انرژی زمین‌گرمایی (به انگلیسی: Geothermal energy) به انرژی حرارتی که در پوستهٔ جامد زمین وجود دارد گفته می‌شود. این‌گونه انرژی اغلب در جهت تولید الکتریسیته زمین‌گرمایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که به چرخه تولید انرژی الکتریکی از انرژی زمین‌گرمایی گفته می‌شود. فناوری مورد استفاده در طرح‌های تولید برق از انرژی زمین‌گرمایی شامل نیروگاه‌های بخار خشک، نیروگاه‌های تبدیل بخار سیال و نیروگاه چرخه دوگانه است. توجه به انواع انرژی  غیر وارداتی و متفاوت از سوخت فسیلی نکته‌ای است که در بسیاری از کشورهای دنیا مبنای برنامه ریزی‌های بلند مدت قرار گرفته است. از سوی دیگر با افزایش بحران آلاینده‌های ناشی از سوخت های فسیلی، توجه به فاکتورهای زیست محیطی توسط ارگان ها و نهادهای بین المللی و نیز توجه برنامه ریزان به استفاده از انرژی تجدیدپذیر موجب گردیده تا امروزه به این مباحث با جدیت بیشتری پرداخته شود. انرژی زمین گرمایی نیزیکی از منابع انرژی های تجدیدپذیر می باشد. اصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermal است که ریشه یونانی داشته و از کلمات Geo به معنای زمین و Therme به معنی حرارت تشکیل شده است. انرژی زمین گرمایی، انرژی موجود در عمق زمین است که از انرژی خورشیدی که در طول هزاران سال در داخل زمین ذخیره شده و همچنین فروپاشی یا زوال ایزوتوپ های اورانیوم رادیو اکتیویته،توریم و پتاسیم در طی سالیان درازدرعمق زمین  نشات گرفته است که عمدتا در نواحی زلزله خیز و آتشفشانی جوان و صفحات تکتونیکی زمین متمرکز شده  است. زمین منبع عظیمی از انرژی است به طوری که حرارت در هسته آن بیش از 5000 درجه سانتیگراد می رسد حرارت زمین به طرق مختلف از جمله فوران آتشفشان – چشمه های ابگرم- ابفشان ها- و گلفشان ها در اثر کاهش چگالی زمین و خاصیت رسانایی از بخش هایی از زمین به سطح آن هدایت می شوند. درجه حرارت  زمین با توجه به عمق آن به صورت غیر خطی زیاد می شود. (با تقریب خطی هر 100 متر 3 درجه سانتی گراد)  انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی به دست آمده از منابع نفت وگاز شناخته شده امروز جهان است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدید پذیر محدود به فصل، زمان وشرایط خاصی نبوده بدون وقفه قابل بهره برداری می باشد. همچنین قیمت تمام شده برق در نیروگاه های زمین گرمایی با برق تولیدی از سایر نیروگاه های متعارف(فسیلی) قابل رقابت بوده و حتی از انواع دیگر انرژی های نو بمراتب ارزانتر است.

تاریخچه انرژی زمین گرمایی در ایران :

در ایران از سال 1354 مطالعات گسترده ای به منظور شناسایی پتانسیل های منبع انرژی زمین گرمایی توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده ای به وسعت 260 هزار کیلومتر مربع آغاز گردید. نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر 31 هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب می باشند. در همین راستا برنامه اکتشاف، مشتمل بر بررسی های زمین شناسی، ژئوفیزیک و ژئوشیمیایی برنامه ریزی شد. در سال 1361 با پایان یافتن مطالعات اکتشاف مقدماتی در هر یک از مناطق ذکر شده، نواحی مستعد با دقت بیشتری شناسایی شده و در نتیجه در منطقه سبلان: نواحی مشکین شهر، سرعین و بوشلی، در منطقه دماوند ناحیه: نونال، در منطقه ماکو- خوی نواحی: سیاه چشمه و قطور و در منطقه سهند پنج ناحیه کوچکتر جهت تمرکز فعالیتهای فاز اکتشاف تکمیلی انتخاب شدند. پس از یک وقفه نسبتاً طولانی و با هدف فعال نمودن مجدد طرح، گزارشهای موجود مجدداً در سال 1369 توسط کارشناسان UNDP بازنگری شده و منطقه زمین گرمایی مشکین شهر به عنوان اولین اولویت جهت ادامه مطالعات اکتشافی معرفی شد. پیرو مطالعات ذکر شده پروژه انجام حفاری های اکتشافی ، تزریقی، توصیفی به منظور شناسایی بیشتر پتانسیل در منطقه سرعین مشکین شهر در سال تعریف 1381گردید که عملیات حفر اولین چاه زمین گرمایی نیز در همان سال آغاز گردید .فاز اول این پروژه در سال 1383 اتمام یافت که درمجموع سه حلقه چاه اکتشافی و دو حلقه چاه تزریقی در این مرحله حفر گردید و تست دوحلقه از سه حلقه چاه اکتشافی با موفقیت انجام گرفت که مهم ترین دستاورد این فاز از پروژه کسب دانش فنی مربوط به حفر چاههای زمین گرمایی بود . فاز دوم این پروژه در سال 1384 آغاز گردید.

توانمندی های حاصله در کشور در حوزه انرژی زمین گرمایی:

در پروژه توسعه میدان زمین گرمایی و ساخت نیروگاه مشکین شهر مراحل حفاری چاهها،بهره برداری از چاه ها در دوره تست،ساخت دستگاه های مربوط به تست در کشور کاملا بومی شده و توسط متخصصان داخلی به انجام رسیده است. همچنین در زمینه استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی تا کنون تکنولوژی نصب کویل های زمینی به صورت کامل و 100% در کشورمان ایران بومی شده است.

تاریخچه انرژی زمین گرمایی درجهان :

• وجود کوه های آتش فشانی اولین نشانه وجود گرما درزیر زمین بود.
• حفر اولین منابع زمین گرمایی در فاصله زمانی بین قرنهای  16و 17 میلادی
• قرن هجدهم میلادی اولین اندازه گیریها در بلفورت فرانسه

اوایل قرن نوزدهم استخراج سیالات زمین گرمایی با هدف بهره برداری ا ز پتانسیل انرژی حرارتی در ایتالیا صورت گرفت.

• 1870: استخراج بخارات طبیعی آب با هدف بهره برداری از انرژی مکانیکی آن انجام شد.
• 1904:تولید برق از این انرژی در لاردرلو ایتالیا
• 1920:نخستین چاه ها ژئو ترمال در ژاپن و کالیفرنیا به طور همزمان
• 1928:استخراج سیال زمین گرمایی برای تامین گرمایش منازل در ایسلند.

منابع زمین گرمایی :

1.منابع آب داغ(سیستم های هیدروترمال)

منابع آبی هستند که در زیر زمین  داغ می شوند و سپس به سطح زمین انتقال پیدا می کنند که در میان انواع منابع زمین گرمایی این منابع امروزه دارای بیش ترین استفاده هستند. این نوع منابع زمین گرمایی خود به سه گروه ذیل تقسیم ‌بندی می‌شوند:

• الف- دسته اول: مخازن دما بالا با دمای بالاتر از ºC150 که مناسب برای تولید برق با تکنیک های معمولی
• ب- دسته دوم: مخازن با دمای بین 100 الی ºC150که مناسب برای تولید برق با تکنیک های پیشرفته‌تر باینری
• ج- دسته سوم: مخازن دما پائین با دمای کمتر از  ºC100 و مناسب برای کاربردهای مستقیم

2.منابع بخار خشک

منابعی با درجه حرارت بسیار بالا هستند که از آن ها بخار خشک و یا آمیزه ای از بخار وآب با درجه حرارت بسیار بالا استحصال می شود که به جهت تولید برق این منابع دارای بهترین ترین شرایط هستند،اما متاسفانه این منابع در مناطق محدودی یافت می شوند.

3.منابع تحت فشار: 

منابع عظیمی هستند که از آب شور(brine) تشکیل یافته اند و از نظرشرایط کلی به درجه اشباع رسیده اند و در لایه های میان صخره های اعماق زمین به صورت  محبوس وجود دارند. این منابع عمدتا حاوی گاز متان محلول هستند و در عمق 3 تا 6 کیلومتری از سطح زمین یافت می شوند ودرجه حرارت آن ها بین 90 تا 200 درجه سانتی گراد تخمین زده می شوند.

4.تخته سنگ های خشک داغ:

تخته سنگ های بسیار عظیم با منبع آتش فشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و فیزیک سخت دارند. به سیستم های بهره برداری از این منابع سیستم های زمین گرمایی توسعه یافته (Enhanced Geothermal Systems) و به اختصار EGS گفته می شود. از آنجا که در همه جای کره زمین در اعماق گرما با شدت های مختلف وجود دارد و تنها محدودیت موجود عدم وجود منابع آب می باشد لذا با کمک این سیستم می‌توان رشد قابل توجه‌ای را در توسعه انرژ‍ی زمین گرمائی برقرار کرد. سیستم بهره برداری به این صورت می‌باشد که با حفر چاه های بسیار عمیق(با عمق 4 تا 6 هزار متر) به لایه های داغ زمین دسترسی پیدا کرده، سپس آب با فشار بالا به چاه تزریق شده که در اثر این فشار هیدرولیکی در سنگ شکافت ایجاد می شود. همین کار برای چاه تولید (Production Well) نیز انجام می شود و بین دو چاه ارتباط برقرار می گردد. بدین صورت آب در حین عبور از شکاف های ایجاد شده حرارت را از سنگ های داغ دریافت و از چاه تولید خارج و وارد سیکل نیروگاه می شود. درجه حرارت آب حاصل از این منابع بین 135 تا 180 درجه سانتیگراد بوده و در  این حالت امکان افزایش بازده نیروگاه تا 15 درصد وجود دارد.

5.مواد مذاب:

این منابع که به نام گدازه ها می شناسیم در واقع ایده آل ترین حالت ممکن برای منابع زمین گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین 700 تا 2 هزار درجه سانتی گراد است.با توجه به درجه حرارت بالای این مخازن و محدودیت های فنی موجود، امروزه از این منابع عظیم استفاده نمی شود. مخازن و محدودیت های فنی موجود، امروزه از این منابع عظیم استفاده نمی شود.

 

کاربردهای انرژی زمین گرمایی :

کاربرد های انرژی زمین گرمایی در حالت کلی به دو گروه کاربردهای مستقیم و کاربرد های غیر مستقیم تقسیم بندی می شود.

• انواع تکنولوژی های نیروگاهی زمین گرمایی (کاربردهای غیر مستقیم)
• سیکل بخار خشک
•  بخار لحظه ای
• تک مرحله ای
• با کندانسور
• بدون کندانسور
• دو مرحله ای
• با کندانسور
• بدون کندانسور
• سیکل باینری
• کاربرد های مستقیم 

پمپ حرارتی زمین گرمایی :

اگر منحنی تغییرات دمای هوا و دمای زمین در اعماق را در طول یک سال رسم نماییم مشاهده می شود که هرچه به عمق زمین بیشتر شود، میزان تغییرات دمای زمین در طول سال دارای تغییرات کمتری خواهد بود. به طوری که از حدود عمق 3 الی 4 متری از سطح زمین تغییرات دما و نوسانات آن در طول یک سال بسیار ناچیز می باشد. این در حالی است که میزان تغییرات دمای هوا دارای نوسانات بسیار زیادی می باشد. این امر بدین معنی است که زمین منبع خوبی برای تامین گرمایش در ماه های سرد سال است و می توان از حرارت زمین برای تامین گرمایش ساختمان ها استفاده نمود و همچنین از آن می توان برای تامین سرمایش در ماههای سرد سال استفاده بهینه نمود. تکنولوژی پمپ های حرارتی بر این اصل استوار است که در عمق 2 تا 3 متری زمین ،درجه دما ثابت بوده و در زمستان گرمتر از هوای بیرون و در تابستان سردتر از هوای محیط است. سیستم های سرمایش وگرمایش ژئوترمال که با نام های دیگری هم مانند پمپ های حرارتی با منبع زمین(GSHP) سیستم های مبدل زمین گرمایی (GeoExchange)  ویا سیستم های انرژی زمینی(EES)  شناخته می شوند، شامل پمپ های حرارتی هستند که با استفاده از انرژی برق، گرما را از زیر زمین جمع آوری و توسط سیالی که از لوله های کارگذاشته شده می گذرد به واحد نصب شده در داخل ساختمان منتقل می کنند.این واحد گرمای سیال درون لوله ها را جذب کرده و با استفاده از قوانین متراکم سازی (compression) حرارت را تشدید و افزایش داده و به دمای مطلوب جهت گرمایش ساختمان میرساند.گرمای حاصل از پمپ های حرارتی به واسطه احتراق ایجاد نشده و فقط گرما را از محلی به محل دیگر منتقل می کنند. همچنین به طور معکوس در تابستان هوای گرم داخل ساختمان  از طریق یک مکنده  وارد دستگاه شده  و پس از سرد شدن مجددا به داخل اتاق دمیده می شود. در داخل دستگاه حرارت به مبرد منتقل شده و پس از عبور مبرد از سیکل مربوطه، حرارت موجود در آن توسط یک مبدل دو لوله ای به آب داخل کویل زمینی که داخل لوله های پلی اتیلنی نصب شده در داخل زمین منتقل می شود. سیکل کاری این سیستم  کاملا مانند یخچال بوده و فقط به جای انتقال گرمای درون یخچال به اطراف یخچال، گرمای درون ساختمان را به زمین منتقل می کند. راندمان انرژی این سیستم ها 300 تا 400 درصد بوده(در مقایسه با مدرن ترین سیستم های گازی با 98 درصد راندمان) و به ازای هر 1 دلاربرق مصرفی در این سیستم ،3 تا 4 دلار صرفه جویی مصرف داریم. در واقع یک سیستم منفرد، کار دو سیستم گرمایش و سرمایش را انجام می دهد. استفاده از این سیستم ها تا 66 درصد انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش داده و75 درصد کمتر از سیستم های گرمایش وسرمایش سنتی، الکتریسیته مصرف می کنند.