انرژی حرارتی موجود در زیر پوسته زمین، انرژی زمین‌ گرمایی نامیده می‎شود. در حقیقت زمین منبع عظیمی از انرژی حرارتی است که ‌این حرارت به طرق متفاوتی از جمله فوران‎های آتشفشانی، آب‎های موجود در سیستم‎های زمین‌گرمایی و یا بواسطه خاصـیت رسـانایی از بخش‌های درونی به سطح زمین هدایت می‎شود. 

شکل 1) اطلس و پهنه بندی انرژی زمین گرمایی کشور

مشاهدات به عمل آمده از معادن عمیق و چاه‎های حفاری شده نشان می‌دهد که درجه حرارت سنگ‎ها به طور پیوسته با عمق زمین افزایش می‌یابد، هر چند نرخ افزایش درجه حرارت ثابت نیست. با‌ این روند، درجه حرارت در قسمت بالایی جبه به مقادیر بالایی ‌می‎رسد و سنگ‎ها در ‌این قسمت به نقطه‎ی ذوب خود نزدیک ‌می‌شوند. مطالعات نشان می‌دهد که زمین در زمان پیدایش (حدود 4.5 میلیارد سال قبل) حالت مذاب داشته، تدریجاً سرد شده و بخش خارجی آن به صورت جامد درآمده است. اما بخش‎های داخلی آن، به دلیل‌کندی از دست دادن گرما، حالت مذاب خود را حفظ کرده و دارای درجه‎ حرارت بالایی است و می‎تواند منبع گرمایی درونی پوسته باشد که از هسته به طرف خارج منتقل می‎شود. گرما از هسته‎ زمین به طور پیوسته به طرف خارج حرکت می‌کند.‌این جریان از طریق انتقال و هدایت گرمایی، گرما را به لایه‎های سنگی مجاور (جبه) می‎رساند. وقتی درجه‎ حرارت و فشار به اندازه کافی بالا باشد، بعضی از سنگ‎های جبه ذوب ‌می‌شوند و ماگما به وجود می‌آید. سپس به دلیل سبکی و تراکم کمتر نسبت به سنگ‎های مجاور، ماگما به طرف بالا منتقل می‎شود و گرما را در جریان حرکت، به طرف پوسته زمین حمل می‌کند.

گاهی اوقات، ماگمای داغ به سطح زمین‌ می‎رسد و گدازه را به وجود می‏آورد. اما بیشتر اوقات، ماگما در زیر سطح زمین باقی می‎ماند و سنگ‎ها و آب‎های مجاور را گرم می‌کند.‌ این آب‎ها بیشتر منشاء سطحی دارند و حاصل آب بارانی هستند که به اعماق زمین نفوذ کرده است. بعضی از ‌این آب‎های داغ از طریق گسل‎ها و شکست‎های زمین به طرف بالا حرکت می‌کنند و به سطح زمین می رسند که به عنوان چشمه‎های آب گرم و آبفشان شناخته ‌می‌شوند. اما بیشتر‌این آب‎ها در اعماق زمین، در شکاف‎ها و سنگ‎های متخلخل محبوس می‎مانند و منابع زمین گرما را به وجود می‎آورند. مناطق دارای چشمه‎های آب گرم و آبفشان‎ها، اولین مناطقی هستند که در آن‎ها انرژی زمین گرمایی مورد بهره برداری قرار گرفته و توسعه یافته است. در حال حاضر، تقریباً تمام نیروی الکتریسیته حاصل از انرژی زمین گرمایی از چنین مکان‎هایی به دست می‌آید. در بعضی از مناطق، تزریق ماگما به درون پوسته زمین، به اندازه کافی جدید و هنوز خیلی داغ است. در ‌این نواحی، درجه حرارت سنگ ممکن است به 300 درجه سانتی گراد برسد و مقادیر عظیمی انرژی گرمایی فراهم‌کند. بنابراین، انرژی زمین گرمایی در مکان‎هایی که فرایندهای زمین‎شناسی اجازه داده‎اند ماگما تا نزدیکی سطح زمین بالا بیاید، یا به صورت گدازه جریان یابد، می‎تواند تشکیل شود. 

شکل2) ساختار شماتیک یک نیروگاه زمین گرمایی

 ماگما نیز در سه منطقه می‎تواند به سطح زمین نزدیک شود: 

الف- محل برخورد صفحات قاره‌ای و اقیانوسی (فرورانش)؛ مثلا حلقه آتش دور اقیانوس آرام. 

ب- مراکز گسترش؛ محلی که صفحات قاره‌ای از هم دور ‌می‌شوند؛ نظیر‌ایسلند و دره کافتی آفریقا.

  ج- نقاط داغ زمین؛ نقاطی که ماگما را پیوسته از جبه به طرف سطح زمین می‎فرستند و ردیفی از آتشفشان را تشکیل می‎دهند.

کاربرد انرژی زمین گرمایی از زمان‎های دور، مردم از آب زمین گرمایی که آزادانه در سطح زمین به صورت چشمه‎های گرم جاری بودند، استفاده کرده‎اند. برای مثال رومی‎ها از ‌این آب برای درمان امراض پوستی و چشمی بهره می‏گرفتند. در بمبئی هندوستان برای گرم کردن خانه‎ها از آن استفاده می‎شد. 

شکل3) پتانسیل انرژی زمین گرمایی در پهنه کشور‌ایران 

بومی‎های آمریکا نیز از آب زمین گرمایی برای پختن و مصارف دارویی بهره می گ‏رفتند. امروزه، با حفر چاه به درون مخازن زمین گرمایی، و مهار آب داغ و بخار، از آن برای تولید نیروی الکتریسیته در نیروگاه زمین گرمایی و یا مصارف دیگر بهره‎برداری می‌کنند. در نیروگاه زمین گرمایی، آب داغ و بخار خارج شده از مخازن زمین گرمایی، نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می‌آورد و انرژی الکتریسیته تولید می‌کند. آب مورد استفاده، از طریق چاه‎های تزریق به مخزن برگشت داده می‎شود تا دوباره گرم شود و در عین حال، فشار مخزن حفظ، و تولید آب داغ و بخار تقویت شود و ثابت باقی بماند.

سه نوع نیروگاه زمین گرمایی برای تولید برق وجود دارد:

الف- نیروگاه خشک:‌

این نیروگاه روی مخازن ژئوترمالی که بخار خشک با آب خیلی کم تولید می‌کنند، ساخته ‌می‌شوند. در‌این روش، بخار از طریق لوله به طرف نیروگاه هدایت می‎شود و نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می‌کند.‌ این گونه مخازن با بخار خشک کمیاب است. بزرگترین میدان بخار خشک در دنیا، آب گرم جیزرز در 90 مایلی شمال کالیفرنیا است که تولید الکتریسیته در آن، از سال 1962 شروع شده است و امروزه به عنوان یکی از موفق ترین پروژه‎های تولید انرژی جایگزین محسوب می‎شود.

ب- نیروگاه بخار حاصل از آب داغ:

‌این نوع نیروگاه روی مخازن دارای آب داغ احداث می‎شود. در ‌این مخازن با حفر چاه، آب داغ به سطح می‌آید و به دلیل آزاد شدن از فشار مخازن، بخشی از آن به بخار تبدیل می‎شود. ‌این بخار برای چرخاندن توربین به کار ‌می‎رود. چنین نیروگاه‎هایی عمومیت بیشتری دارند، زیرا بیشتر مخازن زمین گرمایی حاوی آب داغ هستند. فناوری مزبور برای اولین بار در نیوزیلند به کار گرفته شد.

ج- نیروگاه ترکیبی (بخار و آب داغ): 

در‌این سیستم، آب گرم از میان یک مبدل گرمایی می‎گذرد و گرما را به یک مایع دیگر می‌دهد که نسبت به آب در درجه حرارت پائین‌تری می‏جوشد. مایع دوم در نتیجه گرم شدن به بخار تبدیل می‎شود و پره‎های توربین را می‎چرخاند سپس متراکم می‎شود و مایع حاصله دوباره مورد استفاده قرار‌ می‎گیرد. آب زمین گرمایی نیز دوباره به درون مخازن تزریق می‎شود. ‌این روش برای استفاده از مخازنی که به اندازه کافی گرم نیستند که بخار با فشار تولید‌ کنند، به کار‌می‎رود. کشورهایی که در حال حاضر از مخازن زمین گرمایی برای تولید الکتریسیته استفاده می‌کنند، عبارتند از آمریکا، نیوزیلند، ‌ایسلند، مکزیک، فیلیپین، اندونزی و ژاپن. استفاده از‌این انرژی در بسیاری از کشورها در حال گسترش است. راه حل استفاده بیشتر از انرژی زمین گرمایی، افزایش سرمایه‎گذاری و تقویت فناوری های مرتبط با زمین گرمایی است.-

به رغم پتانسیل‎های بسیار مناسب به منظور کاربرد انرژی زمین گرمایی، به دلیل نبود سیاست‎گذاری‎های کلان در زمینه به کارگیری انرژی تجدیدپذیر، و فقدان فناوری مناسب در خصوص حفاری عمیق، مهندسی مخازن، ساخت و نیز بهره‎برداری از نیروگاه‎های زمین گرمایی، و بالاخره وجود رقیب سرسخت منابع ارزان سوخت‎های فسیلی، بهره‏برداری از پتانسیل‎های مزبور کماکان جدی گرفته نشده است. 

انرژی زمین گرمایی به پنج صورت در طبیعت یافت می‌شود:

منابع آب داغ:

منابع آب داغ (آب گرمایی یا هیدروترمال) منابع آبی هستند که در زیر زمین داغ شده، سپس به سطح زمین انتقال پیدا می‌کنند که در میان انواع منابع زمین گرمایی این منابع امروزه دارای بیشترین کاربرد هستند. این نوع منابع زمین گرمایی خود به سه گروه تقسیم می‌شوند:

• مخازن دما بالا با دمای بالاتر از °C150 که مناسب برای تولید برق با تکنیک‌های معمولی
• مخازن با دمای بین ۱۰۰ الی °C150 که مناسب برای تولید برق با تکنیک‌های پیشرفته‌تر باینری
• مخازن دما پائین با دمای کمتر از °C100 و مناسب برای کاربردهای مستقیم

منابع بخار خشک:

منابعی با درجه حرارت بسیار بالا که از آن‌ها بخار خشک یا آمیزه‌ای از بخار و آب با درجه حرارت بسیار بالا به دست می‌آید که برای تولید برق این منابع دارای بهترین شرایط هستند، اما این منابع در مناطق محدودی یافت می‌شوند

منابع تحت فشار زمین:

منابع عظیمی هستند که از آب شور تشکیل یافته‌اند و از نظر شرایط کلی به درجه اشباع رسیده‌اند و در لایه‌های میان صخره‌های اعماق زمین به صورت محبوس وجود دارند. این منابع عمدتاً حاوی گاز متان محلول هستند و در عمق ۳ تا ۶ کیلومتری از سطح زمین یافت می‌شوند و درجه حرارت آن‌ها بین ۹۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد تخمین زده می‌شوند.

تخته سنگ‌های خشکِ داغ:

تخته سنگ‌های بسیار عظیم با منبع آتشفشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و بافت سخت دارند. به سیستم‌های بهره‌برداری از این منابع سامانه‌های زمین گرمایی پیشرفته (Enhanced Geothermal Systems) و به اختصار EGS گفته می‌شود. از آنجا که در همه جای کره زمین در اعماق گرما با شدت‌های مختلف وجود دارد و تنها محدودیت موجود نبود منابع آب می‌باشد لذا با کمک این سیستم می‌توان رشد چشمگیری را در گسترش و پیشرفت انرژ‍ی زمین گرمایی رقم زد. سیستم بهره‌برداری به این صورت می‌باشد که با حفر چاه‌های بسیار عمیق (با عمق ۴ تا ۶ 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 شکاف ایجاد می‌شود. همین کار برای چاه تولیدی نیز انجام می‌شود و بین دو چاه ارتباط برقرار می‌گردد. بدین صورت آب هنگام عبور از شکاف‌های ایجاد شده، حرارت را از سنگ‌های داغ دریافت 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 امکان افزایش بازده نیروگاه تا ۱۵ درصد وجود دارد.

منابع ماگمایی

این منابع که آن‌ها را اغلب به نام گدازه‌ها می‌شناسیم، در واقع ایده‌آل‌ترین حالت ممکن برای منابع زمین گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین ۷۰۰ تا ۲ هزار درجه سانتی گراد است. با توجه به درجه حرارت بالای این مخازن و محدودیت‌های فنی موجود، امروزه از این منابع عظیم بهره برده نمی‌شود؛ که با توجه به فناوری امروزه فقط از منابع آب گرمایی (هیدروترمال) جهت مصارف مستقیم و غیر مستقیم استفاده می‌شود.