انرژی زمین گرمایی

تقریباً شش هزار کیلومتر زیر سطح زمین و در مرکز زمین، انرژی زمین گرمایی بوجود می­آید. از سطح به عمق که پیش میرویم لایه‌های زمین به سه دسته تقسیم بندی می‌شوند: پوسته،گوشته، هسته
پوسته خارجی‌ترین لایه زمین است و اقیانوس‌ها و قاره‌ها روی آن قرار دارند، البته در پوسته ناپیوستگی­هایی وجود دارد مانند مرز بین پوسته اقیانوسی و قاره­ای، اما کل این مجموعه را پوسته می­نامند. ضخامت پوسته‌ی زیر اقیانوس 4 تا 7 کیلومتر و ضخامت پوسته‌ی قاره ای 15 تا 35 کیلومتر است. پوسته زمین به قطعات متعددی به نام صفحات تقسیم شده­اند. مواد مذاب داخل زمین از کنار همین صفحات راهی برای خروج به سطح زمین پیدا می‌کند. قسمت بالایی پوسته زمین با درصد بالایی از سیلیکات و ترکیبات مشتق شده از آن تشکیل شده است. هسته (لایه داخلی و مرکزی) از گداخته‌ها (ماگما) و سنگ‌های ذوب شده‌ای که به دور مرکزی از جنس آهن می‌چرخند تشکیل شده است. واپاشی آهسته مواد رادیو اکتیو موجود در لایه­های مختلف اولین علت و فشاره لایه های بالایی را دومین علت وجود گرما داخل زمین تلقی کرده اند.جبه، لایه‌ای است با ضخامت 1900 کیلومتر که حالت الاستیک و جریانی دارد و شکستگی در سنگها اتفاق نمی افتد و خواص الاستیکی برقرار است. برعکس پوسته که بدلیل شکننده بوده دارای چین خوردگی و گسلش هست، در گوشته (جبه) سنگ حالت شکل پذیر دارد.
همانطور که گفته شد، در مرز صفحات کوه‌های آتشفشانی (در خشکی و اقیانوس) وجود دارند. وقتی که آتشفشان‌ها شروع به فعالیت می­کنند، مواد مذاب از زیر زمین فوران می‌کنند. این مواد از یک مخزن ماگما هستند که باور بر این است که در اعماق، آب‌ها و سنگ‌ها گرما لازمه برای گرم شدن را از ماگما می‌گیرند. مادامی که به عمق بیشتری برویم، دمای آب و سنگ‌ها هم بالاتر می‌رود. در سراسرجهان می­توان با حفاری چاه‌های عمیق و پمپ آب و بخار آب گرم به سطح زمین؛ از انرژی زمین گرمایی برای گرم کردن خانه و تولید انرژی الکتریسیته استفاده کرد.
سازوکار تولید گرما در داخل زمین
دما در مرکز زمین (به عمق تقریبی 6400 کیلومتر) که در حدود 4000 درجه سانتیگراد است، به‌عنوان یکمنبع اصلی حرارتی عمل نموده و باعث تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 سانتیگراد در اعماق نزدیک به پوسته یعنی 70 تا 100 کیلومتری از سطح زمین می‌گردد.

منابع آب داغ
منابع آب داغ(یا هیدروترمال) منابع آبی هستند که در زیر زمین داغ شده، در نهایت به سطح زمین انتقال پیدا می‌کنند که در میان متعدد منابع زمین‌گرمایی این منبع، امروزه دارای بیشترین کاربرد است.
تخته سنگ‌های خشکِ داغ
وجود تخته سنگ‌های بسیار عظیم با منبع گرمایی آتشفشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و بافت بسیار سختی دارند. به سیستم‌های بهره‌برداری از این منابع سامانه‌های زمین‌گرمایی پیشرفته (Enhanced Geothermal Systems) و به اختصار EGS گفته می‌شود. از آنجا که در همه نقاط کره زمین در اعماق گرما با شدت‌های مختلف وجود دارد و تنها محدودیت نبودن منابع آب می‌باشد لذا با کمک این سیستم می‌توان رشد فزاینده­ای را در گسترش و پیشرفت انرژ‍ی زمین گرمایی ایجاد کرد. سیستم بهره‌برداری به این صورت می‌باشد که با حفر چاه‌های بسیار عمیق (با عمق 3 تا 6 هزار متر) به لایه‌های داغ زمین دسترسی پیدا کرده، سپس آب با فشار بالا به چاه تزریق شده که در اثر این فشار هیدرولیکی در سنگ درزه ایجاد می‌شود. همین کار برای چاه تولیدی نیز انجام می‌شود و بین دو چاه ارتباط مستقیم برقرار می­شود. بنابراین، آب هنگام عبور از شکاف‌های ایجاد شده، انرژی گرمایی را از سنگ‌های داغ دریافت می­کند و از چاه تولیدی خارج و وارد چرخه نیروگاه می‌شود. درجه حرارت آب حاصل از این منابع بین ۱۳۵ تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد بوده و در این حالت باعث افزایش بازده نیروگاه تا ۱۵ درصد وجود دارد.
منابع تحت فشار زمین
این منابع، چشمه عظیمی هستند که از آب شور تشکیل شده­اند و از نظر شرایط به درجه­ای از اشباع رسیده‌اند و در لایه‌های میان صخره‌های اعماق زمین به صورت حبس شده وجود دارند. این منابع عمدتاً حاوی گاز شهری متان بصورت محلول هستند و در عمق 2 تا 6 کیلومتری از سطح زمین پیدا می‌شوند و درجه حرارت آن‌ها بین 80 تا 200 درجه سانتی گراد برآورد زده می‌شوند.
منابع ماگمایی
یکی از ایده‌آل‌ترین حالت ممکن برای منابع زمین گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین 700 تا 2000 درجه سانتیگراد است. با توجه به درجه حرارت بالای این مخازن و محدودیت‌های مهندسی موجود، امروزه از این منابع عظیم بهره برداری نمی‌شود.
منابع بخار خشک
دراین حالت بخار داغ حاصل از تبدیل مایع به گاز در اعماق، منابعی با درجه حرارت بسیار بالا هستند که بدلیل فرار بودن حالت گازی براحتی به بالا می­آیند، که از آن‌ها بخار خشک یا آمیزه‌ای از بخار و آب با درجه حرارت بسیار بالا موجود است که برای تولید جریان برق، این منابع دارای بهترین شرایط هستند، اما این مبنع در همه جای کره زمین به فراوانی یافت نمی­شود و مناطق محدودی دارای این بخار کارآمد هستند.

معایب
– مناطق مناسب برای استفاده از انرژی حرارتی بسیار محدود است. اگر انرژی حرارتی زمین در یک منطقه به مقدار زیادی مصرف شود، این منبع انرژی دیگر تجدیدپذیر نخواهد بود و به عبارتی دمای زمین در آن ناحیه کاهش می‌یابد.
– حفاری‌های به عمل آمده برای بیرون کشیدن حرارت زمین عمدتاً با خارج شدن گازهای سمی آمونیوم، بخار جیوه، ارستیک و ایزوتوپ‌های رادیو اکتیو همراه است. ساخت چنین نیروگاه‌هایی گران بوده و در مواردی خاص مقرون به ساخت هستند.
– بخار آب در این منابع بسیار پر سر و صدا و خطرناک است. در ضمن بعضی از لایه‌های زمین از گرانیت بوده و به سختی قابل حفاری هستند، بنابراین هزینه تولید انرژی را بالا خواهند برد.
– اثرات زیست‌محیطی: نیروگاه های حرارتی اثرات جانبی بر زیبایی محیط دارند و در بعضی موارد باعث مهاجرت حیوانات و ماهی‌ها شده‌اند.
مزیت‌ها
انرژی حاصل از گرمای زمین برای تولید برق، حرارت منزل و مصارف صنعتی قابل استفاده است. اگر چه هزینه ساخت نیروگاه با حرارت زمین زیاد است ولی هزینه انرژی آن خیلی کم است و در حقیقت رایگان است. چنین نیروگاه‌هایی آلودگی کم‌تر و مساحت کمی را اشغال می‌کنند. در ضمن هزینه انرژی مورد نیاز آن‌ها مجانی است. انرژی زمین گرمایی افزون بر تولید انرژی الکتریکی، کاربردهای دیگری از قبیل گرمایش ساختمان‌ها، فعالیت های صنعتی و ایجاد مراکز گردشگری برای بهره‌مندی از خواص درمانی آب‌های گرم درون زمین است