انرژی زمین گرمایی: چالش ها و تحولات

پتانسیل انرژی زمین گرمایی

هسته زمین یک کوره هسته ای است که دمای آن بیشتر از سطح خورشید است. با گذشت زمان، گرما به صورت سنگ مذاب یا ماگما به سمت بالا حرکت می کند و گرمای عظیمی را با خود حمل می کند. به زبان ساده: هر چه عمیق تر بروید، گرمتر می شود.

در واقع، حتی در تنها ده کیلومتری زیر سطح، دما اغلب از 300 درجه سانتیگراد فراتر می رود – بسیار بیشتر از آنچه که نیروگاه های زمین گرمایی برای تولید برق نیاز دارند. به گفته اتحادیه دانشمندان نگران ، مقدار گرمای موجود در حدود 33000 فوت از سطح زمین 50000 برابر بیشتر از تمام منابع نفت و گاز طبیعی در جهان انرژی دارد.

انرژی زمین گرمایی مزایای زیادی نسبت به انرژی های تجدیدپذیر خود دارد، در سرتاسر جهان در دسترس است، نسبتاً تمیز و با در دسترس بودن 24/7 است. علاوه بر این، یک تاسیسات زمین گرمایی فضای کمتری را نسبت به سایر نیروگاه‌ها اشغال می‌کند: نشنال جئوگرافیک بیان می‌کند  که برای تولید یک گیگاوات ساعت (یعنی 1000،000 کیلووات برای یک ساعت) انرژی به 1046 کیلومتر مربع زمین نیاز است. این مقدار بسیار کمتر از مقدار زمین مورد نیاز برای تأسیساتی است که همان مقدار انرژی را ارائه می دهند: 3000 کیلومتر ^مربع مورد نیاز برای باد، بیش از 8000 کیلومتر ^مربع برای فتوولتائیک خورشیدی و بیش از 9000 کیلومتر ^مربع  برای زغال سنگ.

نمودار یک نیروگاه زمین گرمایی

اعتبار تصویر: Wikimedia Commons

چالش های مهار انرژی زمین گرمایی

در حالی که کشورها میلیاردها دلار برای انرژی های تجدیدپذیر مانند باد و خورشید سرمایه گذاری کرده اند، زمین گرمایی به حاشیه رفته است. با این حال، در حالی که باد و خورشید اقتصادی به نظر می رسند، نمی توانند همیشه برق تولید کنند. حتی در ترکیب با باتری، آنها برای تامین برق برای مدت زمان مورد نیاز در دوره های اوج تلاش می کنند.

اپراتورهای شبکه باید راهی برای اطمینان از برق ثابت بیابند. زمین گرمایی فرصتی برای پر کردن یک شکاف حیاتی در انتقال انرژی دارد و تامین الکترون های مورد نیاز ما را به صورت شبانه روزی فراهم می کند. 

با این حال، چند چالش کلیدی وجود دارد که ابتدا باید به آنها پرداخته شود – که در ادامه به سه مورد از آنها پرداخته می شود.

گران و پیچیده است

بهره برداری از انرژی زمین گرمایی از نظر تاریخی به نظر می رسد گزینه گران قیمتی باشد که دو برابر باد خشکی و پنج برابر خورشیدی هزینه دارد. این بالاتر از هزینه اولیه نصب فناوری زمین گرمایی و نیاز برای دستیابی به زیرساخت های پیچیده است.

به علاوه، اکتشاف زیرسطحی مورد نیاز برای انرژی زمین گرمایی یکی از بزرگترین موانع این فناوری است، به ویژه به دلیل پیچیدگی موجود. در حالی که زمین تقریباً مقادیر بی‌پایانی انرژی و گرما در زیر سطح خود دارد، دسترسی به آن انرژی زیرسطحی دشوار است.

نواحی مربوطه نه تنها باید گرم باشند، بلکه باید حاوی مایع و نفوذپذیر باشند. برای تولید مستقیم انرژی، حفاری عمیق در سنگ جامد مورد نیاز است تا شکستگی‌های طبیعی برای تزریق آب و ایجاد چاه‌ها رهگیری شود. در حالی که این شکل از تولید انرژی ثابت و کارآمد است، باز هم از نظر فنی پیچیده است. بسیاری از جنبه ها باید به طور همزمان گرد هم آیند تا محیط مناسب ایجاد شود.

این خطرناک است

تزریق جریان های پرفشار آب به عمق زمین می تواند لرزه خیزی ایجاد کند و حتی ممکن است باعث زلزله شود (در حالی که نادر است، اما چنین خطری بسیار جدی است). علاوه بر این، کنترل و پایش لرزه خیزی زیرزمینی نیز یک اقدام پیچیده دیگر است: به عنوان مثال، نیروگاه های زمین گرمایی با فرونشست مرتبط هستند که می تواند منجر به آسیب به خطوط لوله، جاده ها، ساختمان ها و سیستم های زهکشی طبیعی شود.

اینفوگرافیکی که حفاری نفت، گاز و زمین گرمایی را پوشش می دهد (به ویژه در رابطه با عمق هر کدام در زیر زمین)

اعتبار تصویر: وزارت انرژی و تغییرات آب و هوایی از طریق فلیکر

تحولات مهندسی برق

پیشرفت‌های اخیر راه‌هایی برای استفاده از گرمای زمین پیدا کرده‌اند که در آن حفره‌های طبیعی آب گرم و بخار قابل دسترس وجود ندارد یا دسترسی به آن دشوار است. سیستم های زمین گرمایی پیشرفته از حفاری، شکستگی و تزریق استفاده می کنند تا به سنگ های زیرزمینی گرم اما خشک سیالیت و نفوذپذیری لازم برای تولید الکتریسیته را بدهند.

چاه های تزریقی با اعماق یک تا 4.5 کیلومتر با پمپاژ آب سرد پرفشار ایجاد می شوند تا سنگ را وادار به ایجاد شکستگی های جدید و تشکیل مخزنی از سیال زیرزمینی کند. برخی از پروژه‌هایی که سیستم‌های زمین گرمایی پیشرفته را یک گام فراتر می‌برند، شامل موارد زیر می‌شوند.

رصدخانه مرزی برای تحقیقات انرژی زمین گرمایی

پروژه FORGE (رصدخانه مرزی برای تحقیقات در انرژی زمین گرمایی) در یوتا در حال اجرای یک سایت مطالعه و آزمایش برای افزایش انرژی زمین گرمایی است. این پروژه در سال 2020 با حفر چاهی با انحراف زیاد در گرانیت کریستالی سخت و داغ آغاز شد. این چاه ها اغلب برای تولید نفت و گاز حفر می شوند، اما این اولین بار است که برای تولید انرژی زمین گرمایی تلاش می شود.

پس از تکمیل چاه، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها برای تعیین شرایط تنش و در عین حال حصول اطمینان از  نظارت دقیق میکرولرزه‌ای انجام می‌شود . این پروژه می تواند برای اثبات اینکه فناوری انرژی زمین گرمایی پیشرفته از نظر تجاری قابل دوام است حیاتی باشد.

پروژه لیتیوم و برق Hell’s Kitchen

یکی از اولین نیروگاه های زمین گرمایی ایالات متحده در تقریبا یک دهه، پروژه لیتیوم و برق Hell’s Kitchen قرار است در سال 2023 شروع به کار کند. هدف این پروژه ترکیب استخراج لیتیوم با تولید انرژی زمین گرمایی در سایتی در دریای سالتون در کالیفرنیا است. .

دانشگاه KAUST

یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه KAUST در عربستان سعودی همچنین در حال بررسی چگونگی بهبود کارایی و کاهش فشار عملیاتی سیستم‌های انرژی زمین گرمایی پیشرفته است. این تیم قصد دارد ظرفیت تبادل حرارت جریان سیستم را با استفاده از حفاری افقی، شکستگی هیدرولیکی در چاه تزریقی و تولید یک چاه حفر شده در ناحیه شکست افزایش دهد.

دکل حفاری سوراخ برای یک نیروگاه زمین گرمایی – یک تعهد پیچیده

اعتبار تصویر: Pixabay

پیامدهای پیشرفت های جدید در مهار انرژی زمین گرمایی

IRENA (آژانس بین المللی انرژی های تجدیدپذیر) پیش بینی کرده است که تولید انرژی زمین گرمایی در اروپا تا سال 2050 هشت برابر می شود . واضح است که پتانسیل عظیمی وجود دارد که استفاده نشده است و پیشرفت‌های جدیدی که شاهد آن هستیم می‌تواند به بسیاری از کشورها کمک کند تا بر موانع فنی و مالی که بر سر راه آن‌ها قرار گرفته غلبه کنند.

با این وجود، اگر این صنعت بتواند به اندازه کافی بر پیشرفت های تکنولوژیکی تکیه کند و نشان دهد که هزینه ها می تواند از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد، همچنان نیاز به جهش در مقیاس و کمیت پروژه هایی مانند FORGE دارد. تنها در این صورت است که انرژی زمین گرمایی واقعاً می تواند به یک جزء کلیدی در آینده انرژی سبز جهان تبدیل شود.