترین روش منفعتبرداری از انرژی زمینگرمایی، دسترسی به مخازن طبیعی آبهای گرم زیرزمینی است که بهگفتن منبع های هیدروترمال شناخته خواهد شد. در این روش، بسته به شرایط زمینشناسی و دسترسی به مخازن، چاههایی به عمق ۱ تا ۵ کیلومتر حفر میشود تا از انرژی گرمایی مخازن منفعت گیری شود.
منبع های زمینگرمایی به سه دسته مهم تقسیم خواهد شد: منبع با دمای بالا (بیشتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد)، منبع با دمای متوسط (بین ۹۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد) و منبع با دمای پایین (کمتر از ۹۰ درجه سانتیگراد). بیشتر از ۷۰ درصد از منبع های زمینگرمایی جهان از نوع منبع با دمای پایین می باشند.
انتخاب فناوری تبدیل انرژی زمینگرمایی به دیگر انرژیها، همانند الکترسیته، بر پایه خواص ترمودینامیکی آب یا بخار زمینگرمایی انجام میشود. خواص ترمودینامیکی، بهاختصاصی دما، بر نوع کاربرد منبع و فناوری تبدیل انرژی تأثیر میگذارد.
توربینهای بخار برای تشکیل برق طبق معمولً در دماهای بالای ۱۸۰ درجه سانتیگراد عمل میکنند، درحالیکه کاربردهای غیرالکتریکی میتوانند از منبع های زمینگرمایی با دماهای بین ۴۰ تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد بهطور مؤثر منفعت گیری کنند.
طراحی عملیاتی نیروگاههای زمینگرمایی همانند به 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 زمین گرمایی

نیروگاههای بخار خشک
در این نیروگاهها، از بخار داغ با دمای بیشتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد منفعت گیری 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 درنتیجه برق تشکیل میشود.
بعد 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 میشود. در این مرحله بخار به آب تبدیل میشود و آب خنکشده به مخازن زیرزمینی بازگردانده میشود تا مجدد گرم شود و چرخه بازیابی ادامه یابد.
این فرایند علتمیشود که نیروگاهها منفعتوری بالاتری داشته باشند و از کم شدن سختی در مخازن زیرزمینی جلوگیری شود؛ ضمن این که چرخه استخراج انرژی بهصورت مداوم و پایدار ادامه یابد.
نیروگاههای بخار خشک در جهان زیاد کمیاب می باشند، چون دستیابی به منبع های زیرزمینی که بتوانند بخاری با دمای بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد تشکیل کنند، دشوار و نادر است. تنها تعداد محدودی از این منبع های در مناطق خاصی وجود دارند؛ ازجمله لاردرلو در ایتالیا، آبفشان قدیمی در کالیفرنیا (آمریکا)، السالوادور، ژاپن و مکزیک. این مناطق بهگفتن با اهمیت ترین مراکز فعال انرژی زمینگرمایی در جهان شناخته خواهد شد و از ظرفیت بالایی برای تشکیل انرژی (تا ۹۰۰ مگاوات) برخوردارند.
نیروگاههای بخار فلاش
در این سیستم، آب داغ (آب داغ که طبق معمولً بین ۱۵۰ تا ۳۷۰ درجه سانتیگراد است) یا بخار مستقیماً از منبع زیرزمینی به یک جداکننده (Separator) منتقل میشود. در این مرحله، آب داغ با افت سختی ناگهانی روبه رو میشود که این افت سختی علتمیشود بخشی از آب به بخار تبدیل شود. بخار تولیدشده سپس به یک توربین بخار هدایت میشود.
توربین با منفعت گیری از انرژی بخار، ژنراتوری را به حرکت درمیآورد و برق تشکیل میکند. بعد 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 فرایند جداکننده خارج شده، مجدداً به منبع زمینگرمایی تزریق میشود تا چرخه تشکیل انرژی مجدد تکرار شود.
سیستم فلاش را میتوان تعداد بر پایه مرحله های تشکیل بخار، به تکفلاش، دوفلاش یا سهفلاش دستهبندی کرد. این سیستم بهعلت منفعت گیری غالب از آب داغ بهجای بخار، یکی از مناسبترین راه حلها برای تشکیل برق در نیروگاههای زمینگرمایی محسوب میشود. ظرفیت تشکیل برق این نیروگاهها تا ۵۰۰ مگاوات متغیر است.
نیروگاههای سیکل باینری (دوفازی)
در این نیروگاهها دو سیال گوناگون در یک سیستم حلقه بسته بهکار گرفته خواهد شد. یکی سیال زمینگرمایی است که از منبع های زیرزمینی بهدست میآید و فرد دیگر یک سیال آلی با نقطه جوش پایین، همانند ایزوبوتان یا پنتافلوئوروپروپان (پنتا فلوئورو پروپان)، است که بهگفتن سیال عامل (Working Fluid) عمل میکند. این چرخه بهطوری طراحی شده است که از انرژی زمینگرمایی با دماهای پایین و متوسط (۸۵ تا ۱۷۰ درجه سانتیگراد) منفعت گیری کند.
در این فرایند، 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 علتتبخیر 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. درنهایت، این حرکت مکانیکی به ژنراتور منتقل شده و برق تشکیل میشود.
بعد 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 چرخه بسته علتمیشود که سیال زمینگرمایی با سیال آلی مخلوط نشود و همزمان بتوان انرژی زمینگرمایی را بهطور مؤثر به انرژی برق تبدیل کرد.

نیروگاههای هیبریدی
در این نیروگاهها از ترکیب دو یا چند منبع انرژی گوناگون یا ترکیب چند چرخه حرارتی منفعت گیری میشود تا منفعتوری و تشکیل برق به حداکثر برسد. این نیروگاهها میتوانند از ترکیب منبع های انرژی همچون انرژی زمینگرمایی، خورشیدی، سوختهای فسیلی (همانند زغالسنگ و گاز)، یا منبع های زیستتوده منفعت گیری کنند. مقصد از طراحی نیروگاههای هیبریدی، افزایش بازدهی و کارایی سیستم، افت هزینههای تشکیل برق و منفعتبرداری حداکثری از منبع های طبیعی است.
چالشهای منفعتبرداری 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 راه اندازی خواهند داد و نرخ رشد ظرفیت زیاد آهستهای را در قیاس با دیگر منبع های انرژی تجدیدپذیر دارند. بهطور کلی، چند علت مهم مانع منفعت گیری گسترده از این انرژی در مقیاس جهانی شده است:
محدودیت جغرافیایی: مناطق خاصی روی کره زمین برای احداث نیروگاه و انجام حفاری مناسب می باشند. این مناطق بایستی مکانهایی فعالیتهای زمینساختی بالا، همانند نقاط فعال آتشفشانی یا چشمههای آب گرم باشند. تعداد بسیاری از کشورها یا مناطق، دسترسی محدودی به این منبع های دارند.
هزینههای بالای اولیه: طبق معمولً گسترش و ساخت نیروگاههای زمینگرمایی هزینهبر است. دسترسی به منبع های گرمایی زیرزمینی نیازمند حفاریهای عمیق و منفعت گیری از فناوریهای پیچیده است که بهنوبهخود اندوختهگذاری اولیه بسیاری نیاز دارد. بعضی اوقات امکان پذیر فرایند حفاری در مناطقی که ساختار زمینشناسی پیچیده دارد، با مشکلات فنی مواجه شود. این چنین خطرات زمینلرزههای کوچک (میکروزلزله) در نتیجه حفاریهای عمیق نیز بهگفتن یک چالش نقل میشود.
زمان طویل برگشت اندوخته: برگشت اندوخته در نیروگاههای زمینگرمایی، بهعلت هزینههای بالای اولیه و نیاز به نگهداری طویلزمان، زمانبر است. از زمان حفر اولین چاه تا زمان راهاندازی نیروگاه زمین گرمایی مرکزی برای منفعتبرداری نزدیک به ۵ تا ۱۰ سال طول میکشد.
اثرات محیطی محلی: با وجود این که انرژی زمین گرمایی کربندیاکسید، ذرات معلق و دیگر مواد سمی کمتری تشکیل میکند و ازاینرو، انرژی پاک محسوب میشود، اما در برخی موارد، نیروگاههای زمینگرمایی امکان پذیر اثرات محیطی محلی همانند انتشار کردن بوی گوگرد یا تغییرات هیدرولوژیکی تشکیل کنند که علتنگرانیهای زیستمحیطی در سطح محلی میشود.
بااینحال، پیشرفتهای تکنولوژیک و بهبود در راه حلهای حفاری و منفعتبرداری، میتواند این چالشها را افت دهد و انرژی زمینگرمایی را به جانشین مناسبی برای منبع های تجدیرناپذیر انرژی، همانند سوختهای فسیلی تبدیل کند.
انرژی زمین گرمایی در ایران
ایران بهعلت موقعیت جغرافیایی و قرارگیری در مرزهای تکتونیکی، پتانسیل بالایی برای منفعتبرداری از انرژی زمینگرمایی دارد. سختی ناشی از حرکت صفحات قارهای، همانند صفحه عربستان و صفحه اقیانوس هند، تبدیل تشکیل تغییرات زمینشناسی و چینخوردگیهایی در نواحی زاگرس شده که نشاندهنده فعالیتهای تکتونیکی و آتشفشانی در سرزمین است.
علاوهبراین، وجود چشمههای آب گرم و فعالیتهای آتشفشانی متعدد، مشخص می کند که ایران دارای منبع های عظیم زمینگرمایی است. برآوردها مشخص می کند که ایران قادر است بیشتر از ۲۰۰ مگاوات برق از انرژی زمینگرمایی تشکیل کند.
نیروگاه زمینگرمایی مشگینشهر در استان اردبیل، یکی از نیروگاههای ایران از نوع زمینگرمایی با ظرفیت تشکیل ۵۵ مگاوات است. این نیروگاه با مقصد منفعتبرداری از منبع های زمینگرمایی در منطقه سبلان و فراهم انرژی پاک و پایدار، درحال گسترش است. اکنون، نیروگاه مشکینشهر بهجستوجو افزایش ظرفیت تشکیل برق است.

ایران دارای چندین منطقه مستعد دیگر برای گسترش انرژی زمینگرمایی است که اکنون در مرحله های اکتشاف و برسی قرار دارند. این مناطق شامل مناطق دماوند، سبلان، سرعین و خوی خواهد شد.
بهطور کلی، با دقت به پتانسیل عظیم انرژی زمینگرمایی در ایران و برنامههای گسترشای سرزمین، پیشبینی میشود که این منبع انرژی تجدیدپذیر در سالهای آینده نقش پررنگتری در فراهم انرژی سرزمین داشته باشد.
خلاصه
گرمای تشکیلشده در اعماق زمین بهطور مداوم توسط فرایندهای طبیعی همانند جریانهای همرفتی به سطح منتقل شده و در لایههای فوقانی پوسته زمین ذخیره میشود. به این انرژی، انرژی ژیٔوترمال یا زمین گرمایی میگویند که در دسته انرژیهای تجدیدپذیر و پاک قرار میگیرد. با دقت به این که منبع تشکیل این انرژی پایدار است، گزینهای مناسب و قابلمطمعن برای فراهم نیازهای انرژی در تعداد بسیاری از نقاط جهان محسوب میشود. از انرژی زمین گرمایی میتوان در تشکیل برق منفعت گیری کرد.
سؤالات متداول
بله؛ انرژی زمینگرمایی یک منبع تجدیدپذیر و پایدار است که از گرمای درونی زمین نشأت میگیرد. این گرما بهعلت فرایندهای طبیعی همانند تجزیه مواد رادیواکتیو در هسته زمین، بهطور مداوم تشکیل میشود و در طول زمان از بین نمیرود. با استخراج هوشمندانه و مدیریت مناسب منبع های زمینگرمایی، میتوان از این انرژی بهصورت مستمر و بدون افت منبع منفعتبرداری کرد.
بله؛ دمای ماگماها بیشتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است و میتوان از آنها برای تشکیل برق منفعت گیری کرد؛ هرچند این فناوری تا این مدت در مرحله های تحقیقاتی و گسترش بوده و بهطور گسترده مورد منفعت گیری قرار نگرفته است. یکی از راه حلهای ممکن برای منفعت گیری از گدازهها شامل انتقال گرمای آنها به سیالاتی است که میتوانند به بخار تبدیل شوند (شبیه آنچه در نیروگاههای زمینگرمایی معمول است). بااینحال، کنترل و مهار گرمای زیاد زیاد و بیارامش گدازهها چالشبرانگیز است و همین قضیه جهت میشود که منفعت گیری عملی از این منبع های با محدودیتهای فنی روبه رو باشد.
انرژی زمینگرمایی برخلاف انرژیهای بادی و خورشیدی، به شرایط آبوهوایی وابسته نیست و میتواند بهصورت دائمی و بدون وقفه، برق پایدار تشکیل کند. علاوهبراین، انتشار کردن زیاد کم گازهای گلخانهای و آلایندهها در طول تشکیل انرژی، این منبع را به یکی از پاکترین منبع های انرژی تبدیل کرده که میتواند در افت تغییرات اقلیمی و اثرات زیستمحیطی پشتیبانی کند. از نظر اقتصادی نیز انرژی زمینگرمایی میتواند در درازمدت هزینههای تشکیل برق و گرمایش را افت دهد.
دسته بندی مطالب