انرژی زمین‌ گرمایی چیست؟ از نحوه تولید و استخراج تا کاربردها

تنها چند کیلومتر زیر پای ما، مقدار زیادی انرژی نهفته است که به‌طور بالقوه، می‌تواند بهترین راه برای تأمین انرژی پایدار و قابل‌اعتماد باشد. این انرژی که ناشی از گرمای تولیدشده در اعماق زمین است، «انرژی زمین گرمایی» یا «geothermal» نام دارد. اگرچه درحال‌حاضر این انرژی کمتر از 1 درصد از ظرفیت تولید برق جهان را تشکیل می‌دهد، اما پتانسیل آن را دارد که به یکی از پل‌های اصلی گذار به منابع انرژی سبز تبدیل شود.

انرژی زمین گرمایی چیست؟

انرژی زمین‌گرمایی یا ژئوترمال به‌عنوان یک منبع پایدار از انرژی، از گرمای زمین نشأت می‌گیرد. گرمای تولید‌شده در اعماق زمین به‌طور مداوم توسط فرایندهای طبیعی مانند جریان‌های همرفتی به سطح منتقل شده و در لایه‌های فوقانی پوسته زمین ذخیره می‌شود. با استفاده از تجهیزات و با به‌کارگیری فناوری‌هایی، می‌توان این انرژی را از زمین استخراج و از آن استفاده کرد.

انرژی زمین گرمایی در دسته انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک قرار می‌گیرد و با توجه به اینکه منبع پایداری برای تولید انرژی است، گزینه‌ای مناسب و قابل‌اعتماد برای تأمین نیازهای انرژی در بسیاری از نقاط جهان محسوب می‌شود.

منبع تولید انرژی تجدیدپذیر زمین گرمایی

زمین منبع عظیمی از انرژی گرمایی است؛ به‌طوری که حرارت در هسته آن به 5500 درجه سانتیگراد می‌رسد. به‌طور کلی، گرمای زمین را می‌توان حدود 10²⁴×12.6 مگاژول تخمین زد. این گرما بسیار زیاد است اما تنها بخش کوچکی از آن قابل بهره‌برداری است. براساس پژوهش‌ها، پتانسیل زمین‌گرمایی به‌ازای هر 10 هزار متر از سطح زمین، معادل انرژی حاصل از 50 هزار منبع نفت و گاز در سراسر دنیاست.

گرمای دورنی زمین از دو طریق تأمین می‌شود:

• گرمای ذخیره‌شده در هسته
• تجزیه رادیواکتیو عناصر سنگینی مانند اورانیوم و توریم.

هسته؛ منبع تولید گرمای درونی زمین

هسته زمین عمدتاً از آهن و نیکل مذاب تشکیل شده است. به‌دلیل فشار گرانشی و دمای بالا، هسته زمین بسیار داغ است (5500 درجه سانتیگراد) و گرمای زیادی تولید 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 پس از فوران آتش‌فشان‌ها روی زمین جاری می‌شوند، بهترین مثال برای توصیف این فرایند هستند. ماگما، سنگ‌های موجود در مرز گوشته و پوسته زمین هستند که در اثر گرمای شدید هسته، ذوب شده‌اند.

اما عامل اصلی 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 مختلف آن به‌وجود آمده‌اند، نیمه‌عمر بسیار طولانی دارند و طی میلیاردها سال واپاشی می‌کنند. به همین دلیل است که با وجود گذشت میلیاردها سال از تشکیل زمین، هنوز مقادیر قابل‌توجهی از این عناصر رادیواکتیو در اعماق زمین وجود دارد.

تجزیه رادیواکتیو در تمام لایه‌های زمین رخ می‌دهد، اما چگالی عناصر رادیواکتیو در لایه‌های مختلف، متفاوت است. به‌طور کلی، هرچه به‌سمت عمق زمین پیش برویم، چگالی این عناصر بیشتر می‌شود.

انرژی زمین گرمایی چه کاربردهایی دارد؟

موارد استفاده از انرژی زمین‌گرمایی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: کاربردهای مستقیم، پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی (GHP) و تولید برق.

کاربردهای مستقیم

یکی از متداول‌ترین کاربرد انرژی زمین‌گرمایی، استفاده مستقیم از آب گرم زیرزمینی بدون نیاز به تجهیزات تخصصی است. همه کاربردهای مستقیم از منابع زمین‌گرمایی با دمای پایین، حدود ۵۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد، استفاده می‌کنند.

کاربردهای مستقیم زمین‌گرمایی شامل استفاده از حرارت زمین برای گرمایش ساختمان‌ها (مسکونی، تجاری و صنعتی)، تأمین آب گرم و گرم‌کردن گلخانه‌ها، زمین‌های کشاورزی و حوضچه‌های پرورش ماهی است. برخی کشورها مانند ایسلند از این تکنولوژی برای گرمایش شهری استفاده می‌کنند.

پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی (GHP)

پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی ازجمله فناوری‌هایی هستند که بدون استفاده از سیال‌های زمین‌گرمایی، از گرمای موجود در خاک یا سفره‌های آب زیرزمینی بهره می‌گیرند. این سیستم‌ها در عمق کم زیر زمین (حدود 300 متر) و در مجاورت ساختمان نصب می‌شوند. در این عمق دما حدود 10 تا 16 درجه سانتیگراد است و گرمای زمین می‌تواند برای گرم کردن ساختمان‌ها استفاده شود.

در این روش، لوله‌هایی به‌صورت افقی یا عمودی زیر زمین قرار می‌گیرند (معمولاً در یک حلقه بسته) و با گردش محلول، مثل 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 بسیار کارآمد هستند و ۲۵ تا ۵۰ درصد کمتر از سیستم‌های گرمایش و سرمایش معمولی برق مصرف می‌کنند.

تولید برق

انرژی زمین‌گرمایی به‌عنوان یک منبع تجدیدپذیر و پایدار، می‌تواند برای تولید برق استفاده شود. در نیروگاه‌های زمین‌گرمایی، با کنترل بخار و هدایت آن به‌سمت توربین‌ها، برق تولید می‌شود. در برخی نیروگاه‌ها می‌توان با استفاده از این انرژی، تا 1000 مگاوات برق تولید کرد.

استخراج لیتیوم

یکی از کاربردهای نوین و مهم انرژی زمین‌گرمایی، استخراج لیتیوم از محلول‌های زمین‌گرمایی است. لیتیوم به‌عنوان 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 می‌شوند، حاوی مقادیر قابل‌توجهی از لیتیوم هستند. در این راستا، ایالات متحده سرمایه‌گذاری سنگینی در زنجیره تأمین داخلی لیتیوم باکیفیت انجام داده است. یکی از نمونه‌های بارز این تلاش‌ها، «ابتکار مواد باتری آمریکایی» (ABM) است.

منطقه شناخته‌شده دریای سالتون در کالیفرنیا، به‌عنوان یک منبع بالقوه لیتیوم برای ایالات متحده شناسایی شده. این منطقه به‌دلیل وجود لیتیوم در آب‌های مخازن زمین‌گرمایی موردتوجه قرار گرفته است.

استخراج انرژی زمین گرمایی و تولید برق

متداول‌ترین روش بهره‌برداری از انرژی زمین‌گرمایی، دسترسی به مخازن طبیعی آب‌های گرم زیرزمینی است که به‌عنوان منابع هیدروترمال شناخته می‌شوند. در این روش، بسته به شرایط زمین‌شناسی و دسترسی به مخازن، چاه‌هایی به عمق 1 تا 5 کیلومتر حفر می‌شود تا از انرژی گرمایی مخازن استفاده شود.

منابع زمین‌گرمایی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: منبع با دمای بالا (بیش از ۱۵۰ درجه سانتیگراد)، منبع با دمای متوسط (بین ۹۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد) و منبع با دمای پایین (کمتر از ۹۰ درجه سانتیگراد). بیش از ۷۰ درصد از منابع زمین‌گرمایی جهان از نوع منبع با دمای پایین هستند.

انتخاب فناوری تبدیل انرژی زمین‌گرمایی به سایر انرژی‌ها، مثل الکترسیته، براساس خواص ترمودینامیکی آب یا بخار زمین‌گرمایی انجام می‌شود. خواص ترمودینامیکی، به‌ویژه دما، بر نوع کاربرد منبع و فناوری تبدیل انرژی تأثیر می‌گذارد.

توربین‌های بخار برای تولید برق معمولاً در دماهای بالای ۱۸۰ درجه سانتیگراد عمل می‌کنند، درحالی‌که کاربردهای غیرالکتریکی می‌توانند از منابع زمین‌گرمایی با دماهای بین ۴۰ تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد به‌طور مؤثر استفاده کنند.

طراحی عملیاتی نیروگاه‌های زمین‌گرمایی شبیه 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 براساس 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 بیش از ۲۰۰ درجه سانتیگراد استفاده 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 تولید می‌شود.

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

این فرایند باعث می‌شود که نیروگاه‌ها بهره‌وری بالاتری داشته باشند و از افت 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، زیرا دستیابی به منابع زیرزمینی که بتوانند بخاری با دمای بالاتر از 200 درجه سانتیگراد تولید کنند، دشوار و نادر است. تنها تعداد محدودی از این منابع در مناطق خاصی وجود دارند؛ ازجمله لاردرلو در ایتالیا، آبفشان قدیمی در کالیفرنیا (آمریکا)، السالوادور، ژاپن و مکزیک. این مناطق به‌عنوان مهم‌ترین مراکز فعال انرژی زمین‌گرمایی در جهان شناخته می‌شوند و از ظرفیت بالایی برای تولید انرژی (تا 900 مگاوات) برخوردارند.

نیروگاه‌های بخار فلاش

در این سیستم، آب داغ (آب داغ که معمولاً بین 150 تا 370 درجه سانتیگراد است) یا بخار مستقیماً از منبع زیرزمینی به یک جداکننده (Separator) منتقل می‌شود. در این مرحله، آب داغ با کاهش فشار ناگهانی مواجه می‌شود که این کاهش فشار باعث می‌شود بخشی از آب به بخار تبدیل شود. بخار تولیدشده سپس به یک توربین بخار هدایت می‌شود.

توربین با استفاده 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 فرایند جداکننده خارج شده، مجدداً به منبع زمین‌گرمایی تزریق می‌شود تا چرخه تولید انرژی دوباره تکرار شود.

سیستم فلاش را می‌توان تعداد براساس مراحل تولید بخار، به تک‌فلاش، دوفلاش یا سه‌فلاش دسته‌بندی کرد. این سیستم به‌دلیل استفاده غالب از آب داغ به‌جای بخار، یکی از مناسب‌ترین روش‌ها برای تولید برق در نیروگاه‌های زمین‌گرمایی محسوب می‌شود. ظرفیت تولید برق این نیروگاه‌ها تا 500 مگاوات متغیر است.

نیروگاه‌های سیکل باینری (دوفازی)

در این نیروگاه‌ها دو سیال مختلف در یک سیستم حلقه بسته به‌کار گرفته می‌شوند. یکی سیال زمین‌گرمایی است که از منابع زیرزمینی به‌دست می‌آید و دیگری یک سیال آلی با نقطه جوش پایین، مانند ایزوبوتان یا پنتا‌فلوئوروپروپان (پنتا فلوئورو پروپان)، است که به‌عنوان سیال عامل (Working Fluid) عمل می‌کند. این چرخه به‌گونه‌ای طراحی شده است که از انرژی زمین‌گرمایی با دماهای پایین و متوسط (85 تا 170 درجه سانتیگراد) استفاده 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 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. درنهایت، این حرکت مکانیکی به ژنراتور منتقل شده و برق تولید می‌شود.

پس از عبور از توربین، سیال عامل به یک کندانسور هدایت می‌شود تا دوباره به حالت مایع تبدیل شود. سپس سیال مایع‌شده دوباره به مبدل حرارتی بازگردانده می‌شود تا این چرخه تکرار شود. این چرخه بسته باعث می‌شود 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 مختلف یا ترکیب چند چرخه حرارتی استفاده 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 استفاده کنند. 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 1 درصد از ظرفیت جهانی برق را تشکیل می‌دهند و نرخ رشد ظرفیت بسیار آهسته‌ای را در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدیدپذیر دارند. به‌طور کلی، چند دلیل اصلی مانع استفاده 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 بایستی مکان‌هایی فعالیت‌های زمین‌ساختی بالا، مانند نقاط فعال آتشفشانی یا چشمه‌های آب گرم باشند. بسیاری از کشورها یا مناطق، دسترسی محدودی به این منابع دارند.

هزینه‌های بالای اولیه: معمولاً توسعه و ساخت نیروگاه‌های زمین‌گرمایی هزینه‌بر است. دسترسی به منابع گرمایی زیرزمینی نیازمند حفاری‌های عمیق و استفاده از فناوری‌های پیچیده است که به‌نوبه‌خود سرمایه‌گذاری اولیه زیادی نیاز دارد. گاهی ممکن است فرایند حفاری در مناطقی که ساختار زمین‌شناسی پیچیده دارد، با مشکلات فنی روبه‌رو شود. همچنین خطرات زمین‌لرزه‌های کوچک (میکروزلزله) در نتیجه حفاری‌های عمیق نیز به‌عنوان یک چالش مطرح می‌شود.

زمان طولانی بازگشت سرمایه: بازگشت سرمایه در نیروگاه‌های زمین‌گرمایی، به‌دلیل هزینه‌های بالای اولیه و نیاز به نگهداری طولانی‌مدت، زمان‌بر است. از زمان حفر اولین چاه تا زمان راه‌اندازی نیروگاه زمین گرمایی مرکزی برای بهره‌برداری حدود 5 تا 10 سال طول می‌کشد.

اثرات محیطی محلی: با وجود اینکه انرژی زمین گرمایی کربن‌دی‌اکسید، ذرات معلق و سایر مواد سمی کمتری تولید می‌کند و ازاین‌رو، 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 روش‌های حفاری و بهره‌برداری، می‌تواند این چالش‌ها را کاهش دهد و انرژی زمین‌گرمایی را به جایگزین مناسبی برای منابع تجدیرناپذیر انرژی، مثل سوخت‌های فسیلی تبدیل کند.

انرژی زمین گرمایی در ایران

ایران به‌دلیل موقعیت جغرافیایی و قرارگیری در مرزهای تکتونیکی، پتانسیل بالایی برای بهره‌برداری از انرژی زمین‌گرمایی دارد. فشار ناشی از حرکت صفحات قاره‌ای، مانند صفحه عربستان و صفحه اقیانوس هند، منجر به ایجاد تغییرات زمین‌شناسی و چین‌خوردگی‌هایی در نواحی زاگرس شده که نشان‌دهنده فعالیت‌های تکتونیکی و آتشفشانی در کشور است.

علاوه‌براین، وجود چشمه‌های آب گرم و فعالیت‌های آتشفشانی متعدد، نشان می‌دهد 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 تأمین انرژی پاک و پایدار، درحال توسعه است. درحال‌حاضر، نیروگاه مشکین‌شهر به‌دنبال افزایش ظرفیت تولید برق است.

ایران دارای چندین منطقه مستعد دیگر برای توسعه انرژی زمین‌گرمایی است که درحال‌حاضر در مراحل اکتشاف و ارزیابی قرار دارند. این مناطق شامل مناطق دماوند، سبلان، سرعین و خوی می‌شوند.

به‌طور کلی، با توجه به پتانسیل عظیم انرژی زمین‌گرمایی در ایران و برنامه‌های توسعه‌ای کشور، پیش‌بینی می‌شود که این منبع انرژی تجدیدپذیر در سال‌های آینده نقش پررنگ‌تری در تأمین انرژی کشور داشته باشد.

خلاصه

گرمای تولید‌شده در اعماق زمین به‌طور مداوم توسط فرایندهای طبیعی مانند 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 توجه به اینکه منبع تولید این انرژی پایدار است، گزینه‌ای مناسب و قابل‌اعتماد برای تأمین نیازهای انرژی در بسیاری از نقاط جهان محسوب می‌شود. از انرژی زمین گرمایی می‌توان در تولید برق استفاده کرد.

سؤالات متداول