داغ شدن بازار انرژی زمین گرمایی

انرژی زمین گرمایی که مدت‌ها محدود به مناطق دارای فعالیت های آتشفشانی بوده است، نوید تبدیل شدن به منبع انرژی بسیار متنوع‌تری را به لطف فناوری‌های جدید می‌دهد.

درخشش در گستره های خشک صحرای نوادا (آمریکا) نوع غیرعادی نیروگاهی است که انرژی را نه از خورشید یا باد، بلکه از خود زمین استخراج می کند.

این سایت (نیروگاه) که به عنوان پروژه قرمز شناخته می شود، آب را هزاران فوت به - زیر - زمین پمپاژ می کند، جایی که سنگ ها به اندازه کافی داغ هستند تا یک بوقلمون را بریان کنند و در تمام طول فعالیت، سازه، آب گرم شده را به عقب می مکد.

سپس برای تغذیه ژنراتورها استفاده می شود و از نوامبر گذشته، این برق بدون کربن و زمینی به شبکه محلی در نوادا منتقل شده است.

انرژی زمین گرمایی، اگرچه پیوسته از هسته فوق‌العاده داغ زمین ساطع می‌شود، مدت‌ها منبع نسبتاً مهمی از الکتریسیته بوده است که عمدتاً محدود به مناطق آتشفشانی مانند ایسلند است که در آن چشمه‌های آب گرم از زمین حباب می‌کنند.

اما علاقه مندان به زمین گرمایی رویای تامین انرژی زمین را در مکان هایی بدون چنین شرایط زمین شناسی خاصی در سر می پرورانند مانند سایت Project Red's Nevada که توسط استارتاپ انرژی Fervo Energy توسعه یافته است.

چنین سیستم‌های زمین گرمایی نسل بعدی برای دهه‌ها در حال کار بوده‌اند، اما ثابت شده‌اند که گران‌قیمت بوده و از نظر فناوری دشوار بوده‌اند و حتی گاهی اوقات باعث ایجاد زلزله شده‌اند.

برخی از کارشناسان امیدوارند که تلاش‌های جدیدتر مانند Project Red در نهایت با استفاده از تکنیک‌هایی که در استخراج نفت و گاز برای بهبود قابلیت اطمینان و کارایی هزینه به کار رفته‌اند، نقطه عطفی را نشان دهد.

این پیشرفت‌ها این امید را به وجود آورده است که با صرف زمان و هزینه کافی، نیروی زمین گرمایی که در حال حاضر کمتر از 1 درصد از برق جهان و 0.4 درصد از برق را در ایالات متحده تولید می‌کند - می‌تواند به یک منبع اصلی انرژی تبدیل شود.

برخی معتقدند که زمین گرمایی می‌تواند ابزار ارزشمندی در انتقال سیستم انرژی از سوخت‌های فسیلی باشد، زیرا می‌تواند یک پشتیبان مداوم برای منابع انرژی متناوب مانند خورشید و باد فراهم کند.

رولاند هورنای مهندس انرژی از دانشگاه استنفورد می گوید: برای من، برای مدت طولانی امیدوارکننده ترین منبع انرژی بوده است. اما اکنون که ما به سمت یک شبکه بدون کربن حرکت می کنیم، زمین گرمایی بسیار مهم است.

شروع سنگلاخ

انرژی زمین گرمایی با دو چیز بهتر عمل می کند: گرما، به علاوه سنگی که به اندازه کافی برای حمل آب قابل نفوذ است، در مکان‌هایی که سنگ‌های مذاب نزدیک به سطح می‌چشند، آب از میان سنگ‌های آتشفشانی متخلخل نفوذ می‌کند، گرم می‌شود و به صورت آب داغ، بخار یا هر دو به سمت بالا حباب می‌شود.

اگر آب یا بخار به اندازه کافی داغ باشد - در حالت ایده آل حداقل حدود 300 درجه فارنهایت - می توان آن را از زمین استخراج کرد و برای تامین برق ژنراتورها استفاده کردف، در کنیا، نزدیک به 50 درصد برق تولید شده از زمین گرمایی تامین می شود و ایسلند 25 درصد برق خود را از این منبع تامین می کند، در حالی که نیوزلند حدود 18 درصد و ایالت کالیفرنیا 6 درصد.

آن رابرتسون تیت، زمین شناس، رئیس GeothermEx، بخش مشاوره انرژی زمین گرمایی در شرکت خدمات میدان نفتی SLB، می گوید: برخی از منابع طبیعی زمین گرمایی مانند غرب ایالات متحده هنوز استفاده نشده اند.

اما به طور کلی، منابع زمین گرمایی طبیعی و باکیفیت ما رو به اتمام است و کارشناسان را وادار می کند تا راه هایی را برای استخراج انرژی زمین گرمایی از مناطقی که دسترسی به انرژی بسیار سخت تر است، در نظر بگیرند.

رابرتسون-تیت می گوید: در زمین گرمای زیادی وجود دارد. اما، او می افزاید، بسیاری از آن در داخل سنگی قفل شده است که قابل نفوذ نیست، بهره برداری از آن گرما نیاز به حفاری عمیق و ایجاد شکاف در این سنگ های غیر آتشفشانی و متراکم دارد تا آب از میان آنها عبور کند.

از سال 1970، مهندسان در حال توسعه سیستم‌های زمین گرمایی پیشرفته (enhanced geothermal systems - EGS) هستند که دقیقاً این کار را انجام می‌دهند و روش‌هایی شبیه به شکستگی هیدرولیکی - یا شکستگی - که برای مکش نفت و گاز از سنگ‌های عمیق استفاده می‌شود، انجام می‌دهند، آب با فشار بالا به چاه‌ها تا عمق چند مایلی پمپ می‌شود تا شکاف‌ها را در سنگ‌ها منفجر کند.

سنگ و آب ترک خورده یک رادیاتور زیرزمینی ایجاد می کنند که در آن آب قبل از اینکه از طریق چاه دوم به سطح برسد گرم می شود و ده‌ها مورد از این قبیل تاسیسات enhanced geothermal systems در ایالات متحده، اروپا، استرالیا و ژاپن ساخته شده‌اند - اکثر آنها آزمایشی و با بودجه دولتی - با موفقیتی متفاوت.

معروف است، یکی از نیروگاه های EGS در کره جنوبی در سال 2017 به دلیل احتمال وقوع زلزله 5.5 ریشتری به طور ناگهانی تعطیل شد.

شکستگی از هر نوعی می تواند به گسل های تکتونیکی نزدیک فشار بیاورد، مسائل دیگر فنی بودند برخی از گیاهان شکستگی کافی برای تبادل حرارت خوب ایجاد نکردند، یا شکستگی ها در جهت اشتباه حرکت کردند و نتوانستند دو چاه را به هم وصل کنند.

با این حال برخی از تلاش ها به نیروگاه های قابل دوام تبدیل شد، از جمله چندین سیستم آلمانی و فرانسوی که بین سال های 1987 و 2012 در دره راین ساخته شدند. در آنجا مهندسان از شکستگی های موجود در سنگ استفاده کردند.

دیمیترا تزا، ژئوفیزیکدان از موسسه تحقیقات انرژی Fraunhofer IEG در کارلسروهه آلمان، که به توسعه برخی از سیستم‌های enhanced geothermal systems دره راین کمک کرد، می‌گوید به‌طور کلی، علاقه کافی برای توسعه enhanced geothermal systems به یک فناوری قابل اعتمادتر و پرسودتر وجود ندارد. (این برای صنعت بسیار سخت بوده است)

حرکت جدید

راه حل هایی هم برای مشکلات ایمنی و هم برای مشکلات فنی وجود دارد و در واقع، پروتکل های قوی برای جلوگیری از زلزله وجود دارد، مانند حفاری نکردن در نزدیکی گسل های فعال، نظارت بلندمدت کارخانه‌های EGS در فرانسه و آلمان تنها لرزش‌های جزئی را ثبت کرده است که اعتماد به ایمنی این فناوری را ایجاد می‌کند.

نکته مهم این است که روش حفاری و شکستگی به لطف رونق استخراج نفت و گاز از سنگ‌های شیل که در دهه 2010 آغاز شد، با جهش و حد و مرز بهبود یافته است.

ویلسون ریکس، محقق سیستم‌های انرژی در دانشگاه پرینستون، می‌گوید: از آن زمان، ما شاهد علاقه مجدد به EGS به‌عنوان یک مفهوم بودیم، زیرا تکنیک‌هایی که در enhanced geothermal systems نقش اساسی دارند، در آن زمان کامل شدند و هزینه‌های قابل توجهی کاهش یافتند.

به عنوان مثال، در سال 2015، وزارت انرژی ایالات متحده یک سایت تحقیقاتی را در یوتا راه اندازی کرد که به پیشرفت فناوری EGS اختصاص داشت. چندین استارت آپ جدید آمریکای شمالی، از جمله Sage Geosystems و E2E Energy Solutions، به ترتیب در حال توسعه سیستم های جدید enhanced geothermal systems در تگزاس و کانادا هستند.

پیشرفته ترین آنها Fervo Energy است که چندین تکنیک از صنعت شیل را در سایت نوادا به کار برده است، الکتریسیته اکنون یک شبکه محلی را تامین می‌کند که شامل مراکز ذخیره‌سازی داده‌های انرژی‌زا متعلق به گوگل است. (گوگل برای توسعه این کارخانه با Fervo همکاری کرد)

مهندسان تقریباً 8000 فوت به سمت پایین در صخره نوادا حفاری کردند و به دمای نزدیک به 380 درجه فارنهایت رسیدند و سپس در پایین، چاه افقی دیگری به طول 3250 فوت حفر کردند تا ناحیه سنگ داغی را که سیستم لمس می کند گسترش دهد - تکنیکی که در نفت استفاده می شود و استخراج گاز به منظور به حداکثر رساندن بازده.

این شرکت همچنین سنگ اطراف را در چندین مکان در امتداد چاه افقی شکست تا شبکه گسترده‌تری از شکاف‌ها برای عبور آب از آن ایجاد کند، هورنای که عضو هیئت مشاوره علمی Fervo است، می‌گوید از نظر فناوری، در مقایسه با تلاش‌های قبلی enhanced geothermal systems، در واقع یک گام بزرگ رو به جلو هستند.

باید دید این سیستم‌های جدید EGS در بلندمدت چگونه عمل می‌کنند، طبق تحقیقات اخیر Ricks، یکی از همکاران پرینستون و چندین متخصص در Fervo Energy، یکی از مزیت‌های سیستم‌هایی مانند Fervo's این است که می‌توان با بهره‌گیری از نوسانات قیمت انرژی سودآورتر شد.

اپراتورها می توانند چاه های خروجی را ببندند و باعث جمع شدن آب در داخل سیستم و افزایش فشار و گرما شوند، سپس انرژی را می توان در زمان هایی که بیشترین ارزش را دارد استخراج کرد مانند دوره های ابری یا بدون باد که خورشید یا باد کار نمی کنند.

ریک می گوید، با این حال، چنین سیستم هایی باید به طور قابل توجهی بزرگ شوند تا از نظر تجاری قابل دوام باشند، اگرچه Project Red بخار کافی برای تولید 3.5 مگاوات، برای تامین برق بیش از 2500 خانه و بیش از هر نیروگاه enhanced geothermal systems دیگری را فراهم کرد، اما هنوز نسبتاً کوچک است.

یک نیروگاه هسته ای یا زغال سنگ به راحتی می تواند 1000 مگاوات خروجی داشته باشد، در حالی که نیروگاه های بزرگ خورشیدی یا زمین گرمایی سنتی اغلب چند صد مگاوات تولید می کنند.

ریکز می‌گوید آنچه حوزه enhanced geothermal systemsEGS در حال حاضر به آن نیاز دارد، بودجه برای ساخت و آزمایش بیشتر چنین سیستم‌هایی است تا اعتماد سرمایه‌گذاران را برانگیزد، او می‌گوید: همه اینها باید به خوبی اثبات شود، تا جایی که ریسک درک شده کم است.

نقطه عطفی برای زمین گرمایی؟

به همین منظور، وزارت انرژی ایالات متحده اخیراً 60 میلیون دلار بودجه به سه پروژه نمایشی برای enhanced geothermal systems و فناوری های مرتبط به عنوان بخشی از یک ابتکار گسترده تر برای سرعت بخشیدن به توسعه enhanced geothermal systems اعطا کرد.

حتی افزایش چند درصدی نیز می‌تواند به انتقال انرژی جهانی کمک کند که هدف آن رسیدن به انتشار خالص کربن صفر تا سال 2050 است.

نیلز می‌گوید: اگر در پانزده، بیست سال آینده، EGS قابل دوام باشد، فکر می‌کنم می‌تواند نقش بزرگی ایفا کند. (Angliviel de La Beaumelle، که اخیراً مقاله‌ای درباره چشم‌انداز جهانی انرژی‌های تجدیدپذیر در بررسی سالانه محیط‌زیست و منابع نوشته است)

سایر فناوری های زمین گرمایی نیز ممکن است کمک کنند، برخی از شرکت‌ها در حال بررسی امکان‌سنجی زمین گرمایی سنگ فوق‌العاده داغ هستند، اساساً یک نوع بروز و شدید از enhanced geothermal systems که شامل حفاری حتی عمیق‌تر در پوسته زمین است، تا عمقی که آب به حالت بخار مانند فوق بحرانی می‌رسد که به آن اجازه می‌دهد. (برای حمل انرژی بسیار بیشتر از بخار یا مایع)

در جنوب آلمان، شرکت انرژی Eavor در حال ساخت اولین سیستم زمین گرمایی حلقه بسته در جهان است: هنگامی که لوله‌ها آب را به درون سنگ عمیق می‌برند، سیستم به شبکه‌ای از گمانه‌های موازی می‌پیوندد، بدون اینکه آب هرگز به سنگ نفوذ کند، تزا می‌گوید که این یک روش قابل پیش‌بینی‌تر - البته کمتر کارآمد - برای گرم کردن آب است، زیرا شامل عدم قطعیت در مورد شکستن سنگ به روش صحیح نیست.

او می‌گوید: من واقعاً از دیدن سرمایه‌گذاری روی این فناوری‌ها هیجان‌زده هستم. (من فکر می کنم فقط این فناوری ها هستند که می توانند کمک کنند)

رابرتسون-تیت می‌گوید که به طور کلی، این یک لحظه مهم برای انرژی زمین گرمایی است و نه فقط برای تامین برق بدون کربن. آب نمک های زمین گرمایی که از زمین خارج می شوند سرشار از لیتیوم و سایر مواد معدنی حیاتی هستند که می توان از آنها برای ساخت فناوری های سبز مانند پنل های خورشیدی و باتری های برقی استفاده کرد.

فشار فزاینده ای برای استفاده از گرمای زمین گرمایی مستقیم برای گرم کردن ساختمان ها وجود دارد، یا از طریق پمپ های حرارتی کم عمق برای ساختمان های مسکونی یا سیستم های بزرگتر طراحی شده برای کل مناطق (شهری) مانند پاریس و مونیخ که از قبل وجود داشته اند.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.