انرژی زمین گرمایی (Geothermal Energy) انرژی تجدید پذیری است كه از حرارت قابل استخراج ناشی از گرمای تودهای مذاب و تخریب مواد رادیو اكتیو موجود در اعماق زمین بدست می آید . این منبع انرژی برخلاف سایر انرژی های تجدید پذیر خورشیدی ،بادی ،امواج وغیره ،منشا یك انرژی پیوسته بشمار می آید و می توان بطور مدام و در تمامی ۲۴ ساعت شبانه روز از آن برق یاانرژی حرارتی تولید كرد در صورتی كه اغلب منابع انرژی های نو ،فصلی ووابسته به زمان و شرایط خاص می باشند. سابقه استفاده از انرژی زمین گرمایی به زمانهای بسیار دور برمیگردد . در زمانهای قدیم از این انرژی ،كه عمدتا به صورت چشمه های طبیعی اب یا بخار داغ به سطح زمین می آید ،به عنوان حمامهای آب گرم مداوای امراض ، استحمام، پخت وپز، گرمایش محیط و آبگرم برای كشاورزی استفاده می شد . اولین استفاده از انرژی زمین گرمایی در سال ۱۸۲۷ در لاردرلو توسط یک فرانسوی به نام فرانسوا ژاک دو لاردرل (François Jacques de Larderel) در كشور ایتالیا صورت گرفت . وی با گرمایش دیگ های حاوی گل آتشفشان توسط بخار، روشی برای استخراج اسید بوریک ازآن ها اختراع نمود و لذا آن منطقه به افتخار او لاردرلو نام گرفت. بهره برداری از بخار طبیعی حاصله از انرژی زمین گرمایی جهت تولید برق نیز ، اولین بار در سال ۱۹۰۴ درهمان لاردرلو ایتالیا صورت پذیرفت ، ظرفیت نیروگاه لاردرلو در سال ۱۹۱۴ به ۵٫۸ مگاوات رسید . در اواخر جنگ جهانی دوم ،نیروگاه تخریب شد ، ولی پس از جنگ آن را باسازی كردند و توسعه دادند ،بطوریكه در سال ۱۹۸۱ تولید آن به ۳۶۰ مگاوات رسید.
نظرات بسیاری در مورد منبع حرارتی انرژی زمین گرمایی وجود دارند . مهمترین آنها یك نظریه تجزیه مواد رادیو كتیو موجود در پوسته زمین نظیر اورانیم ،گالیم وتوریم می باشد ،كه هر چند گرمای حاصل از تلاشی انها به تنهایی ناچیز به نظر می آید ولی پژوهشگران جهانی انباشته شدن حرات حاصل از این تلاشی را در طی ملیونها سال ،یكی از عوامل اصلی منشا ء حرراتی زمین می دانند . نظریه دیگر ،وجود توده‌های مذاب دراعماق زمین و نفوذ آنها به لایه های فوقانی پوسته زمین را به عنوان منبع حرراتی انرژی زمین گرمایی مطرح می نماید . هسته زمین همچنان درحال سرد شدن است و حرارت آن در اثر خاصیت رسانا یی و از طریق جریانهای همرفتی به لایه های سنگی درسطوح بالاتر زمین می رسد. بر اثر این انتقال حرارت ،برخی ازسنگهای موجود درلایه های با لاترزمین ذوب می شوند و تشكیل مواد مذابی می دهند، كه موسوم به ماگما می باشند.ماگما به دلیل سبكی نسبت به سنگهای در بر گیرنده آن به آرامی به سمت پوسته زمین حركت می‌نماید و بدین ترتیب حرارت را از عمق به سطوح بالاتر زمین منتقل می كند. در تایید نظریه وجود توده مذاب در داخل زمین شاهد می باشیم كه هر چه به عمق زمین بیشتر فرو می رویم دما افزایش بیشتری می یابد . دما درلایه های بالایی هسته زمین به طور متوسط به ازای هر ۱۰۰ متر عمق ۳ درجه سانتیگراد افزایش دارد و براساس شناخت امروزی حدود ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد ، و در مركزآن بیش از ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد می باشد.
.ایران ازجمله كشورهایی است كه به علت قرار گرفتن دركمربند آتشفشانی وزلزله ،دارای منابع مهم وپتانسیل زمین گرمایی نسبتابالایی است
پس از بررسیهای انجام شده توسط وزارت نیرو كه با مشاوره برخی شركت های ایتالیایی صورت پذیرفته است ،نواحی زمین گرمایی سبلان ،دماوند ماكو،خوی وسهند درشمال ومناطق تفتان درجنوب،به عنوان منابع غنی انرژی گرمایی دركشورتشخیص داده شده اند.مطابق بررسیهای انجام یافته،بیشترین ناهنجاریهای حرارتی زمین گرمایی مشاهده شده در مناطق دماوند ،نونال در شمال و بایجان در شرق ناحیه آتشفشان دماوند تمركزیافنه اند.از پتانسیل حرارتی منطق دماوند،بر پایه مطالعات انجام شده ،می توان با حفر چاههای عمیق زمین گرمایی به منظور تولید برق وازطریق حفرچاههای كم عمق واستفاده ازآب داغ، برای گرمایش شهرهایی مانند دماوند،لاریجان،آب اسك،بایجان و آبادی های متعددی كه در ناحیه قرار دارند ، بهره گرفت. پتانسیل حرارتی مخزن زمین گرمایی منطقه دماوند در حدود ۱۰۱۸× ۵٫۱۱ ژول تخمین زده می شود . منابع واقع در منطقه سبلان و شمال شرقی آذربایجان ، دارای درجه حرارت قابل استفاده ای بین ۱۴۰ تا ۲۶۰ درجه سانتی گراد می باشند. از جمله منابعی كه دراین منطقه بسیار مناسب جهت استفاده برای تولید برق تشخیص داده شده اند ، منابعی در نواحی مشكین شهربا متوسط درجه حرارت حدود ۲۴۰ درجه سانتیگراد و پتانسیل ذخیره گرمایی درحدود ۱۰۱۸× ۱۴٫۴۸ ژول می باشند. هم اكنون یك نیروگاه ۱۰۰ مگاواتی در منطقه مشكین شهر در دست احداث می باشد. در مناطق ماكو و خوی در شمال غربی آذربایجان ، منابعی با درجه حرارت های بین ۱۴۰ تا ۲۴۰ درجه سانتیگراد مشاهده گردیده اند. علاوه بر مناطق مستعد انرژی زمین گرمایی در شمال و شمال غرب ایران ، براساس مطالعات انجام گرفته توسط مركز تحقیقات نیرو ، با توجه به موقعیت ایران از نظر صفحات زمین ساختی ، زمین ساخت لرزه ای، كانونهای لرزه ، آتشفشان های كواترنر، گسلهای فعال و آبگرم ها وتطبیق موقعیت آنها نسبت به هم،۹ منطقه دیگرازكشورنیزبرای اكتشافات مقدماتی پیشنهاد گردیده اند. در شكل زیر محدوده جغرافیایی این مناطق مشخص شده است.
انرژی زمین گرمایی براساس ویژگیهای زمین شناسی، هیدرولیكی و انتقال حرارت مخازن زمین گرمایی به چهار گروه اصلی تقسیم میشود كه عبارت از هیدروترمال، تحت فشار، تخته سنگهای خشك و داغ ، و توده های مذاب می باشند.
منابع هیدروترمال
به آبهای داغ وبخاراتی كه در قسمتهای باعمق كم یا متوسط پوسته زمین(۴۵۰۰-۱۰۰متر) درون گسلها یا خلل وفرج سنگهای متخلل قرارگرفته اند،منابع هیدورترمال می گویند.این منابع بیش از ۹۰ درصد مخازن زمین گرمایی كشف شده جهان را تشكیل می دهند و در حال حاضرتنها منابعی هستند كه ازآنها استفاده تجاری می شود.منابع زمین گرمایی واقع در دماوند، خوی و ماكو نیزازاین نوع می باشند.ازانرژی سیال داغ این نوع منابع زمین گرمایی می توان بطورمستقیم برای كاربردهای حرارتی و بطور غیر مستقیم در تولید برق بهره گیری كرد. شماتیك زیر روند تشكیل یك حوزه نمونه زمین گرمایی هیدروترمال را نشان می دهد. انرژی درونی ماگما از طریق سنگ آذرین درونی راهی به بیرون آن پیدا می كنند، دراثرتماس با سنگهای داغ ویا در اثرمخلوط شدن با گازها و بخارهای ناشی ازماگما گرم می شوند آب داغ سپس به سمت سطح زمین حركت می كند و به قسمت متخلل و نفوذ پذیری كه بالای سنگ آذرین قراردارد ومنبع نامیده می شود نفوذ می كند. در بالای منبع سنگهای پوششی غیر قابل نفوذی قرار دارند كه باعث محصور شدن آب داغ در داخل منبع می گردند. سنگهای پوششی بالای منبع در بعضی نقاط دارای شكاف می باشند كه مانند منافذ یك بویلرعظیم زیرزمینی‌عمل می‌نمایند ودرسطح زمین به صورت چشمه های آب گرم ظاهرمی شوند. با حفر چاه می توان سیال هیدروترمال را استخراج نمود و برای تولید انرژی الکتریکی مورداستفاده قراردارد.
منابع لایه های تحت فشار
منابع لایه های تحت فشار،سفره های آب داغ حاوی گازمتان می‌باشند كه درعمق ۳تا ۶ كیلومتری سطح زمین تحت فشار بالا در لایه های رسوبی حبس شده اند . شكل زیر شمایی از یك مخزن زمین گرمایی در حوضه های رسوبی را نمایش می دهد.
روند تشكیل چنین منبعی با ته نشین شدن حجم عظیمی ازموادرسوبی،اعم از شیمیایی و غیره در طی دوره رسوبگذاری دریك حوضه رسوبی،آغازمی شود.با افزایش ضخامت رسوبات بتدریج بستر حوضه شروع به فرونشینی می كندو با افزایش عمق رسوبات ته نشین شده درجه حرارت و فشار آنها افزایش می یابد. به این ترتیب آبهایی كه درابتدا دارای تركیب شیمیایی مشابه با آبهای حوضه رسوبی می شوند همزمان با این دگرگونی ها مقادر زیادی گاز متان و سولفید هیدروژن نیزایجاد می شوند كه خود عامل ازدیاد فشار می گردند . علیرغم آنكه دمای این منابع بین ۹۰ تا ۲۰۰درجه تخمین زده می شود اما در عمل به ندرت پیش آمده تا دمای بخاری كه تا كنون كشف شده به ۱۵۰ برسد. گستره این ذخایر هنوز شناخته نشده است ولی بطور بالقوه بسیار خوش اتیه می باشد زیرا در صورت استخراج آنها امكان استفاده از سه نوع انرژی مختلف یعنی انرژی حرارتی ناشی از سیالات گرم شده،انرژی هیدرولیك ناشی از فشارهای بالای حبس شده و انرژی شیمیایی ناشی از سوخت گاز متان محلول فراهم می باشد. هم اكنون طرحهایی جهت تولید برق با استفاده از احتراق متان و گرمای آب تحت فشار در دست بررسی است.
سنگهای خشك و داغ
سنگهای خشك و داغ، كه منابع پتروترومال نیز نامیده می شوند بزرگترین منبع انرژی زمین گرمایی محسوب می گردند. این منابع در اعماق پوسته زمین قرار دارند و بیشتر در مناطق خشك و داغ یا مناطقی كه حاوی مقدار بسیار كمی آب می باشند یافت می شوند و در عمل تمام نشدنی هستند.سنگهای آذرین كه درعمق زیاد زمین قراردارند نسبت به سنگهای سطح زمین كه به شدت هوازده و دارای درز و شكاف هستند سنگهای خشك محسوب می شوند. دمای این منابع حدود۱۵۰ تا ۲۹۰ درجه سانتیگراد می باشند. به عنوان مثال در عمق ۶كیلومتری پوسته زمین، سنگهای دارای تخلل و نفوذ پذیری كم دارای درجه حرارتی حدود ۲۰۰درجه سانتیگراد وفشاری معادل ۱۶۵۰ بارمی باشند.باید توجه داشت این درجه حرارت مخصوص مناطقی است كه شیب حرارتی (افزایش درجه حرارت به ازای افزایش‌عمق) آنها معمولی می‌باشد درنواحی دارای شیب حرارتی زیاد، درجه حرارت بسیار بیشتر از۲۰۰۰درجه سانتیگراد است. سنگهای خشك وداغ موجود دراعماق زمین از طریق حفاری قابل دسترسی واستفاده می‌باشند. ایده كلی برای استفاده ازانرژی سنگهای داغ و خشك به منظورتولید برق ، ایجاد یك سفره زمین گرمایی مصنوعی می باشد. برای ایجاد این سفره ابتدا دو چاه با عمق۴۰۰۰الی ۵۰۰۰ متر در داخل سنگهای داغ حفاری می گردد و سپس با روشهای انفجارهسته‌ای یا فشارهیدرولیكی تركهایی درداخل سنگهای داغ ایجاد می گردد و بدین ترتیب این دوچاه به یكدیگرمرتبط می‌شوند ودرنتیجه سیستم تبادل حرارتی بزرگی درداخل سنگها ایجاد میشود.حال ازطریق یكی‌ازچاهها آب سردبه داخل زمین تزریق میشود كه پس ازجذب حرارت ازسنگها به صورت آب داغ یا بخار گرم از طریق چاه دیگر به سطح زمین برگشت داده می شود در سطح زمین با هدایت بخار گرم به سمت توربین، در نهایت انرژی الكتریكی تولید می گردد.البته ممكن است بخار و یا آب داغ،سیال دیگری را كه دارای نقطه جوش پایینتری است را بخار نماید و در نهایت سیال ثانویه، توربین را به گردش درآورده و تولید برق كند.
توده های مذاب
توده های مذاب دارای درجه حرارتی بین ۷۰۰الی ۱۲۰۰درجه سانتی گراد می باشند و محفظه‌های حاوی آنها بسیارگسترده ودارای انرژی حرارتی زیادی می باشند. برپایه رخدادهای زمین شناسی، ماگما كه عمق قابل دسترسی به منابع آن بین ۳۰۰۰تا ۱۰۰۰۰متر تخمین زده می شود، انتظارمی‌رود بهره برداری از انرژی آنها بسیار مشكل‌ترازسایرمنابع‌انرژی زمین گرمایی باشد و برای بهره برداری ازاین منابع تا كنون اقدام موثری بعمل نیامده است. مشكلات و مسائل مهمی كه درمورد طرح استخراج انرژی از این نوع منابع مطرح است عبارتند از :
تاریخچه انرژی زمین گرمایی درجهان :
وجود کوههای آتش فشانی اولین نشانه وجود گرما درزیر زمین بود.حفر اولین منابع زمین گرمایی در فاصله زمانی بین قرنهای 16و 17 میلادی ثبت شد.قرن هجدهم میلادی اولین اندازه گیری‌ها در بلفورت فرانسه اتفاق افتاد.اوایل قرن نوزدهم استخراج سیالات زمین گرمایی با هدف بهره برداری ا ز پتانسیل انرژی حرارتی در ایتالیا صورت گرفت.
:1870استخراج بخارات طبیعی آب با هدف بهره برداری از انرژی مکانیکی آن انجام شد.
:1904تولید برق از این انرژی در لاردرلو ایتالیا
:1920نخستین چاهها ژئو ترمال در ژاپن و کالیفرنیا به طور همزمان
:1928 استخراج سیال زمین گرمایی برای تامین گرمایش منازل در ایسلند.
پس از جنگ جهانی دوم در سال 1958 نیوزلند بعنوان دومین کشور فعال در این زمینه اقدام به تولید برق از انرژی زمین گرمایی نمود.
پتانسیل انرژی گرمایی در ایران
موقعیت قرارگیرى ایران در مرزهاى تکتونیکى، نیروى عظیم نهفته در کالبد کشور را نشان مى‌دهد. فشار صفحه قارهاى عربستان و صفحة اقیانوس هند از سوی ديگر باعث تغییر شکلهاى وسیعى در ایران شده است که چین‌خوردگى‌هاى منطقه زاگرس و راندگى آن، شواهد سطحى عظیم این نیروها هستند. قرارگرفتن در کمربند آتشفشانى باعث شده است که گستره ایران از لحاظ زمین‌ساختارى، بسیار فعال بوده و از پتانسیل بالاى انرژى زمین‌گرمایى بهره‌مند باشد و وجود فعالیتهاى آتشفشانى و چشمه‌هاى آب گرم فراوان، گواه بر این مدعى است. پتانسیل انرژى زمین‌گرمایى در ایران بر اساس مطالعات انجام شده در بیش از 10 منطقه شناسایى شده است، این مناطق براساس میزان فعالیتهای تکتونیکی، میزان چشمه‌های آب گرم و ظهورهای سطح‌الارضی و سایر شواهد زمین‌شناسی شناسایی شده‌اند.
بر اساس طبقه‌بندى‌هاى صورت‌گرفته جهانى، ایران در گروه کشورهایى قرار گرفته است که داراى ذخایر احتمالى براى تولید برق از انرژى زمین‌گرمایى با استفاده از سیکل‌هاى تبخیر آني و دومداره ( براى دوره 30 ساله) بوده و قابلیت تولید برق زمین‌گرمایى با ظرفیت بیش از 200 مگاوات براى آن پیش‌بینى شده است .احداث نیروگاه زمین‌گرمایى در ایران و در منطقه مشکین‌شهر، نخستین نیروگاه از این نوع در منطقه خاورمیانه خواهد بود و امکان دستیابى به انرژى سبز با تولید برق عارى از هرگونه آلودگى زیست محیطى را فراهم مى‌کند. مخزن زمین‌گرمایی مشکین‌شهر در 25 کیلومتری این شهرستان در دامنه سبلان واقع شده است که علاوه بر تولید برق، در احداث استخر پرورش ماهی و احداث واحدهای گلخانه‌ای و تأمین آب گرم منازل نیز کاربرد خواهد داشت.
تاریخچه انرژی زمین گرمایی در ایران :
در ایران از سال 1354 مطالعات گسترده ای به‌منظور شناسایی پتانسیل های منبع انرژی زمین گرمایی توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده ای به وسعت 260 هزار کیلومتر مربع آغاز گردید. نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر 31 هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب می باشند. در همین راستا برنامه اکتشاف، مشتمل بر بررسیهای زمین شناسی، ژئوفیزیک و ژئوشیمیایی برنامه ریزی شد. در سال 1361 با پایان یافتن مطالعات اکتشاف مقدماتی در هر یک از مناطق ذکر شده، نواحی مستعد با دقت بیشتری شناسایی شده و در نتیجه در منطقه سبلان: نواحی مشکین شهر، سرعین و بوشلی، در منطقه دماوند ناحیه: نونال، در منطقه ماکو- خوی نواحی: سیاه چشمه و قطور و در منطقه سهند پنج ناحیه کوچکتر جهت تمرکز فعالیتهای فاز اکتشاف تکمیلی انتخاب شدند. پس از یک وقفه نسبتاً طولانی و با هدف فعال نمودن مجدد طرح، گزارشهای موجود مجدداً در سال 1369 توسط کارشناسان UNDP بازنگری شده و منطقه زمین گرمایی مشکین شهر بعنوان اولین اولویت جهت ادامه مطالعات اکتشافی معرفی شد. پیرو مطالعات ذکر شده پروژه انجام حفاری های اکتشافی ، تزریقی، توصیفی به منظور شناسایی بیشتر پتانسیل در منطقه سرعین مشکین شهر در سال تعریف 1381گردید که عملیات حفر اولین چاه زمین گرمایی نیز در همان سال آغاز گردید .فاز اول این پروژه در سال 1383 اتمام یافت که درمجموع سه حلقه چاه اکتشافی و دو حلقه چاه تزریقی در این مرحله حفر گردید و تست دوحلقه از سه حلقه چاه اکتشافی با موفقیت انجام گرفت که مهم ترین دستاورد این فاز از پروژه کسب دانش فنی مربوط به حفر چاههای زمین گرمایی بود . فاز دوم این پروژه در سال 1384 آغاز گردید
استفاده از انرژی زمین گرمایی برای تولید نیروی برق
در بین انرژی های تجدید پذیر،انرژی زمین گرمایی درسطح جهانی مرتبه بالایی را بخود برای تولید انرژی الكتریكی اختصاص داده است.منابع زمین گرمایی معمولاً برای تولید بار پایه استفاده می شوند و تنها در شرایط خاصی به منظور تولید بار پیك مورد استفاده قرار می گیرند. تولید كنندگان اصلی برق از انرژی زمین گرمایی در حال حاضر كشور های آمریكا ،فیلیپین ،مكزیك ،ایتالیا و ژاپن می باشند.
روشهای‌مختلفی‌جهت تبدیل‌انرژی زمین گرمایی به‌انرژی الكتریكی وجود دارند،كه می توان به عنوان مثال از سیستم های بخار خشك و بخار انبساط آنی كه جزء روشهای قدیمی می باشند و نیز سیستم های سیكل دو مداره و جریان كلی كه روشهای جدیدتری هستند و از امتیازات قابل توجهی برخوردارمی‌باشند نام بردعوامل وپارامترهای مختلفی درانتخاب نوع و ظرفیت نیروگاه زمین گرمایی تعیین كننده می باشند، كه در زیر تشریح می شوند:
توسعه دهندگان میادین انرژی زمین گرمایی ترجیح می دهند برای تولید برق از واحدهای پیش ساخته كوچك استفاده نمایند. مزیت این روش آن است كه اگر در حین بهره برداری مخزن، افت تولید یا تغییردرسایرمشخصات مخزن نظیردرجه حرارت، فشار،غلظت و نوع املاح سیال و ..رخ دهد ومنبع مذكور قابل بهره برداری اقتصادی نباشد به آسانی می توان واحد پیش ساخته را به محل دیگری منتقل كرد. همچنین از این واحدهای كوچك پیش ساخته می توان برای آزمایشهای اولیه و تعیین مشخصات قبل از انجام عملیات پرهزینه توسعه، برآورد فنی واقتصادی و برگشت سرمایه در میدان را می توان با این واحدهای كوچك انجام داد و اقدامات لازم را پیش بینی نمود.