همه چي درباره انرژی زمین گرمایی

دانشمندان بدنبال اكتشاف ميادين فورانی انرژی آب گرمايی در اقيانوس اطلس ميباشند
در ماموريت فوق محققين و كارشناسان در روی زمين و در دريا به طريق الكترونيكی با يكديگر در ارتباطند.


دانشمندان بين المللی كه از طريق موسسه ملی اقيانوس شناسی و جوشناسی ايالات متحده (ان. او. ا. ا.) تامين اعتبار شده اند در حال انجام ماموريت با اهميتی هستند كه عبارت از تحقيق و اكتشاف شهر گمشده اسرارآميز ميدان فورانی آب گرمايی در اقيانوس اطلس است.
يك خروجی يا برونراه فورانی آب گرمايی عبارتست از شكافی در سطح سياره زمين كه ممكن است در كف دريا واقع شده باشد، و از آن روزنه آب جوشان مركز زمين را با فشار به بيرون فوران ميدهد. برخلاف ساير نقاط اعماق دريا، نواحی اطراف يك برونراه آب گرمايی از نظر زيست شناختی حاصلخيز است، و غالبا ميزبان اجتماعات پيچيده زيست شناختی است كه از طريق مواد شيميايی كه در مايعات خروجی از برونراه حل ميشوند، تغذيه ميگردند.
چهار تن از دانشمندان مزبور همراه با اقيانوس شناس نامی دانشگاه رود آيلند ، باب بالارد ، بر كشتی تحقيقاتی ان. او. ا. ا. به نام رونالد اچ. بروان سفر و تحقيق ميكنند. مابقی 21 نفر دانشمند همراه با اقيانوس شناس دانشگاه واشنگتن (يو. دبليو.) خانم دبورا كِلی از داخل كلاس درس در دانشگاه واشنگتن كار را دنبال ميكنند.
بر اساس گزارشی كه در 28 ژوئيه توسط دانشگاه واشنگتن در اختيار مطبوعات گذاشته شد، كلاس درس مزبور به نوعی طراحی و تجهيز شده كه دانشمندان ميتوانند مستقيما با همكاران خود روی كشتی در ارتباط باشند، به تلاشهای تحقيقاتی آنان كمك كنند و خط دهند، در جريان پيشرفت كاری آنان بلافاصله قرار گيرند، و ارتباط دائمی خود را با ناوبری و مسافران كشتی بروان حفظ كنند. بعلاوه كل عمليات بوسيله مركز فرماندهی واقع در دانشگاه رود آيلند پشتيبانی و هدايت ميشود.
عمليات اكتشافی 23 ژوئيه تا اول اوت بيانگر بازگشتی به ميدان برونراهی شهر گمشده است كه ابتدا در سال 2000 در حين يك گشت دريايی توسط بنياد ملی علم ايالات متحده كشف شد. ميدان كشف شده بر قله يك كوه در اعماق اقيانوس اطلس واقع است و شامل يك برونراه عظيم 18 طبقه ايست كه بلندترين خروجی آب گرمايی است كه تا كنون ديده شده است.
خانم پروفسور كِلی در اين مورد ميگويد : " استقرار اكثريت اعضاء يك تيم علمی اقيانوس شناسی در روی خشكی كاريست كه هرگز تا كنون امتحان نشده بود. اين راهكار درهای جديدی را بروی محققين خواهد گشود و فرصتی به گروه های بسيار گسترده تر محققين خواهد داد كه اعماق اقيانوسها را اكتشاف نمايند."
دانشمندان روی خشكی و روی ناو بروان هر دو بطور يكسان به وسائط نقليه آرگوس و هركول كه به طريق كنترل از راه دور اداره ميشوند دسترسی دارند، و ميتوانند اعماق اقيانوس و ميدان مزبور را همزمان و در زمان واقعی ببينند.
استاد زمين شناسی دانشگاه دوك، جف كارسون، ميگويد : " سيستم قوی روشنايی و نور پردازی امكانات بی سابقه ای در اختيار ما قرار داده كه مناطق وسيعی از كف دريا و نيز بخشهايی از ساختارهای زمين شناسی عمده آب گرمايی را، كه قبلا يا نديده بوديم يا تنها به نگاهی دزدكی بسنده كرده بوديم، به وضوح ببينيم."

درباره انرژی زمین گرمایی
مرکز زمین( به عمق تقریبی 6400 کیلومتر)که در حدود 4000 درجه سانتیگراد حرارت دارد، به عنوان یک منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتیگراد در اعماق 80 تا 100 کیلومتری از سطح زمین می گردد. بطورمیانگین میزان انتشار این حرارت از سطح زمین که فرایندی مستمر است معادل 82 میلی وات در واحد سطح است که با در نظر گرفتن مساحت کل سطح زمین(10*1/5 متر مربع) ، مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن، برابر با 42 ملیون مگاوات است. در واقع این میزان حرارت غیر عادی، عامل اصلی پدیده های زمین شناسی از جمله فعالیتهای آتشفشانی، ایجاد زمین لرزه ها، پیدایش رشته کوه ها( فعالیتهای کوه زایی) و همچنین جابجایی صفحات تکتونیکی می باشد که کره زمین را به یک سیستم دینامیک تبدیل نموده و پیوسته آن را تحت تغییرات گوناگون قرار می دهد.

امروزه با بهره گیری از فنآوریهای موجود، تنها بخش کوچکی از این منبع سرشار مهار شده و بطور اقتصادی قابل بهره برداری است.

بنابراین انرژی زمین گرمایی، همان انرژی حرارتی قابل استحصال از پوسته جامد زمین است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدیدپذیر منشاء یک انرژی پایدار با فاکتور دسترسی 100% است که بطور شبانه روزی در طول سال قابل بهره برداری است.

از انرژی زمین گرمایی در دو بخش کاربردهای نیروگاهی( غیر مستقیم) و غیر نیروگاهی ( مستقیم) استفاده می شود. تولید برق از منابع زمین گرمایی هم اکنون در 22 کشور جهان صورت میگیرد که مجموع قدرت اسمی کل نیروگاههای تولید برق از این انرژی بیش از 8000 مگاوات می باشد. این در حالی است که بیش از 64 کشور جهان نیز با مجموع ظرفیت نصب شده بیش از 15000 مگاوات حرارتی از این منبع انرژی در کاربردهای غیر نیروگاهی بهره برداری می نمایند.



نیروگاه زمین گرمایی تبخیر آنی

در این نیروگاه ها سیالی که معمولاً به حالت دوفاز مایع و بخار از اعماق زمین واز طریق چاه های زمین گرمایی استخراج می شود به مخزن جدا کننده هدایت شده و بدینوسیله فاز بخار از فاز مایع جدا می شود.بخار جدا شده وارد توربین شده و باعث چرخش پره های توربین می شود.پره ها نیز به نوبه خود محور توربین و در نتیجه محور ژنراتور رابه حرکت وا می دارند که باعث بوجود آمدن قطبهای مثبت و منفی در ژنراتور شده و در نتیجه برق تولید می شود.



نیروگاه زمین گرمایی با چرخه دو مداره(باینری)

در این نوع نیروگاه ها نیاز به مخزن جداکننده در تجهیزات نیروگاه وجود ندارد زیراآب گرم استخراج شده وارد مبدل حرارتی شده و حرارت خود را به سیال عامل دیگری که معمولاً ایزوپنتان می باشد و نقطه جوش پایینتری نسبت به آب دارد منتقل میکند. در این فرآیند ایزوپنتان به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می شود که در اینجا توربین و ژنراتور طبق توضیحات فوق می توانند برق تولید کنند.

از کاربردهای مستقیم انرژی زمین گرمایی میتوان به مواردی همچون احداث مراکز آب درمانی و تفریحی-توریستی ، گرمایش انواع گلخانه، احداث مراکز پرورش آبزیان و طیور، پیش گیری از یخ زدگی معابر در فصل سرما، تامین گرمایش و سرمایش ساختمانها توسط پمپهای حرارتی زمین گرمایی اشاره نمود.

از گرمای درون
زمینی كه زیر پای ما قرار دارد، منبع بسیار عظیم انرژی است. این انرژی كه به صورت حرارت از اعماق زمین به سطح آن هدایت می شود در صورت توسعه فناوری استخراج آن، به تنهایی قادر خواهد بود كلیه نیازهای انرژی امروز و آینده بشر را تامین كند.
زمینی كه زیر پای ما قرار دارد، منبع بسیار عظیم انرژی است. این انرژی كه به صورت حرارت از اعماق زمین به سطح آن هدایت می شود در صورت توسعه فناوری استخراج آن، به تنهایی قادر خواهد بود كلیه نیازهای انرژی امروز و آینده بشر را تامین كند. طبق محاسبه ها، مشخص شده است كه انرژی حرارتی ذخیره شده در ۱۱ كیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر كل انرژی به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. پس این منبع عظیم انرژی می تواند در آینده جایگزین قابل اطمینانی برای انرژی حاصل از سوخت های فسیلی باشد. البته بدیهی است كه بهره برداری گسترده از ذخایر انرژی زمین گرمایی، مستلزم توسعه بیشتر در زمینه تكنیك های اكتشاف و استخراج آن است.
●انرژی زمین گرمایی چیست
اصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermal است كه ریشه یونانی داشته و از كلمات Geo به معنای زمین و Therme به معنی حرارت تشكیل شده است. در حقیقت انرژی زمین گرمایی، انرژی ای است كه از سیال آب داغ یا بخارداغ موجود در اعماق زمین به دست می آید.
این انرژی در مخزن زمین گرمایی متمركز شده است كه برای دسترسی به آن در محل مخزن، چاهی عمیق حفر می كنند. سیال خروجی از چاه، عامل انتقال انرژی از مخزن به سطح زمین است. البته عمق مخزن زمین گرمایی نباید بیش از سه هزار متر باشد زیرا بهره برداری از انرژی آن با فناوری كنونی بشر توجیه اقتصادی ندارد. با افزایش عمق زمین درجه حرارت افزایش می یابد. این افزایش حرارت را شیب حرارتی می نامند. تمام منابع انرژی زمین گرمایی در نقاطی واقع شده اند كه از شیب حرارتی بالایی برخوردارند.
●تاریخچه
این انرژی از ابتدای خلقت مورد استفاده انسان بوده است. بدین ترتیب كه از آن برای شست وشو، پخت وپز، استحمام، كشاورزی و درمان بیماری ها استفاده می شد. اسناد و مدارك موجود ثابت می كند كه ساكنان كشورهایی نظیر چین، ژاپن، ایسلند و نیوزیلند در گذشته های دور از این انرژی استفاده می كردند. در سال ۱۸۲۸ فردی به نام لاردرللو در كشور ایتالیا برای تهیه اسید بوریك از حرارت آب های گرم به جای سوزاندن هیزم استفاده كرد. در سال ۱۹۰۸ در منطقه مذكور نخستین نیروگاه زمین گرمایی به ظرفیت ۲۰ كیلووات راه اندازی شد كه در سال ۱۹۴۰ ظرفیت آن به ۱۲۷ مگاوات افزایش یافت. تا سال ۱۹۵۰ بهره گیری از انرژی زمین گرمایی رشد چندانی نداشت، اما حد فاصل سال های ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۳ به دلیل گران شدن بی سابقه و ناگهانی نفت، همه كشورها به فكر استفاده از انرژی های جایگزین افتادند و به تدریج كشورهایی چون آمریكا، ایسلند، فیلیپین، اندونزی و اغلب كشورهایی كه روی كمربند زمین گرمایی جهانی قرار داشتند بهره برداری از این انرژی را شروع كردند.
●نشانه های انرژی زمین گرمایی
مهمترین نشانه های منابع زمین گرمایی موارد زیر است:
سنگ های آتشفشانی جوان جوان تر از یك میلیون سال
چشمه های آبگرم
بخارفشان یا گازفشان
آب فشان
نواحی دگرسان شده
گل فشان
كوه های آتشفشانی فعال
البته ذكر این نكته ضروری است كه برای آغاز بررسی های اكتشافی در یك منطقه زمین گرمایی، بیش از یك نشانه باید در منطقه وجود داشته باشد.
●موارد كاربرد انرژی زمین گرمایی
پس از انجام بررسی های اكتشافی و حفر چاه های اكتشافی و تولیدی در میدان زمین گرمایی، مسئله كاربرد انرژی زمین گرمایی مطرح می شود. مهمترین عامل در تعیین نوع كاربرد مخزن زمین گرمایی، درجه حرارت آن است. امروزه منابع زمین گرمایی را بر اساس درجه حرارت به سه دسته كلی حرارت بالا، حرارت متوسط و حرارت پایین تقسیم می كنند. مبنای این تقسیم بندی، درجه حرارت مخزن در عمق یك كیلومتری زمین است. به این ترتیب كه اگر درجه حرارت مخزن در عمق مذكور بیش از ۲OOC باشد آن را حرارت بالا می نامند. درجه حرارت مخازن حرارت متوسط و پایین به ترتیب بین ۱۵۰C و ۲۰۰C و كمتر از ۱۵۰C است. امروزه از مخزن های زمین گرمایی به دو صورت عمده كاربرد غیر مستقیم تولید برق و كاربرد مستقیم انرژی حرارتی استفاده می شود.
●تولید برق
به منظور تولید برق از انرژی زمین گرمایی، سیال مخزن آب داغ یا بخار از طریق چاه های حفر شده به سطح زمین هدایت شده و پس از به چرخش درآوردن توربین در نیروگاه، برق تولید می كند. بدیهی است كه از مخازن حرارت بالا بیشتر برای تولید برق استفاده می شود. در حال حاضر ۲۲ كشور جهان به كمك منابع زمین گرمایی خود بیش از MW ۸۲۰۰ برق تولید می كنند. در نیروگاه های زمین گرمایی، انرژی الكتریكی به كمك چرخه های مخصوصی تولید می شود. مهمترین و رایج ترین آنها عبارتند از:
▪چرخه تبخیر آنی
در این دسته از چرخه های تولید برق، سیال زمین گرمایی پس از خروج از چاه، وارد یك جداكننده شده و بخار حاصل به سمت توربین و آب داغ به سمت چاه های تزریقی و برج خنك كننده روانه می شود. حال، برحسب اینكه عمل جدایش یا تبخیر آنی در یك مرحله یا دو مرحله انجام شود و برحسب وجود یا عدم وجود كندانسور، سه نوع چرخه تبخیر آنی وجود دارد: چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای بدون كندانسور، چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای با كندانسور، چرخه تبخیر آنی دومرحله ای.
▪چرخه دومداره
از این چرخه برای تولید برق از مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین استفاده می شود. حدود ۵۰ درصد مخازن زمین گرمایی شناخته شده جهان درجه حرارتی بین ۱۵۰C تا ۲۰۰C دارند، كه اگر برای تولید برق از آنها از چرخه تبخیر آنی استفاده شود، چرخه مزبور بازده بسیار پایینی خواهد داشت. در این چرخه از سیال عامل برای تولید برق استفاده می شود بدین ترتیب كه آب داغ، سیال عامل را در یك مبدل حرارتی، گرم و به بخار تبدیل می كند. بخار حاصل، توربین را به حركت در آورده، برق تولید می كند. از جمله مزیت های مهم این چرخه، عدم وجود خوردگی یا رسوب گذاری توسط سیال عامل است. در حال حاضر مهمترین كشورهای جهان از نقطه نظر تولید برق از منابع زمین گرمایی، كشورهای آمریكا ۲۲۲۸ مگاوات، فیلیپین ۱۹۰۹ مگاوات، ایتالیا ۷۶۹ مگاوات، مكزیك ۷۵۵ مگاوات و اندونزی ۵۹۰ مگاوات هستند.
▪كاربرد مستقیم
كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی، بهره برداری بدون واسطه از انرژی زمین گرمایی است. در این حالت، انرژی زمین گرمایی به انرژی الكتریكی تبدیل نمی شود، بلكه فقط از انرژی حرارتی آن استفاده می شود. مخزن های زمین گرمایی كه دمای آنها بین ۶۵C تا ۱۵۰C است برای تولید برق، توجیه اقتصادی ندارد، لذا این گونه مخزن ها برای استفاده مستقیم از انرژی حرارتی، مناسب هستند. مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین، نسبت به مخزن های حرارت بالا گستردگی بیشتری دارند. آب داغ مخزن های حرارت پایین را می توان با دستگاه های حفاری چاه های آب استخراج كرد. یك محقق ایسلندی به نام لیندال به منظور نشان دادن موارد كاربرد انرژی زمین گرمایی، نموداری تهیه كرده است كه در آن موارد مختلف كاربرد سیال زمین گرمایی بر حسب درجه حرارت آن ارائه شده است. همان گونه كه در نمودار لیندال مشخص شده است، موارد بهره برداری مستقیم از انرژی زمین گرمایی را می توان به ۶ رده كلی زیر تقسیم بندی كرد:
گرمایش ساختمان ها
كشاورزی
دامپروری
كاربردهای صنعتی
درمان بیماری ها
سایر
گرمایش ساختمان ها
این مورد متداول ترین كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی است. حدود ۳۷ درصد كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی در سراسر جهان را گرمایش فضاهای مختلف مسكونی، تجاری، اداری و غیره به خود اختصاص می دهد. البته در صورت نامناسب بودن كیفیت آب از نظر شیمیایی، از مبدل حرارتی برای گرمایش استفاده می شود. یكی از مزیت های مهم سیستم های گرمایشی این است كه آب داغ پس از تٲمین حرارت فضاهای مختلف، مجددا به درون مخزن زمین گرمایی تزریق می شود و در نتیجه میزان آلودگی زیست محیطی آن بسیار پایین است.

شایان ذكر آنكه امروزه انواع خاصی از مبدل های حرارتی وجود دارند كه درون چاه های زمین گرمایی تعبیه شده و حرارت آب داغ مخزن را به آب شیرین درون مبدل منتقل می كنند. درجه حرارت آب گرم مورد نیاز برای سیستم های گرمایشی حدود۶۰C یا بالاتر است. امروزه كشورهای ایسلند، فرانسه، مجارستان و ژاپن برای تٲمین حرارت سیستم های گرمایش مركزی خود از انرژی زمین گرمایی استفاده می كنند. به عنوان مثال شهر ۱۵۰هزار نفری ریكیاویك مركز ایسلند تماما به وسیله آب داغ تولیدی از مخزن های زمین گرمایی مجاور شهر تامین می شود.
●كشاورزی
عمده ترین كاربرد انرژی زمین گرمایی در زمینه فعالیت های كشاورزی، تامین گرمایش گلخانه ها است. البته در برخی از مناطق سردسیر از حرارت آب داغ مخزن های زمین گرمایی برای گرم كردن خاك های كشاورزی نیز به كار می رود. این نوع كاربرد در كشورهای سردسیر بسیار گسترش دارد. از جمله محصولاتی كه به كمك این انرژی كشت می شوند می توان به خیار، گوجه فرنگی، انواع گل ها، گیاهان خانگی، نهال درختان و انواع كاكتوس ها اشاره كرد. در بین كشورهای جهان مجارستان از نظر استفاده از گلخانه های زمین گرمایی مقام نخست را دارد. برای گرم كردن گلخانه ها معمولا یا آب داغ را از لوله های فلزی عبور می دهند یا اینكه همانند سیستم های گرمایشی خانه ها از پره های رادیاتور استفاده می كنند، یا آب داغ را از درون شبكه متراكمی از لوله ها كه در پشت آنها یك فن قوی وجود دارد، عبور می دهند. علاوه بر مجارستان كشورهایی نظیر ایسلند، چین، یونان، نیوزیلند و روسیه نیز در زمینه گلخانه های زمین گرمایی فعال هستند.
●دامپروری
به كمك انرژی زمین گرمایی می توان انواع مختلف آبزیان را نیز پرورش داد. امروزه در سطح جهان از انرژی زمین گرمایی برای پرورش و رشد آبزیانی نظیر میگو، قزل آلا، صدف و همچنین آبزیان آكواریومی استفاده می شود. نظر به اینكه درجه حرارت بهینه برای پرورش انواع مختلف آبزیان برای هر یك از آنها میزان مشخصی است ،با استفاده از انرژی زمین گرمایی می توان درجه حرارت حوضچه های پرورش را در حد مطلوب تامین كرد و آن را در تمام طول سال ثابت نگه داشت. بدین ترتیب می توان مقدار تولید انواع مختلف آبزیان را به میزان قابل توجهی افزایش داد. به عنوان مثال رشد بهینه ماهی قزل آلا در درجه حرارت ۵۱۵ درجه سانتیگراد است.
كشورهایی مانند ایسلند، گرجستان، تركیه، نیوزیلند، ژاپن و چین از جمله كشورهای پیشرو در زمینه استفاده از انرژی زمین گرمایی برای پرورش آبزیان هستند. در حال حاضر ۱۶ كشور از چنین تاسیساتی بهره می گیرند.
●كاربردهای صنعتی
این دسته از كاربردهای انرژی زمین گرمایی هنوز مانند سایر مصارف انرژی زمین گرمایی در سطح جهان گستردگی چشمگیری ندارد. با این وجود، در حال حاضر حدود ۱۹ كشور جهان از این انرژی در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می كنند. به عنوان مثال می توان به موارد زیر اشاره كرد:
تولید برات و اسید بوریك از سیال های زمین گرمایی در ایتالیا
استحصال نفت در روسیه
پاستوریزه كردن شیر در رومانی
تولید چرم در اسلوونی و صربستان
تولید گاز دی اكسید كربن در ایسلند و تركیه
تولید كاغذ و قطعات خودرو در مقدونیه
تولید خمیر كاغذ، كاغذ و چوب در نیوزیلند
●درمان بیماری ها
این كاربرد نیز بسیار قدیمی بوده و از روزگاران دور اقوامی چون رومی ها، چینی ها، ژاپنی ها، عثمانی ها و ساكنان سایر نواحی كره زمین به منظور استحمام و درمان بیماری های گوناگون از آب های گرم طبیعی زمین استفاده می كردند.
در حال حاضر حدود ۴۵ كشور جهان از چشمه های آب گرم خود برای این منظور استفاده می كنند. در ارتباط با توسعه چنین مراكزی، شواهد و نمونه های متعددی را می توان در سطح جهان معرفی كرد. به عنوان مثال، ژاپنی ها با بهره گیری از بیش از ۲۲۰۰ كانون تفریحی مرتبط با چشمه های آبگرم، سالانه قریب به صد میلیون مهمان و گردشگر را پذیرا هستند.
امروزه از آب های گرم دارای حرارت بیش از ۵۰ درجه سانتیگراد برای درمان بیماری هایی نظیر فشار خون بالا، روماتیسم، بیماری های پوستی و بیماری های دستگاه عصبی استفاده می شود.
●ذوب برف جاده ها
به كمك انرژی زمین گرمایی می توان برف یا یخ جاده ها و پیاده روها را نیز ذوب كرد. گسترش این نوع كاربرد نسبت به سایر موارد انرژی زمین گرمایی محدودتر است. امروزه در سراسر جهان به كمك انرژی زمین گرمایی حدود ۵۰۰هزار متر مربع از مسیر پیاده روها و جاده ها گرم می شوند كه بخش اعظم آنها نیز در كشور ایسلند وجود دارند. در حال حاضر به جز كشور ایسلند، كشورهایی چون آرژانتین، آمریكا و ژاپن نیز برای ذوب برف جاده های خود از انرژی زمین گرمایی بهره می گیرند.همان گونه كه پیشتر اشاره شد جنبه های گوناگون كاربرد انرژی زمین گرمایی به سرعت در حال افزایش است و مرتبا به كشورهای بهره مند از این انرژی افزوده می شود. میزان گسترش موارد كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی در سراسر جهان در جدول ذیل آمده است. یادآور می شود كه پمپ های حرارتی زمین گرمایی نوعی سیستم تهویه گرمایش و سرمایش است. همان گونه كه می دانیم، درجه حرارت زیرزمین تا اعماق كم ۲ تا ۱۵ متری تقریبا در تمام طول سال ثابت است. بنابراین با استفاده از این پدیده طبیعی می توان گرمایش و سرمایش منازل را در زمستان و تابستان فراهم كرد. در واقع سازوكار اصلی این سیستم های تهویه، تبادل حرارت با بخش های كم عمق زمین است، بدین معنی كه در فصل تابستان، حرارت را از داخل منازل به زمین منتقل می كنند و در زمستان، حرارت زیرزمین را به داخل فضاهای مسكونی هدایت می كنند.
●مزیت های كاربرد انرژی زمین گرمایی
امروزه تولید انرژی به كمك منابع سوخت های فسیلی یا نیروگاه های هسته ای با آلودگی قابل ملاحظه محیط زیست همراه است، ولی انرژی زمین گرمایی علاوه بر تجدیدپذیر بودن در مقایسه با سایر منابع تولید انرژی، آلایندگی كمتری دارد و جزء منابع پاك انرژی به شمار می رود. میزان آلودگی نیروگاه ها یا طرح های كاربرد مستقیم زمین گرمایی، ارتباط مستقیمی با درجه حرارت منبع زمین گرمایی دارد. به این ترتیب كه منابع حرارت بالا نسبت به انواع حرارت پایین، آلودگی بیشتری تولید می كنند و همچنین طرح های كاربرد مستقیم نیز كمتر از نیروگاه های زمین گرمایی، محیط زیست را آلوده می كنند. به طور كلی مزیت های انرژی زمین گرمایی را می توان به دو دسته كلی مزایای زیست محیطی و كاربردی تقسیم بندی كرد.
●مزیت های زیست محیطی كاربرد انرژی زمین گرمایی شامل موارد زیر است:
عدم آلودگی هوا
تولید CO۲ كم، تولید H۲S پایین و عدم تولید NOx
عدم آلودگی منابع آب های زیرزمینی
عدم نیاز به زمین وسیع
امروزه به دلیل تزریق سیال خروجی از نیروگاه ها و سایر طرح های كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی، میزان آلایندگی این قبیل طرح ها به حداقل مقدار خود رسیده است.
مزایای كاربردی
صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی
طولانی بودن زمان دسترسی
گستردگی موارد كاربرد
مستقل بودن از شرایط جوی
امكان تولید برق به وسیله واحدهای قابل حمل
میزان دی اكسید گوگرد تولید شده در نیروگاه های زمین گرمایی حدود ۸ درصد مقدار تولید شده در نیروگاه های فسیلی است. در خصوص دی اكسید كربن نیز نیروگاه های زمین گرمایی در وضعیت بسیار مناسب تری نسبت به نیروگاه های فسیلی قرار دارند. بدین معنی كه مقدار گاز CO۲ تولید شده در نیروگاه های زمین گرمایی به ترتیب معادل ۱۵ درصد نیروگاه های گاز سوز، ۱۰ درصد نیروگاه های نفت سوز و ۸ درصد نیروگاه های زغال سنگ سوز است.

سنگ مخزن براي بخار
توده یا حجمی از سنگ های نفوذپذیر و متخلخل است كه در اعماق مختلف زمین قرار داشته و خلل و فرج آنها را آب داغ یا بخار تحت فشار، اشغال كرده است. مخزن های زمین گرمایی تحت شرایط خاص زمین شناسی به وجود می آیند. به عنوان مثال، گسل ها یكی از عوامل كنترل كننده اندازه و شكل مخازن زمین گرمایی است. مخزن های زمین گرمایی از اجزایی تشكیل شده است كه وجود همه آنها برای تشكیل مخازن ضروری است. بدین ترتیب كه در صورت عدم وجود هر یك از آنها، مخزن زمین گرمایی به وجود نخواهد آمد. اجزای یك مخزن زمین گرمایی عبارتند از:
۱ سنگ مخزن كه سنگی نفوذپذیر و متخلخل است.
۲ سنگ پوشش كه سنگی متراكم و غیرقابل نفوذ بوده و مانع از خروج سیال از مخزن و در نتیجه افت فشار آن می شود.
۳ منبع حرارت كه ممكن است عوامل مختلفی باشد مانند یك توده نفوذی آذرین جوان و عمیق یا حرارت حاصل از حركت های زمین یا حرارت حاصل از تجزیه عنصر های رادیواكتیو و نازك شدگی پوسته زمین و غیره.
۴ منبع سیال كه اغلب بارش های جوی، منابع آب زیرزمینی و یا آب موجود در ماگما است.
انواع مخزن های زمین گرمایی به شرح زیر است:
۱ مخزن های گرمابی
در حال حاضر این دسته از مخزن ها تنها مخزن های اقتصادی زمین گرمایی جهان است. همان گونه كه از نام آنها بر می آید این مخزن ها، حاوی سیال هستند كه بر حسب نوع سیال به دو دسته مخزن ها حاوی آب داغ و بخار تقسیم می شوند. مخزن های آب داغ فراوان تر از مخزن های حاوی بخار است. كشورهای نیوزیلند و ایسلند تعداد قابل توجهی از مخزن های آب داغ دارند.
در مخزن های حاوی بخار حجم تغذیه سیال مخزن نسبت به دمای غشای حرارتی آن به قدری كم است كه به محض ورود آب، بخش عمده آن به بخار تبدیل می شود. در این دسته از مخزن ها، بخار تحت فشار با دمای زیاد
C ۲۰۰ منبسط شده و به بخار خشك فوق العاده گرم تبدیل می شود، بنابراین، این گونه مخزن ها را مخزن های بخار خشك نیز می نامند.
در مخزن های آب داغ، حجم آب داغ بیش از حجم بخار و گاز مخزن است. این قبیل مخزن ها بسیار فراوان بوده و حدود ۹۰ درصد مخازن زمین گرمایی جهان را تشكیل می دهد. دمای آنها بین ۲۵ تا C ۳۱۰ متغیر است. منبع عمده تامین كننده آب این مخزن ها، بارش های جوی و آب های سطحی است.
۲ مخزن های سنگ داغ خشك
در نواحی ای كه سنگ های متراكم آذرین، داغ ، بدون تخلخل و نفوذپذیری در عمق كم قرار دارند، می توان آب را به طور مصنوعی درون سنگ ها تزریق كرد. بدین ترتیب كه دو چاه با عمق های متفاوت و با زاویه ای نسبت به سطح قائم حفر می شود. اغلب چاه ها تا جایی حفر می شود كه درجه حرارت سنگ ها به C ۲۰۰ برسد. یكی از چاه ها عمیق تر است و درست زیر انتهای چاه كم عمق تر قرار دارد.
سپس به كمك پمپ های پیستونی قوی آب به درون چاه ها تزریق می شود. فشار آب موجب شكستگی سنگ ها شده و بدین ترتیب بین دو چاه ارتباط برقرار می شود. سپس از چاه كم عمق تر آب را به درون زمین پمپ می كنند. آب بر اثر تماس با سنگ ها بخار شده و رو به بالا حركت می كند و از طریق چاه كم عمق به سطح زمین می رسد كه به كمك آن می توان برق تولید كرد. البته این طرح هنوز اقتصادی نشده است و كماكان در مرحله پژوهش است. در حال حاضر اغلب كشورهای پیشرفته نظیر آمریكا، فرانسه، آلمان، ژاپن در حال تحقیق در زمینه این طرح هستند.
۳ مخزن های تحت فشار
این گونه مخزن ها در عمق های زیاد بیش از۴۶۰۰m قرار دارد و غالبا سنگ مخزن آنها از جنس ماسه است. روی این مخزن ها را سنگ پوشش ضخیم پوشانده است. آب داغ موجود در فضاهای خالی ماسه ها تحت فشار هیدروستاتیك بوده و حاوی مقدار مختلفی از گاز متان محلول است. به طور كلی دو عامل در تشكیل این گونه مخزن ها بسیار موثر است:
سنگ پوشش مناسب غیرقابل نفوذ و دارای ضخامت قابل ملاحظه كه از نفوذ سیال و حرارت مخزن به خارج جلوگیری می كند.
استقرار مخزن در عمق زیاد از سطح زمین.
دو عامل فوق در برخی موارد موجب افزایش درجه حرارت مخزن به میزان C ۲۰۰ می شود. البته امروزه این گونه مخزن ها از حیث اقتصادی مقرون به صرفه نیست. به عنوان مثال در كناره ساحلی آمریكا، از ایالت تگزاس تا لوییزیانا، تعدادی از این قبیل مخزن های زمین گرمایی كشف شده است. مخزن های تحت فشار، اكثرا در حین انجام بررسی های اكتشافی ذخیره نفت و گاز شناسایی شده اند. چنانچه بهره برداری از این مخزن ها مقرون به صرفه شود، می توان از انرژی فسیلی و جنبشی آنها استفاده كرد.
۴ مخزن های ماگمایی
در برخی نقاط كره زمین و به ویژه در مناطق فعال آتشفشانی، توده های آذرین جوان كم عمقی وجود دارد كه دارای انرژی حرارتی فوق العاده زیادی است. این توده های آذرین را مخزن های ماگمایی می نامند. بهترین نمونه این دسته از مخزن های زمین گرمایی در جزایر هاوایی وجود دارند كه محققان توانسته اند با تزریق آب به درون مخزن و تولید بخار از آنها به طور آزمایشی برق تولید كنند ولی كماكان این طرح با مشكلاتی مواجه است كه از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره كرد:
مشكلات و خطرات حفاری در سنگ های نیمه مذاب با حرارت بیش از C ۸۰۰
آماده سازی جداره چاه كه در درجه حرارت های بالا كاری بسیار مشكل است.
عدم كارایی تكنیك های ژئوفیزیكی كنونی برای تعیین موقعیت دقیق توده سنگ های آذرین مدفون. زیرا در درجه حرارت های زیاد، ابزارهای ژئوفیزیكی كنونی دقت كافی را ندارند.
البته در حال حاضر صرفا منابع زمین گرمایی ارزش اقتصادی دارد و از آنها به طور گسترده بهره برداری می شود. بدون شك در آینده نه چندان دور با ابداع فناوری های جدید سایر انواع منابع زمین گرمایی نیز قابل استفاده خواهند بود.

اگر در مناطق غیر آتشفشانی حفاریهایی به عمق ۴ تا ۵ کیلومتر انجام شود ممکن است مقدار افزایش دما به حدود ۱۰۰ تا ۱۳۰ درجه سانتیگراد برسد. بنابراین در جوار مناطق آتشفشانی ، مثلا دماوند یا سبلان که توده‌های مذاب گرمای خود را به افقهای بالا می‌رسانند، با حفاری می‌توان در اعماق ۱ تا ۳ کیلومتر به دمای ۱۰۰ تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد رسید. در چنین حالتی می‌توان به کمک سیستم حفاری از انرژی محصور شده این توده‌های داغ کم عمق که گرمای خود را به سنگهای اطراف منتقل می‌کند، استفاده کرد.
بسیاری از مناطق ژئوترمالی با دمای بالا در مناطق آتشفشانی فعال یا جوان وجود دارند. ژئوترمالهایی که به فعالیتهای آتشفشانی وابسته‌اند به سه دسته تقسیم می‌شوند. ذخایر هیدروترمال ، سنگهای داغ و خشک و ذخایر ماگمایی.
● ذخایر هیدروترمال
ذخایر هیدروترمال ، به علت وزن خاص و استثنایی خود یعنی وجود آب داغ و بخار پرفشار آسانتر بدست می‌آیند و می‌توان آنها را مهار کرد. به علت آنکه فاز بخار این ذخایر از اهمیت بیشتری برخوردار است. استفاده از آن در بعضی مناطق رواج پیدا کرده است. با ارزشترین منابع ژئوترمال محسوب می‌شوند.
● استفاده از انرژی ژئوترمال چشمه آب گرم برای تولید اسید بوریک
یکی از این نقاط چشمه آب گرم لاردلو ایتالیا است. بیش از ۲۰۰ سال است که از آب چشمه‌ها اسید بوریک استخراج می‌کنند و برای آن که شرکت مسئول ، مقدار محصول خود را افزایش دهد، حفاریهای زیادی انجام داده است تا به این وسیله منابع بیشتری به دست آید.
● استفاده از آب گرم و نیروی بخار
ایسلندیها برای استفاده از آب گرم و نیروی بخار حفاریهایی از سال ۱۹۲۵ انجام داده‌اند. در حال حاضر ایسلندیها بیش از ۲۵۰ میدان ژئوترمل در اختیار دارند. تقریبا ۷۰ درصد پایتخت ایسلند از گرما و آب گرم طبیعی استفاده می‌کنند. این آبها از حدود ۱۰۰ چاه حفاری به عمق ۳۰۰ تا ۲۳۰۰ متر بدست می‌آید. این آب دارای دمای حدود ۱۰۰ درجه سانتیگراد است و در داخل بازالتهای حفره‌دار به تله افتاده است. بنابرین وقتی چاهها لبریز از آب شد با عمل پمپاژ آب را خارج می‌کنند.
● استفاده از انرژی ژئوترمال برای تولید الکتریسیته
در سلسله کوههای ساحلی شمال سانفرانسیسکو سنگهای آتشفشانی جوانی وجود دارند که باعث فعالیتهای آبفشان در این ناحیه است. همین امر متخصصین را بر آن داشت تا با حفاری از انرژی ژئوترمال ذخیره شده این منطقه استفاده کنند و نهایتا برای تولید الکتریسیته در سال ۱۹۵۹ حفاریهایی انجام دادند. بیش از ۳۰۰ چاه به عمق ۵۰۰ تا ۲۶۰۰۰ متر حفر گردید و به این ترتیب به بخار آب گرم و پرفشار دست یافتند. این بخار آب در ماسه سنگ شیلی خردشده این منطقه به تله افتاده بود. امروزه تولید برق از آن از مرز ۲۰۰۰ مگاوات گذشته است که برای یک شهر ۲ میلیون نفری کافی به نظر می‌رسد. به این ترتیب عظیمترین تاسیسات مولد الکتریسیته از نیروی ژئوترمال در دنیا ایجاد می‌شود.
● سنگهای داغ و خشک
در سالهای اخیر ، تولید نیروی حرارتی از سنگهای خشک و داغ نیز مورد توجه بوده است. این موضوع خاص مناطقی است که درجه زمین گرمایی آنها بیش از حد متعارف یعنی حدود ۶۰ درجه سانتیگراد در هر کیلومتر عمق باشد. در عین حال زمین باید از سنگهای غیر قابل نفوذ تشکیل شده باشد. در این شرایط ، اگر چاههایی در سنگهای درز و ترک‌دار به عمق ۳ تا ۴ کیلومتر حفر شود. سرانجام به سنگهای داغی می‌رسد که می‌تواند آبهای موجود در این اعماق را گرم نماید. جهت استفاده از نیروی ژئوترمال ، در این قبیل مناطق دو چاه به موازات هم و به فاصله مشخصی حفر می کنند. دریکی ازآنها آب وارد می نمایند.
باتوجه به درجات زمین گرمایی منطقه‌ای ، آب ضمن فرورفتن تدریجا گرم می‌شود وقتی ممکن است به بخار تبدیل شود، با توجه به تراوایی زمین ، می‌توان به کمک مکنده‌هایی آب را از طریق چاه دوم به بالا کشید. بطور کلی فرآیند تولید و ساخت مخازن ژئوترمال مصنوعی با استفاده از سنگهای داغ اعماق زمین ، موضوع پیچیده‌ای است و به تجربه زیاد و مطالعه نیازمند است. ولی اگر به موفقیت برسد پتانسیل خوبی به بار خواهد آورد.
● ذخایر ماگمایی
فکر استفاده از سنگهای مذاب به عنوان منبع گرمایی توجه بعضی از محققین را به خود جلب کرده است. بطور کلی هر گرم ماگما واجد تقریبا ۱۰۰۰ ژول انرژی حرارتی است. به عقیده Decker.R , and Decker . B ، انرژی موجود در یک کیلومتر مکعب ماگما آنقدر زیاد است که می‌تواند به مدت ۲۰۰ سال نیاز شهری مانند سانفرانسیسکو را تامین کند. مسلما دستیابی به این نیروی خارق‌العاده ، به تکنولوژی پیشرفته نیاز دارد که در حال حاضر با آن فاصله بسیار داریم.

شبکه رشد