انرژی زمین گرمایی پتانسیل عظیمی برای تولید انرژی پاک – از جمله از چاه‌های نفت و گاز مستعمل – دارد – اخبار زیست‌محیطی

توسط مونس الموتی، دانشگاه داکوتای شمالی

با افزایش مصرف انرژی و گرم شدن کره زمین، ممکن است رویای یک منبع انرژی را دیده باشید که 24 ساعته کار می کند، باران یا می درخشد، بی سر و صدا خانه ها، صنایع و حتی کل شهرها را بدون فراز و نشیب های خورشیدی یا باد – و با سهم کمی در تغییرات آب و هوا تامین می کند.

نوید تکنیک های مهندسی جدید برای انرژی زمین گرمایی – گرمای خود زمین – باعث افزایش سرمایه گذاری در این منبع انرژی قابل اعتماد و کم انتشار شده است که می تواند برق بدون وقفه را تقریباً در هر نقطه از سیاره تامین کند. این شامل راه هایی برای مهار انرژی زمین گرمایی از چاه های نفت و گاز غیرفعال یا متروک است. در سه ماهه اول سال 2025، تاسیسات زمین گرمایی آمریکای شمالی 1.7 میلیارد دلار بودجه عمومی جذب کردند – در مقایسه با 2 میلیارد دلار برای کل سال 2024، که خود افزایش قابل توجهی نسبت به سال های گذشته است، بر اساس تحلیل صنعتی شرکت مشاوره Wood Mackenzie.

به عنوان یک ژئوفیزیک اکتشاف و مهندس انرژی، پتانسیل منابع سیستم های زمین گرمایی و مبادلات عملیاتی را به طور مستقیم مطالعه کرده ام. از سرمایه‌گذاری‌ها و پیشرفت‌های فن‌آوری که می‌بینم، معتقدم زمین‌گرمایی می‌تواند نقش مهمی در ترکیب انرژی در ایالات متحده و سراسر جهان داشته باشد، به‌ویژه زمانی که با دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر ادغام شود.

ارزیابی ماه مه 2025 توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده نشان داد که منابع زمین گرمایی به تنهایی در حوضه بزرگ، منطقه ای که نوادا و بخش هایی از ایالت های همسایه را در بر می گیرد، پتانسیل این را دارند که تا 10 درصد از تقاضای برق کل کشور را برآورده کنند – و حتی با پیشرفت فناوری زمین گرمایی بیشتر. آژانس بین المللی انرژی تخمین می زند که انرژی زمین گرمایی می تواند تا سال 2050 تا 15 درصد از برق مورد نیاز جهان را تامین کند.

چرا انرژی زمین گرمایی منحصر به فرد است

انرژی زمین گرمایی از گرمای زیر سطح زمین برای تولید برق یا گرمایش مستقیم استفاده می کند. برخلاف خورشید یا باد، هرگز متوقف نمی شود. این دستگاه به صورت شبانه روزی کار می کند و با سیستم های آب بسته و آلایندگی کم، توان ثابت و قابل اعتمادی را ارائه می دهد.

انرژی زمین گرمایی قادر است مقادیر قابل توجهی انرژی را تامین کند. به عنوان مثال، پروژه ایستگاه کیپ Fervo Energy در یوتا گزارش شده است که در مسیر تحویل 100 مگاوات انرژی زمین گرمایی بدون کربن تا سال 2026 قرار دارد. این کمتر از میزان انرژی تولید شده توسط میانگین نیروگاه زغال سنگ ایالات متحده است، اما بیشتر از میانگین تولید نیروگاه گاز طبیعی است.

اما این پروژه که هزینه آن 1.1 میلیارد دلار تخمین زده می شود، به پایان نرسیده است. انتظار می‌رود این نیروگاه در سال 2028 تکمیل شود و 500 مگاوات برق تامین کند. این مقدار 100 مگاوات بیشتر از هدف اولیه بدون حفاری اضافی است که به لطف پیشرفت های فنی مختلف از زمان شروع پروژه انجام شده است.

و انرژی زمین گرمایی از نظر اقتصادی رقابتی می شود. به گفته آژانس بین‌المللی انرژی، تا سال 2035، پیشرفت‌های فنی می‌تواند به این معنا باشد که انرژی سیستم‌های زمین گرمایی بهبودیافته می‌تواند حداقل 50 دلار در هر مگاوات ساعت هزینه داشته باشد که قیمتی قابل رقابت با سایر انرژی‌های تجدیدپذیر است.

انواع انرژی زمین گرمایی

راه های مختلفی برای دریافت انرژی از اعماق زمین وجود دارد.

سیستم های هیدروترمال استخراج آب گرم و بخار زیرزمینی برای تولید برق. این منابع در مناطق فعال زمین شناسی متمرکز شده اند که گرما، آب و سنگ های نفوذ پذیر به طور طبیعی با یکدیگر منطبق هستند. در ایالات متحده معمولاً کالیفرنیا، نوادا و یوتا هستند. در سطح بین المللی، ایسلند و فیلیپین بیشترین انرژی گرمابی را دارند.

برخی از تأسیسات هیدروترمال، مانند لاردرلو در ایتالیا، بیش از یک قرن است که کار می‌کنند و دوام طولانی مدت این فناوری را ثابت می‌کنند. برخی دیگر در نیوزلند و ایالات متحده از اواخر دهه 1950 و اوایل دهه 1960 بازداشت شده اند.

سیستم های زمین گرمایی بهبود یافته تقریباً در همه جای کره زمین فرآیندهای هیدروترمال تولید کننده الکتریسیته ایجاد می کند. در مکان‌هایی که آب کافی در زمین وجود ندارد یا سنگ بیش از حد متراکم است که گرما را به طور طبیعی منتقل نمی‌کند، این تاسیسات حفره‌های عمیقی ایجاد می‌کنند و مایع را به سنگ داغ تزریق می‌کنند و شکستگی‌های جدید ایجاد می‌کنند و شکستگی‌های موجود را باز می‌کنند، شبیه به شکست هیدرولیکی برای استخراج نفت و گاز.

سیستمی مانند این از بیش از یک چاه استفاده می کند. در یکی، آب سرد را به پایین پمپاژ می کند، که گرما را از سنگ ها جمع می کند، و سپس از طریق چاه دیگری به بالا پمپ می شود، جایی که گرما توربین ها را به حرکت در می آورد. در سال های اخیر، تحقیقات دانشگاهی و شرکتی به طور چشمگیری سرعت حفاری را بهبود بخشیده و هزینه ها را کاهش داده است.

پمپ های حرارتی منبع زمینی نیازی به حفاری چنین حفره‌های عمیقی ندارید، اما در عوض از این واقعیت استفاده کنید که دمای زمین دقیقاً در زیر سطح نسبتاً پایدار است، حتی فقط 6 یا 8 فوت پایین (1.8 تا 2.4 متر) – و صدها فوت پایین‌تر گرمتر است.

این سیستم ها الکتریسیته تولید نمی کنند، بلکه سیال را در لوله های زیرزمینی به گردش در می آورند، با خاک تبادل گرما می کنند، در زمستان گرما را از زمین استخراج می کنند و در تابستان گرما را به زمین منتقل می کنند. این سیستم‌ها شبیه پمپ‌های حرارتی منبع هوا هستند، اما کارآمدتر از پمپ‌های حرارتی هستند که گاهی اوقات به آن‌ها مینی اسپلیت می‌گویند، که در ایالات متحده برای گرمایش و سرمایش در حال گسترش هستند. سیستم‌های پمپ حرارتی زمین‌گرمایی می‌توانند به منازل فردی، ساختمان‌های تجاری و حتی توسعه‌های محله یا تجاری خدمت کنند.

برنامه های کاربردی برای استفاده مستقیم همچنین برق تولید نمی کنند، بلکه مستقیماً از گرمای زمین گرمایی استفاده می کنند. کشاورزان گلخانه ها و محصولات خشک را گرم می کنند. تاسیسات آبزی پروری دمای مطلوب آب را حفظ می کنند. عملیات صنعتی از گرما برای خشک کردن غذا، سخت شدن بتن یا سایر فرآیندهای انرژی بر استفاده می کند. در سطح جهانی، این برنامه ها اکنون بیش از 100000 مگاوات ظرفیت حرارتی را ارائه می دهند. برخی از سیالات زمین گرمایی حاوی مواد معدنی با ارزش هستند. غلظت لیتیوم در آب های زیرزمینی منطقه دریای سالتون کالیفرنیا به طور بالقوه می تواند تولیدکنندگان باتری را تامین کند. قضات فدرال در حال بررسی پیشنهادی برای انجام این کار و همچنین چالش های قانونی برای آن هستند.

محققان همچنین در حال یافتن راه های جدیدی برای استفاده از منابع زمین گرمایی هستند. برخی از سازندهای سنگی زیرزمینی برای ذخیره انرژی به عنوان گرما در زمانی که تقاضای مصرف کننده کم است استفاده می کنند و در صورت افزایش تقاضا از آن برای تولید برق استفاده می کنند.

برخی از نیروگاه های زمین گرمایی می توانند خروجی خود را برای پاسخگویی به تقاضا تنظیم کنند، نه اینکه به طور مداوم در حداکثر ظرفیت کار کنند.

زمین گرمایی همچنین سایر پروژه های انرژی تجدیدپذیر را کارآمدتر می کند. ترکیب انرژی زمین گرمایی با منابع خورشیدی و باد و ذخیره باتری، قابلیت اطمینان انرژی های تجدیدپذیر سربار را در تگزاس، در میان جاهای دیگر، افزایش می دهد.

و انرژی زمین گرمایی می تواند تولید هیدروژن پاک و همچنین تلاش های انرژی بر برای حذف فیزیکی دی اکسید کربن از جو را تامین کند، همانطور که در ایسلند اتفاق می افتد.

پتانسیل زمین گرمایی در ایالات متحده و در سراسر جهان

ایالات متحده در حال حاضر حدود 3.9 گیگاوات ظرفیت زمین گرمایی نصب شده، عمدتاً در غرب دارد. این حدود 0.4 درصد از تولید انرژی فعلی ایالات متحده است، اما بر اساس برآوردهای مهندسی فدرال و بین المللی، مقدار انرژی موجود بسیار بیشتر است.

و تبدیل چاه های نفت و گاز متروکه به سیستم های زمین گرمایی بهبود یافته می تواند مقدار انرژی موجود و توزیع جغرافیایی آن را تا حد زیادی افزایش دهد.

یک نمونه در شهرستان بیور، در جنوب غربی یوتا رخ می دهد. زمانی که یک جامعه روستایی در حال مبارزه بود، اکنون خانه تعدادی از نیروگاه های زمین گرمایی است که برای نشان دادن پتانسیل و رساندن برق به مشتریان تا کالیفرنیا در حال توسعه هستند.

این پروژه‌ها شامل تغییر مسیر چاه‌های خالی نفت یا گاز است که نسبتاً آسان است: مهندسان چاه‌هایی را شناسایی می‌کنند که به صخره‌های عمیق و داغ نفوذ می‌کنند و آب یا سیال دیگری را در یک حلقه بسته به گردش در می‌آورند تا گرما را برای تولید برق یا گرمایش مستقیم فراهم کنند. این روش نیازی به حفاری چاه های جدید ندارد، که به طور قابل توجهی هزینه های راه اندازی و اختلالات محیطی را کاهش می دهد و سرعت استقرار را افزایش می دهد.

حدود 4 میلیون چاه نفت و گاز متروکه در ایالات متحده وجود دارد که برخی از آنها می توانند از زیرساخت های سوخت فسیلی به فرصت های انرژی پاک تبدیل شوند.

چالش ها و معاوضه ها

انرژی زمین گرمایی بدون موانع فنی، زیست محیطی و اقتصادی نیست.

حفاری گران است و سیستم های معمولی به شرایط زمین شناسی خاصی نیاز دارند. سیستم های پیشرفته با استفاده از خطر شکستگی هیدرولیکی که باعث زلزله می شود.

انتشار کلی از سیستم های زمین گرمایی کم است، اگرچه این سیستم ها می توانند سولفید هیدروژن را آزاد کنند، یک گاز خورنده که برای انسان سمی است و می تواند به تحریک تنفسی کمک کند. اما نیروگاه های زمین گرمایی مدرن از سیستم های کاهش انتشار استفاده می کنند که می توانند تا 99.9 درصد از سولفید هیدروژن را قبل از ورود به جو جذب کنند.

و سیستم ها از آب استفاده می کنند، اگرچه سیستم های حلقه بسته می توانند مصرف را به حداقل برسانند.

نیروگاه های زمین گرمایی نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی برای ساخت دارند، اما توانایی آنها در تحویل انرژی در دراز مدت می تواند بسیاری از این هزینه ها را جبران کند. پروژه هایی مانند پروژه های فروو انرژی نشان می دهد که دیگر یارانه های دولتی برای تامین مالی، ساخت و شروع تولید انرژی یک پروژه ضروری نیست.

علی‌رغم چالش‌ها، قابلیت اطمینان، انتشار کم و مقیاس‌پذیری انرژی زمین‌گرمایی، آن را به مکملی حیاتی برای انرژی خورشیدی و بادی و سنگ بنای آینده انرژی پایدار و کم کربن تبدیل کرده است.

مونس الموتی، استادیار مهندسی انرژی و نفت، دانشگاه داکوتای شمالی

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.