مزایا و خطرات انرژی زمین گرمایی

طی چند ماه گذشته هم مطبوعات معروف و هم نشریات تخصصی در زمینه انرژی های تجدیدپذیر، در مورد تجاری سازی یک فناوری جدید انرژی زمین گرمایی توسط یک شرکت نوپای مستقر در هیوستون به نام Fervo Energy، اخباری را منتشر کرده اند.

این رویکرد که سیستم‌های زمین گرمایی پیشرفته (EGS) نامیده می‌شود، از تکنیک‌های شکست هیدرولیکی (شکستگی) توسعه یافته توسط صنعت نفت و گاز برای دسترسی به انرژی زمین گرمایی در مکان‌هایی که آب زیرزمینی داغ به سطح زمین نمی‌رسد، استفاده می‌کند.

پیشرفت Fervo Energy تا حدودی مورد توجه قرار گرفت زیرا وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) مدت‌ها پتانسیل این فناوری را ارتقا داده است. دستاورد Fervo به اندازه کافی واقعی است. در اواخر سال جاری، این شرکت شروع به عرضه مقادیر کمی برق EGS به مراکز داده گوگل در نوادا خواهد کرد.

با وجود گزارش‌های درخشان توسط برخی منابع، EGS دارای جنبه‌های منفی قابل توجهی است و قبل از اینکه بتواند در مقیاس تفاوت ایجاد کند، به توسعه بسیار بیشتری نیاز دارد.

همانطور که خواهیم دید، توجه پرشور به EGS همچنین در دسترس بودن فناوری زمین گرمایی بسیار امیدوارکننده‌تر و سازگار با محیط‌زیست با پتانسیل زیاد برای افزایش انعطاف‌پذیری شبکه برق را رد می‌کند.

امروزه، بیشتر انرژی زمین گرمایی برای تولید الکتریسیته در مناطقی که گرمای زیرزمینی به طور قابل مشاهده به سطح زمین منتقل می شود - برای مثال در چشمه های آب گرم و آبفشان ها استفاده می شود. در ایالات متحده، این منبع تقریباً به طور کامل در ایالات غربی متمرکز شده است.

در این مکان‌های زمین گرمایی، بخار و آب داغ در دمای 100 تا 150 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر را می‌توان به راحتی استخراج کرد و از آن برای به حرکت درآوردن توربین‌های برق استفاده کرد و آب خنک‌تری که بیرون می‌آید در مکانی مجزا و نزدیک به زمین تزریق می‌شود.

سوئیچ برق زمین گرمایی، به اصطلاح، همیشه در موقعیت روشن است، بنابراین نیروگاه ها می توانند درصد بسیار بالایی از زمان را بدون وقفه معمول آرایه های باد و خورشیدی کار کنند. این امر الکتریسیته زمین گرمایی را برای تامین توان پایه به شبکه ایده آل می کند.

با این حال، نادر بودن این منبع به راحتی تا کنون سهم آن را به کمتر از نیمی از یک درصد ظرفیت تولید برق کشور محدود کرده است. اکنون طرفداران EGS می‌خواهند با ایجاد مخازن مصنوعی بزرگی که آب از طریق آنها می‌تواند به گردش درآید، به گرمای زیرزمینی زمین که در همه جا حاضر است، نفوذ کنند.

فناوری حفاری موجود ممکن است امکان دسترسی به این منبع گرمایی را تا عمق چهار مایلی یا بیشتر فراهم کند، جایی که دما ممکن است به 300 درجه سانتیگراد یا بالاتر برسد.

EGS در حال حاضر بسیار گران است، اما DOE آن را با هدف خوش‌بینانه شات زمین گرمایی تقویت‌شده تبلیغ می‌کند که هدف آن کاهش ۹۰ درصدی هزینه‌ها در عرض یک دوجین سال است و آن را قابل رقابت با دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر می‌کند.

وزارت انرژی آمریکا همچنین یک پروژه بزرگ نمایش EGS در یوتا، رصدخانه مرزی برای تحقیقات در انرژی زمین گرمایی (FORGE) را با امید به توسعه فناوری های جدید حفاری که برای بخش خصوصی جذاب است، تامین می کند.

اگر این تلاش‌ها به ثمر بنشیند، DOE تخمین می‌زند که نیروگاه‌های زمین گرمایی می‌توانند حدود 10 درصد از تولید برق ایالات متحده را تا سال 2050 تأمین کنند که در مقایسه با امروز افزایش قابل توجهی دارد.

اگرچه ممکن است این فناوری محدود به غرب ایالات متحده باشد، زیرا دمای زیرزمینی در بخش‌های مرکزی و شرقی این کشور بسیار سردتر است، حتی چهار مایل پایین‌تر. دمای بالاتر آب، کارایی تولید برق را افزایش می‌دهد و سرمایه‌گذاری‌ها را از نظر تجاری قابل دوام‌تر می‌کند.

موفقیت در این تلاش به راحتی به دست نخواهد آمد. در شکستگی معمولی، مخلوطی از آب، ماسه و مواد شیمیایی با فشار بالا به سازندهای شیل تزریق می‌شود که باعث می‌شود سنگ ترک بخورد و نفت و گاز بسیار بیشتری نسبت به روش‌های معمولی تولید کند.

فرکینگ شامل حفاری افقی است: پس از رسیدن یک چاه به عمق چندین مایلی، مته می چرخد و به مدت یک مایل یا بیشتر به صورت افقی پیش می رود. اما هیچ گردشی از مخلوط تزریقی وجود ندارد، که قبل از بیرون آمدن نفت و گاز به سمت لوله حفاری جریان می یابد.

در مقابل، EGS نیاز به حفاری دو چاه عمیق در یک فاصله مناسب دارد و سپس آنها را در اعماق زیرزمین به هم متصل می کند تا حلقه ای برای گردش آب تزریق شده ایجاد شود. به نظر می رسد که این کاملاً چالش برانگیز و سایت خاص است و هر پروژه جدید را به یک تلاش منحصر به فرد تبدیل می کند. درک نادرست زمین شناسی محلی احتمالاً بر هر تلاش تأثیر می گذارد.

به عنوان مثال، مشخص نیست که اعماق زمین همیشه گرما را با همان سرعتی که از بین می رود تامین کند. و EGS بسیاری از خطرات بالقوه مشابه شکسته شدن نفت و گاز را به همراه دارد: زلزله های ناشی از آن، آلودگی آب های زیرزمینی، اثرات زیست محیطی در سایت های حفاری، و اثرات سلامت انسان در جوامع خط مقدم.

طرفداران استدلال می کنند که این فناوری تمیزتر از فرکینگ نفت و گاز خواهد بود، که یک ادعای منطقی پس از شروع عملیات است، اما در مرحله توسعه طولانی مدت بسیار کمتر قابل اعتماد به نظر می رسد.

پیگیری EGS منعکس کننده یک رویکرد خاص آمریکایی در توسعه انرژی است: بیشتر بهتر است، به هر وسیله ای که لازم است تسلط داشته باشید، و نگران عواقب آن نباشید. این ذهنیت صنعت فرکینگ نفت و گاز را به حرکت درآورد، و به وضوح در EGS نیز به نمایش گذاشته شده است.

البته، ما نیاز به تولید مقدار زیادی برق جدید بدون کربن برای جایگزینی زغال سنگ و گاز طبیعی داریم، اما دقیقا چقدر بیشتر به تقاضا بستگی دارد. و اینجاست که نوآوری های متمایز انرژی زمین گرمایی در دمای پایین آماده ایجاد تفاوت هستند.

ذخیره گرمای اضافی در زیر زمین در ماه‌های گرم و بازیابی آن در زمانی که دما پایین است، تقاضای برق برای گرمایش، سرمایش و آب گرم را در خانه‌ها و مشاغل کاهش می‌دهد.

این فناوری که ذخیره انرژی حرارتی زیرزمینی نام دارد، به خوبی در اروپا توسعه یافته است و ممکن است آماده گسترش در ایالات متحده باشد. هزینه آن بسیار کمتر است و اثرات زیست محیطی کمتری نسبت به EGS دارد.

استقرار UTES در مقیاس می‌تواند بازتاب گسترده‌ای داشته باشد و مقیاس و دامنه تولید برق جدید، زیرساخت‌های انتقال و ذخیره باتری در سراسر کشور را کاهش دهد.

UTES به این دلیل کار می کند که سطح کم عمق زمین بدون توجه به دمای محیط در سطح زمین، دمای تقریباً ثابتی را در تمام طول سال حفظ می کند.

فناوری پایه به سادگی یک پمپ حرارتی منبع زمینی است که از یک کمپرسور تشکیل شده است که یک مبرد را در داخل پمپ به گردش در می آورد و به یک مبدل حرارتی داخلی متصل می شود. در ماه های گرم، سطح کم عمق بسیار خنک تر از هوا است و مبدل حرارتی گرما را از ساختمان خارج می کند و به مبرد وارد می کند.

به نوبه خود، مبرد با یک مبدل حرارتی دوم ارتباط برقرار می کند، که گرمای ساختمان را به یک سیال در یک حلقه بسته منتقل می کند که به داخل زمین خنک نفوذ می کند، جایی که در نهایت گرمای داخل تحویل می شود. این فرآیند در ماه های سرد، زمانی که زیرسطح منبع گرما است، معکوس می شود.

یک طراحی جایگزین پمپ حرارتی، حلقه باز است، که مبدل حرارتی و مبرد رو به بیرون را حذف می‌کند و مستقیماً از آب‌های زیرزمینی برای اتصال با مبدل حرارتی داخلی استفاده می‌کند. البته این نیاز به تامین آب شیرین کافی دارد.

در محیط‌های شهری و حومه‌ای، که در آن UTES عمدتاً اعمال می‌شود، ساختمان‌های فردی به هم متصل می‌شوند تا یک سیستم گرمایش و سرمایش منطقه‌ای را تشکیل دهند. هر ساختمان توسط لوله های زیرزمینی به یک ایستگاه انرژی مرکزی متصل می شود که آب گرمایش یا خنک کننده را در سراسر منطقه به گردش در می آورد.

ایستگاه انرژی واسطه انتقال گرما بین کل منطقه و زیرسطح عمیق تر است، یا از طریق یک سیستم حلقه باز که در یک سفره زیرزمینی گردش می کند (ذخیره انرژی حرارتی آبخوان، ATES) یا یک سیستم حلقه بسته که گرما را از طریق لوله های امتداد یافته به زمین جامد منتقل می کند (ذخیره انرژی حرارتی گمانه؛ BTES).

نواحی ممکن است شامل یک محله حومه شهر، مجموعه ای از ساختمان های بیمارستان، یک شرکت یا محوطه دانشگاه یا برخی پیکربندی های دیگر باشد. حدود 3500 سیستم ATES در حال حاضر در هلند کار می کنند، جایی که این فناوری به بهترین وجه توسعه یافته است.

طراحی و ساخت سیستم‌های گرمایش و سرمایش منطقه‌ای که به خوبی کار می‌کنند نیازمند درک کاملی از زمین‌شناسی محلی، ویژگی‌های آب‌های زیرزمینی و جریان‌های گرمای زیرسطحی است. برای ذخیره انرژی فصلی، مخازن سرد و گرم جداگانه باید در موقعیت های متمایز در یک سفره زیرزمینی (برای ATES) یا در خاک جامد و محیط سنگ (برای BTES) نگهداری شوند.

به طور معمول، گمانه‌ها یا سفره‌های زیرزمینی در 500 تا 1000 فوت زیر سطح قرار دارند - بسیار کم‌عمق‌تر از EGS، اما با این وجود هنوز به تلاش قابل توجهی برای مهار صحیح نیاز دارند. همچنین ضروری است که ظرفیت سیستم را با برداشتن یا وارد کردن گرمای بیش از حد بارگذاری نکنید، که با کاهش اختلاف دما بین محیط های سطحی و زیرسطحی، کارایی را کاهش می دهد.

چه چیزی استقرار سیستم های ATES و BTES را در ایالات متحده محدود می کند؟ در یک وبینار اخیر که توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده حمایت می شود، مارک ورتینگتون، موسس یک شرکت آمریکایی که این سیستم ها را طراحی و نصب می کند، تعدادی از موانع را شناسایی کرد که باید برطرف شوند.

بر خلاف هلند و کشورهای مجاور که دارای زمین شناسی زیرسطحی نسبتاً یکنواخت و سفره های زیرزمینی فراوان هستند، زمین شناسی زیرسطحی کم عمق در ایالات متحده بسیار متنوع است. این به هزینه‌های اولیه می‌افزاید، زیرا طراحی و بررسی اولیه، از جمله مدل‌سازی رایانه‌ای جریان‌های آب زیرزمینی و گرما، باید دقیق‌تر باشد.

همچنین کمبود آگاهی عمومی در مورد این فناوری وجود دارد، به طوری که تعداد کمی از شاغلین یا پروژه های نمونه برای ابتکارات جدید وجود دارد.

در نهایت، این پروژه ها به اندازه کافی در مقیاس قابل توجه هستند که نیاز به حمایت مردمی دارند، به ویژه در محیط های شهری که فضای باز در آنها بسیار مهم است، و حفاری و پتانسیل لازم برای آلودگی زیرسطحی ممکن است در صورت عدم مشارکت جامعه محلی، مخالفت ایجاد کند.

اگرچه ایالات متحده در استفاده سودمند از منابع زیرسطحی کم‌عمق از اروپا عقب‌تر است، تعدادی از ابتکارات اخیر نشان می‌دهد که جزر و مد در حال تغییر است. اعتبارات مالیاتی جدید در قانون فدرال کاهش تورم شامل انرژی زمین گرمایی می شود و سرمایه گذاری خصوصی را جذاب تر می کند.

اقدام مستقیم نیز در سطوح ایالتی و اجتماعی آغاز شده است. سال گذشته، کتی هوچول، فرماندار نیویورک، یک قانون کلیدی، قانون شبکه های حرارتی آب و برق و مشاغل را امضا کرد که به شرکت های برق اجازه می دهد انرژی حرارتی را در خطوط لوله زیرزمینی توزیع و بفروشند.

این قانون، شاید اولین در نوع خود باشد، ساخت زیرساخت ها را برای گرمایش و سرمایش زمین گرمایی منطقه ای تسهیل می کند. قانون مشابهی در حال حاضر در مریلند در حال تدوین است. این طرح‌ها فرصت‌های درآمد سبز را برای شرکت‌های گاز طبیعی در هر دو ایالت باز می‌کند و یک مدل تجاری جدید بسیار مورد نیاز را ارائه می‌دهد.

شرکت‌های برق نیویورک و مریلند قادر خواهند بود تلاش‌های پیشگام Eversource، شرکت گاز طبیعی محلی در فرامینگهام، ماساچوست را دنبال کنند که در ماه ژوئن بر روی یک سیستم زمین گرمایی شبکه‌ای حلقه بسته که 40 ساختمان را به سطح زیرین متصل می‌کند، راه‌اندازی کرد.

شرکت گاز طبیعی ورمونت نیز در لبه پیشروی تنوع قرار دارد و احتمالاً به زودی از آن پیروی خواهد کرد.

همانطور که این طرح ها ایجاد می شوند، شرکت های برق بیشتری در ایالت هایی با قوانین آب و هوای سالم احتمالاً از این روند پیروی می کنند، زیرا تلاش های آنها با دستورات کربن زدایی مطابقت دارد.

EGS و UTES ابعاد کاملاً متضاد انتقال انرژی سبز را نشان می دهند. EGS یک تلاش بسیار بلندپروازانه، وابسته به فناوری و از بالا به پایین است که عمدتاً خارج از دید عموم در حال توسعه است، در حالی که UTES یک رویکرد ساده و کم فناوری را با استفاده از روش‌های شناخته شده نشان می‌دهد، اما به شدت وابسته به مشارکت مولد در بین شرکت‌های ابزار، سرمایه‌گذاران، مصرف‌کنندگان است.

حامیان عدالت محیطی و اجتماعی این که چگونه این ابتکارات در سال‌های آینده آشکار می‌شود، موضوعی است که به شدت مورد توجه و اهمیت قرار خواهد گرفت.

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.