انرژی ژئوترمال یا زمین‌گرمایی، یکی از منابع تجدیدپذیر انرژی است که از گرمای طبیعی درون زمین برای تولید برق و گرمایش استفاده می‌کند. این انرژی، که از فرآیندهای طبیعی مانند واپاشی هسته‌ای و گرمای باقی‌مانده از تشکیل زمین سرچشمه می‌گیرد، در مناطقی با فعالیت زمین‌شناختی بالا مانند چشمه‌های آب گرم و گسل‌ها به‌راحتی قابل دسترسی است. سیستم‌های ژئوترمال به دلیل پایداری، قابلیت تولید مداوم و انتشار کربن پایین، جایگزینی مناسب برای سوخت‌های فسیلی هستند.
انرژی ژئوترمال چیست؟
انرژی ژئوترمال به گرمای ذخیره‌شده در پوسته و گوشته زمین اشاره دارد که از طریق فرآیندهای طبیعی مانند واپاشی عناصر رادیواکتیو و گرمای اولیه زمین تولید می‌شود. این گرما در قالب چشمه‌های آب گرم، گدازه‌ها یا مخازن بخار زیرزمینی قابل دسترسی است. سیستم‌های ژئوترمال از این گرما برای تولید برق یا گرمایش مستقیم استفاده می‌کنند. برخلاف انرژی‌های خورشیدی و بادی که به شرایط جوی وابسته‌اند، ژئوترمال قابلیت تولید مداوم 24 ساعته را دارد. این انرژی به‌ویژه در کشورهایی مانند ایسلند، فیلیپین و ایالات متحده که دارای منابع زمین‌گرمایی غنی هستند، پرکاربرد است. ظرفیت جهانی تولید برق ژئوترمال در سال 2023 حدود 16 گیگاوات بود، که تنها بخش کوچکی از پتانسیل جهانی آن است.
منشأ گرمای درونی زمین
گرمای درونی زمین از دو منبع اصلی تأمین می‌شود: واپاشی هسته‌ای عناصر رادیواکتیو مانند اورانیوم، توریم و پتاسیم در پوسته و گوشته، و گرمای اولیه ناشی از تشکیل سیاره زمین حدود 4.6 میلیارد سال پیش. واپاشی رادیواکتیو حدود 50 درصد از گرمای زمین را تولید می‌کند، در حالی که گرمای اولیه، که از فشردگی مواد در طول شکل‌گیری زمین و تفکیک هسته و گوشته به وجود آمده، بقیه را تأمین می‌کند. این گرما از هسته (با دمای حدود 6000 درجه سانتی‌گراد) به پوسته منتقل می‌شود و در مناطقی با گسل‌ها یا پوسته نازک (مانند حلقه آتش اقیانوس آرام) به سطح نزدیک‌تر است. جریان حرارتی زمین به‌طور متوسط 87 میلی‌وات بر متر مربع است، اما در مناطق ژئوترمال می‌تواند تا 10 برابر بیشتر باشد.
کاربرد انرژی زمین‌گرمایی
انرژی ژئوترمال کاربردهای متنوعی دارد. تولید برق اصلی‌ترین کاربرد است که در نیروگاه‌های ژئوترمال با استفاده از بخار یا آب داغ زیرزمینی انجام می‌شود. گرمایش مستقیم برای گرم کردن ساختمان‌ها، گلخانه‌ها و مزارع پرورش ماهی در کشورهایی مانند ایسلند و ترکیه رایج است. گرمایش منطقه‌ای (District Heating) در شهرهایی مانند ریکیاویک، گرمای ژئوترمال را از طریق لوله‌کشی به منازل منتقل می‌کند. کاربردهای صنعتی شامل خشک کردن محصولات کشاورزی، تولید مواد شیمیایی و فرآوری مواد معدنی است. پمپ‌های حرارتی ژئوترمال (GHPs) برای گرمایش و سرمایش خانگی در مناطقی با منابع ژئوترمال کم‌عمق استفاده می‌شوند. این تنوع کاربرد، ژئوترمال را به منبعی انعطاف‌پذیر برای نیازهای انرژی تبدیل کرده است.
مزایا و معایب
- مزایا: ژئوترمال منبعی پایدار و قابل اعتماد است که بدون وابستگی به شرایط جوی، برق تولید می‌کند. فاکتور ظرفیت (capacity factor) آن بین 70 تا 90 درصد است، بالاتر از خورشیدی (20-30 درصد) و بادی (30-40 درصد). انتشار گازهای گلخانه‌ای آن بسیار پایین (حدود 38 گرم CO2 به ازای هر کیلووات‌ساعت) است. ردپای زمینی نیروگاه‌های ژئوترمال کوچک‌تر از نیروگاه‌های زغالی است.
- معایب: دسترسی به منابع ژئوترمال محدود به مناطق با فعالیت زمین‌شناختی بالا است. هزینه‌های اولیه حفاری و ساخت (4 تا 7 میلیون دلار به ازای هر مگاوات) بالاست. خطر زلزله‌های القایی ناشی از تزریق سیال به مخازن و نشت گازهای سمی مانند سولفید هیدروژن وجود دارد. همچنین، منابع ژئوترمال ممکن است با گذشت زمان تخلیه شوند، اگرچه مدیریت مناسب مخزن می‌تواند این مشکل را کاهش دهد.
چگونه انرژی گرمایی درون زمین به برق تبدیل می‌شود؟
تبدیل انرژی ژئوترمال به برق از طریق استخراج گرمای زیرزمینی و استفاده از آن برای تولید بخار یا گرمایش سیال کاری انجام می‌شود. در مناطق با دمای بالا (بیش از 180 درجه سانتی‌گراد)، آب داغ یا بخار از مخازن زیرزمینی استخراج شده و به توربین‌های بخار متصل می‌شود که ژنراتورها را به حرکت درمی‌آورند. در مناطقی با دمای پایین‌تر (100 تا 180 درجه سانتی‌گراد)، از چرخه‌های باینری استفاده می‌شود که در آن سیال داغ، سیال ثانویه‌ای با نقطه جوش پایین (مانند ایزوبوتان) را گرم می‌کند تا بخار تولید شود. فرآیند شامل حفاری چاه‌های تولید (تا عمق 3 کیلومتر) و چاه‌های تزریق برای بازگرداندن سیال خنک‌شده به مخزن است. سیستم‌های خنک‌کننده (هوایی یا آبی) بخار را به مایع تبدیل می‌کنند تا چرخه ادامه یابد. این فرآیند کارایی 10 تا 23 درصد دارد، بسته به نوع نیروگاه.
بررسی انواع نیروگاه‌های ژئوترمال
نیروگاه‌های ژئوترمال به سه نوع اصلی تقسیم می‌شوند:
- نیروگاه‌های بخار خشک (Dry Steam): قدیمی‌ترین نوع، که بخار مستقیماً از مخزن به توربین هدایت می‌شود (مانند The Geysers در کالیفرنیا). این نوع برای مخازن با بخار غالب مناسب است، اما کمیاب است.
- نیروگاه‌های فلش بخار (Flash Steam): رایج‌ترین نوع، که آب داغ با فشار بالا (بالای 180 درجه سانتی‌گراد) به مخازن کم‌فشار وارد شده و به بخار تبدیل می‌شود. این بخار توربین را می‌چرخاند (مانند نیروگاه‌های فیلیپین)
- نیروگاه‌های چرخه باینری (Binary Cycle): برای دماهای پایین‌تر (100 تا 180 درجه سانتی‌گراد)، از سیال ثانویه برای تولید بخار استفاده می‌کنند. این نوع پایدارتر است و در آینده غالب خواهد بود (مانند نیروگاه‌های نوادا). هر نوع بسته به دما و نوع مخزن انتخاب می‌شود.
تأثیر ژئوترمال بر کاهش گازهای گلخانه‌ای
سیستم انرژی ژئوترمال نقش مهمی در کاهش گازهای گلخانه‌ای دارد، زیرا انتشار کربن آن بسیار پایین‌تر از سوخت‌های فسیلی است. به‌طور متوسط، نیروگاه‌های ژئوترمال 38 گرم CO2 به ازای هر کیلووات‌ساعت تولید می‌کنند، در مقایسه با 800 گرم برای زغال‌سنگ و 400 گرم برای گاز طبیعی. در ایسلند، ژئوترمال حدود 30 درصد از برق کشور را تأمین می‌کند و انتشار کربن را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داده است. در فیلیپین، ژئوترمال 17 درصد از برق را تولید می‌کند و سالانه میلیون‌ها تن CO2 را حذف می‌کند. حتی در مقایسه با دیگر منابع تجدیدپذیر، ژئوترمال به دلیل تولید مداوم، تأثیر بیشتری بر کاهش وابستگی به نیروگاه‌های فسیلی دارد. با این حال، نشت گازهای غیر CO2 مانند متان و سولفید هیدروژن نیاز به مدیریت دقیق دارد.
نیروگاه‌های ژئوترمال چگونه برق تولید می‌کنند؟
نیروگاه‌های ژئوترمال با بهره‌برداری از گرمای مخازن زیرزمینی برق تولید می‌کنند. فرآیند از چاه‌های تولید آغاز می‌شود که آب داغ یا بخار را از عمق 1 تا 3 کیلومتری استخراج می‌کنند. در نیروگاه‌های بخار خشک، بخار مستقیماً توربین را می‌چرخاند. در نیروگاه‌های فلش، آب داغ به مخازن کم‌فشار منتقل شده و بخار تولید می‌کند. در نیروگاه‌های باینری، گرمای آب داغ به سیال ثانویه منتقل شده و بخار آن توربین را به حرکت درمی‌آورد. توربین به ژنراتور متصل است که برق تولید می‌کند. سیال خنک‌شده از طریق چاه‌های تزریق به مخزن بازمی‌گردد تا فشار مخزن حفظ شود. سیستم‌های خنک‌کننده (برج‌های خنک‌کننده یا کندانسورهای هوایی) بخار را به مایع تبدیل می‌کنند. این فرآیند با راندمان 10 تا 23 درصد، برق پایدار تولید می‌کند.
بررسی چرخه رانکین آلی در نیروگاه‌های ژئوترمال
چرخه رانکین آلی (Organic Rankine Cycle – ORC) روشی است که در نیروگاه‌های ژئوترمال باینری برای تبدیل گرمای دمای پایین به برق استفاده می‌شود. در این چرخه، سیال آلی با نقطه جوش پایین (مانند ایزوبوتان یا پنتین) جایگزین آب می‌شود. گرمای آب داغ ژئوترمال (100 تا 180 درجه سانتی‌گراد) از طریق مبدل حرارتی به سیال آلی منتقل شده و آن را به بخار تبدیل می‌کند. این بخار توربین را می‌چرخاند و ژنراتور برق تولید می‌کند. بخار سپس در کندانسور خنک شده و به مایع بازمی‌گردد تا چرخه تکرار شود. ORC راندمان 10 تا 15 درصد دارد و برای منابع دمای پایین مناسب است. این فناوری، که در نیروگاه‌هایی مانند Chena Hot Springs در آلاسکا استفاده می‌شود، پایداری مخزن را افزایش داده و امکان بهره‌برداری از منابع گسترده‌تر را فراهم می‌کند.
مقایسه ژئوترمال با انرژی خورشیدی و بادی
ژئوترمال، خورشیدی و انرژی بادی منابع تجدیدپذیر هستند، اما ویژگی‌های متفاوتی دارند. ژئوترمال تولید مداوم (فاکتور ظرفیت 70-90 درصد) ارائه می‌دهد و به شرایط جوی وابسته نیست، اما محدود به مناطق با منابع زمین‌گرمایی است. هزینه اولیه آن (4-7 میلیون دلار به ازای هر مگاوات) بالاتر از خورشیدی (1-2 میلیون دلار) و بادی (1.5-2.5 میلیون دلار) است. خورشیدی ارزان‌تر و در دسترس‌تر است، اما فاکتور ظرفیت آن (20-30 درصد) به نور خورشید وابسته است و نیاز به ذخیره‌سازی باتری دارد. بادی با فاکتور ظرفیت 30-40 درصد، به سرعت باد وابسته است و فضای بیشتری نیاز دارد. ژئوترمال انتشار کربن کمتری (38 گرم CO2/kWh) نسبت به خورشیدی (50 گرم) و بادی (11 گرم) دارد، اما خطر زلزله‌های القایی آن را متمایز می‌کند. ژئوترمال برای تولید پایه‌ای (baseload) مناسب‌تر است، در حالی که خورشیدی و بادی برای تولید متناوب بهترند.
پتانسیل جهانی ژئوترمال
پتانسیل جهانی ژئوترمال بسیار بیشتر از ظرفیت کنونی است. برآوردها نشان می‌دهند که زمین می‌تواند تا 200 گیگاوات برق ژئوترمال تولید کند، اما تنها 16 گیگاوات در سال 2023 بهره‌برداری شده است. کشورهایی مانند ایالات متحده (3.7 گیگاوات)، فیلیپین (1.9 گیگاوات) و اندونزی (2.3 گیگاوات) پیشرو هستند. آفریقای شرقی، به‌ویژه کنیا، با دره ریفت، پتانسیل بالایی دارد. فناوری‌های پیشرفته مانند سیستم‌های ژئوترمال پیشرفته (EGS)، که با تزریق آب به سنگ‌های داغ گرما تولید می‌کنند، می‌توانند دسترسی به منابع را در مناطق غیرفعال زمین‌شناختی گسترش دهند. سرمایه‌گذاری در EGS و کاهش هزینه‌های حفاری می‌تواند استفاده از ژئوترمال را در دهه‌های آینده افزایش دهد.
محدودیت‌های جغرافیایی
بزرگ‌ترین محدودیت ژئوترمال، وابستگی به مناطق با فعالیت زمین‌شناختی بالا مانند گسل‌ها و آتشفشان‌ها است. این مناطق در حلقه آتش اقیانوس آرام، دره ریفت آفریقا و کمربندهای آتشفشانی مدیترانه متمرکز هستند. کشورهایی مانند ژاپن و ایتالیا منابع غنی دارند، اما بسیاری از مناطق جهان فاقد مخازن قابل دسترسی هستند. فناوری EGS می‌تواند این محدودیت را کاهش دهد، اما هزینه‌های حفاری عمیق (تا 10 میلیون دلار به ازای هر چاه) و خطر زلزله‌های القایی چالش‌هایی هستند. پمپ‌های حرارتی ژئوترمال (GHPs) گزینه‌ای برای مناطق با منابع کم‌عمق هستند، اما تولید برق در مقیاس بزرگ همچنان محدود به نقاط خاص است.
هزینه تولید برق سیستم انرژی ژئوترمال
هزینه تولید برق ژئوترمال به عوامل متعددی بستگی دارد. هزینه سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) برای نیروگاه‌های ژئوترمال بین 4 تا 7 میلیون دلار به ازای هر مگاوات است، که شامل حفاری، ساخت و تجهیزات می‌شود. هزینه عملیاتی (OPEX) پایین است، زیرا سوخت رایگان است و نگهداری حداقل است. هزینه هم‌تراز شده برق (LCOE) ژئوترمال بین 50 تا 100 دلار به ازای هر مگاوات‌ساعت است، که با زغال‌سنگ (65-150 دلار) و گاز طبیعی (40-80 دلار) رقابتی است، اما گران‌تر از خورشیدی (30-60 دلار) و بادی (20-50 دلار) است. یارانه‌های دولتی و قراردادهای خرید تضمینی (PPA) می‌توانند جذابیت اقتصادی ژئوترمال را افزایش دهند، به‌ویژه در کشورهای در حال توسعه.
فناوری‌های جدید پتانسیل ژئوترمال را گسترش داده‌اند. سیستم‌های ژئوترمال پیشرفته (EGS) با تزریق آب به سنگ‌های داغ، امکان تولید گرما در مناطق غیرفعال را فراهم می‌کنند. حفاری لیزری می‌تواند هزینه‌های حفاری را تا 50 درصد کاهش دهد. چرخه‌های ترکیبی (مانند ترکیب ژئوترمال با خورشیدی) راندمان را افزایش می‌دهند. پمپ‌های حرارتی پیشرفته برای گرمایش و سرمایش خانگی کارایی بیشتری دارند. پروژه‌هایی مانند FORGE در یوتا (ایالات متحده) و Eden Project در انگلستان در حال آزمایش این فناوری‌ها هستند.
ژئوترمال به دلیل انتشار کربن پایین و تولید مداوم، منبعی پایدار است. این انرژی می‌تواند جایگزین نیروگاه‌های فسیلی شود و به اهداف توافق پاریس کمک کند. با این حال، پایداری آن به مدیریت مخازن بستگی دارد. تزریق نادرست سیال می‌تواند باعث تخلیه مخزن یا زلزله‌های القایی شود. استفاده از سیالات غیرسمی و سیستم‌های بسته در نیروگاه‌های باینری، اثرات زیست‌محیطی را کاهش داده است.
منبع: ابرار صنعتی
