بسیاری از سنگ‌های منطقه داغ زیر زمین به‌صورت مذاب و گداخته هستند که به آنها «ماگما» (گدازه) گفته می‌شود. گرما در سطوح زیرین زمین به‌خصوص در مناطقی که دارای منابعی از اورانیوم و پتاسیم هستند، به‌طور متناوب تولید می‌شود. مقدار گرمایی که در فاصله 10هزار متری از سطح زمین تولید می‌شود در حدود 50هزار برابر انرژی‌ای است که از سوختن منابع فسیلی ایجاد می‌شود. به اعتقاد کارشناسان، انسان می‌تواند از این انرژی گرمایی به‌عنوان یک منبع پاک، استفاده کند.
سطوح سردشده، پوسته زمین را به صفحه‌هایی تقسیم کرده‌اند که می‌توانند به‌آرامی روی لایه‌های مذاب زیرین حرکت کنند. اصطلاحا به این سطوح، صفحات زمین‌شناسی می‌گویند. این حرکات می‌تواند به‌صورت فاصله‌گرفتن از هم، برخورد به یکدیگر یا فرورفتن لایه‌ای در لایه دیگر باشد. معمولا لبه‌های این لایه‌ها مناطقی را تشکیل می‌دهند که دارای فعالیت‌های آتشفشانی و زمین‌لرزه است. این مناطق، بیشترین میزان دما زیر سطح زمین را دارند که از این گرمای فوق‌العاده زیاد، می‌توان به اشکال مختلفی استفاده کرد.
منابع ژئوترمال
آب بارش و آب ناشی از ذوب برف می‌تواند تا اعماق زیادی در زمین نفوذ کرده و منافذ و ترک‌های موجود در سنگ‌های اعماق زمین را پر کند. این آب به‌زودی گرم می‌شود که گرمای آن تا 260درجه سانتی‌گراد می‌رسد (دلیل بخارنشدن این آب، تحت فشار‌بودن آن است). در برخی موارد، این آب دوباره از مسیر قبلی به سطح زمین برمی‌گردد و به‌صورت چشمه یا درز و شکاف‌های دارای آب گرم یا گل‌فشان در سطح زمین ظاهر می‌شود. اگر این منابع انرژی در سطح زمین مورد استفاده قرار گیرند، به‌عنوان منابع انرژی زمین‌گرمایی شناخته می‌شوند. در واقع منابع انرژی زمین‌گرمایی سنگ‌های دارای گرمای فوق‌العاده زیاد است که بخش‌های دارای درز و شکاف و متخلخل آن، از آب داغ اشباع شده است. در بعضی مناطق، دمای آب سنگین این چشمه‌ها تا 200درجه سانتی‌گراد هم می‌رسد. غالبا یک انرژی زمین‌گرمایی ضعیف و ثابت در هر جایی از سطوح عمودی زمین (از اعماقی حدود 10تا صدها فوت) وجود دارد. حتی در سطوح زیر مناطق مسکونی یا کار شما نیز میزان مناسبی از گرما وجود دارد. به علاوه در اعماق حدود 4 تا 10کیلومتری از سطح زمین نیز یک نیروی زمین‌گرمایی اضافه در هنگام فعالیت‌های زمین‌شناسی و تشکیل سنگ‌های اعماق سطح زمین وجود دارد.
استفاده مستقیم از انرژی زمین‌گرمایی
منابع انرژی زمین‌گرمایی می‌توانند به‌طور مستقیم به‌منظور تولید گرما مورد استفاده قرار گیرند. از آب موجود در این منابع، برای گرم‌کردن گلخانه‌ها، ذوب‌کردن یخ جاده‌ها، توسعه در حصول گاز و گرم‌کردن مزارع پرورش ماهی استفاده می‌شود. در ایسلند عملا در قرن اخیر 50درصد از منابع گرمایشی، از انرژی زمین‌گرمایی به دست می‌آید؛ به‌عنوان مثال در این کشور در منطقه‌ای با 115هزار نفر جمعیت، آب گرم از فاصله‌ای حدود 25کیلومتر برای ساکنان، پمپ می‌شود.
پمپ انرژی زمین‌گرمایی
یکی از عملی‌ترین راه‌ها در زمینه هدایت انرژی زمین‌گرمایی و استفاده مستقیم از این انرژی بر پایه پمپ انرژی زمین‌گرمایی است که اصطلاحا به آن پمپ‌های گرمایی «زمین‌منبع» می‌گویند. این سامانه می‌تواند دمای 50درجه فارنهایت که کمی پایین‌تر از سطح زمین قرار دارد را به سطح زمین برساند. به این منظور لوله‌هایی برای هدایت گرما، زیر ساختمان تعبیه می‌شود و از طرف دیگر مخلوطی از آب و مایع ضدیخ در داخل لوله‌های حلقوی‌شکلی که زیر زمین دفن شده‌اند، در این سامانه می‌چرخد و از میان لوله‌ها پمپ می‌شود. این مایع در تابستان، گرما را از سطح، به عمق زمین منتقل کرده و باعث ذخیره گرما در تابستان می‌شود و در زمستان، گرما را از
زیر زمین به سطح، انتقال می‌دهد.
در سامانه‌های پیچیده‌تر و کارآمدتر، چرخش مایع مورد استفاده در سامانه، با استفاده از سامانه‌های الکتریکی یا سامانه‌های تهویه صورت می‌گیرد. این سامانه، مناسب‌ترین روش برای مناطقی است که دارای دمای حداکثری- چه در تابستان و چه در زمستان- هستند. این روش به‌مراتب نسبت به سامانه‌های گرمایشی و سرمایشی الکترونیک معمول، کارآمدتر است، به‌طوری که انرژی حاصله 3 تا 5 برابر بیشتر است. منفعت این روش در این است که نیازی به تولید گرما نیست بلکه این گرما به‌طور آزاد و به‌راحتی در دسترس است. تعبیه این سامانه به‌صورت‌های مختلفی می‌تواند صورت گیرد. در مناطقی که محدودیت فضا برای تعبیه این سامانه وجود دارد سامانه را به‌صورت عمودی، زیر ساختمان تعبیه می‌کنند. در مواردی که محدودیت مکان وجود ندارد، این سامانه به‌صورت افقی، جلوی ساختمان تعبیه می‌شود. سامانه‌های انرژی گرمایشی زمین‌گرمایی را می‌توان به‌راحتی در مناطقی که ساختمان‌ها دارای فواصلی از همدیگر هستند تعبیه کرد و در ساختمان‌های تازه‌تأسیس نیز بدون اینکه به عمر مفید ساختمان لطمه‌ای وارد شود، به‌راحتی به کار گرفت. در صدها خانه و ساختمان در ایالات متحده، سامانه‌های انرژی زمین‌گرمایی برای تولید یک انرژی پایدار و همیشگی برای گرمایش و سرمایش این ساختمان‌ها تنها از طریق منابع زیرزمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. دولت‌های دیگر نیز تسهیلات جدیدی را برای بهره‌گیری از این سامانه‌ها فراهم کرده‌اند. دپارتمان انرژی آمریکا به این نتیجه رسیده است که سامانه پمپ گرمایشی می‌تواند سالانه به میزان صدها دلار مصرف انرژی را کاهش دهد به‌طوری که معمولا هزینه این سامانه در مدتی حدود 8 تا 12سال از طریق صرفه‌جویی در مصارف انرژی قابل تأمین است. این در حالی است که اگر از اعتبارات مالیاتی و سایر مشوق‌ها استفاده شود بازگشت هزینه به 5سال هم کاهش می‌یابد. بیش از 600هزار سامانه پمپ گرمایشی در آمریکا می‌تواند در کنترل سلامت آب و هوا مؤثر باشد. با وجود مشخص‌بودن اثرات این سامانه ولی کاستی‌های کوچکی در زمینه بازاریابی و همچنین نیاز به حفاری در اطراف ساختمان‌ها وجود دارد.
استفاده از منابع انرژی ژئوترمال
بسیاری از کشورهای دنیا تاکنون از منابع انرژی ژئوترمال، به‌عنوان یک راه حل مناسب برای کاهش وابستگی به منابع فسیلی و کاهش تأثیر بر گرمایش جهانی و کاهش اثرات ناشی از استفاده از این سوخت‌ها بر سلامتی انسان استفاده کرده‌اند. منابع انرژی ژئوترمال، امکان بالایی را برای تولید انرژی الکتریسیته فراهم می‌کند. بیشترین میزان بهره‌برداری از این منبع انرژی در سطح دنیا در ایالات متحده آمریکا انجام می‌گیرد. 8ایستگاه و نیروگاه در این کشور تولیدی بیش از 3هزار مگاوات در سال دارد. در نخستین برآوردهایی که از این منبع انرژی در طول 30سال انتشار یافت، بیان شد که منابع معمول انرژی زمین‌گرمایی در 23ایالت شرقی ایالات متحده دارای پتانسیل تولید انرژی الکتریسیته بین 8 تا 73هزار مگاوات است. مراکز تولید انرژی برآورد کرده‌اند که به‌طور میانگین 132پروژه در حال توسعه در کل دنیا، توانایی تولید 6هزار و400 مگاوات برق را دارند. انرژی زمین‌گرمایی بیش از 25درصد از الکتریسیته کشورهای فیلیپین، ایسلند و السالوادور را تأمین می‌کند.
انرژی الکتریسیته با کمک زمین‌گرمایی
زمانی که آب گرم عمقی با سطح برخورد می‌کند، امکان مناسبی برای جمع‌آوری این منابع انرژی و استفاده از آن برای تولید انرژی فراهم می‌شود. اساس فعالیت همه این روش‌ها بر استفاده از بخار داغ برای به‌حرکت‌درآوردن توربین‌هاست. اغلب سامانه‌های انرژی ژئوترمال دارای 2توربین یا بیشتر هستند. معمولا توربین‌های کوچک‌تر می‌توانند به‌آسانی تولید انرژی الکتریسیته کرده و به‌آسانی نیز مورد استفاده قرار گیرند. سامانه‌های کوچک‌تر به‌راحتی برای مناطق دورافتاده‌تر و مناطقی که به‌راحتی در دسترس نیستند مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند سامانهای که در تبت در ارتفاع 4526متری تعبیه شده و به‌عنوان بلند‌ترین سامانه تولید انرژی الکتریکی بر پایه انرژی ژئوترمال در دنیا شناخته می‌شود. این سامانه‌ها معمولا برای تفرجگاه‌ها یا حتی مناطق آبگرم در دنیا به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است که نمونه آن را می‌توان در استرالیا دید. این مثال‌ها علاوه بر سامانه‌های اصلی و بزرگی است که در کل دنیا به‌طور گسترده برای تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می‌گیرد.مناطق زیادی در سطح جهان وجود دارند که گرم هستند ولی دارای میزان آب مناسبی برای به‌حرکت‌درآوردن توربین‌ها نیستند؛ به همین دلیل تحقیقات زیادی صورت گرفته است تا با پمپاژ آب به داخل این منابع، بتوانند از این نیرو استفاده کنند.
این روش بر این اساس است که با حفر دیواره‌ای در داخل این مناطق، آب سرد با فشار به داخل این دیواره‌ها وارد می‌شود تا اینکه در داخل سنگ‌های داغ، شکستگی ایجاد شود؛ سپس آب بیشتری به داخل این منبع وارد می‌کنند تا گرمای درون سنگ‌ها به این آب منتقل شود؛ سپس این آب به سطح زمین منتقل شده و برای استفاده در تولید الکتریسیته، از آن استفاده می‌شود. بزرگ‌ترین سامانه تأمین انرژی زمین‌گرمایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرد، سامانه بخارمحوری است که اصطلاحا به آن آب‌فشان گفته می‌شود و در شمال سان‌فرانسیسکو در کالیفرنیا قرار دارد. کل منابع مورد استفاده در این منطقه، بخار آب است و در آن از آب داغ خبری نیست. اگرچه این منطقه به‌دلیل وجود چشمه‌های آبگرمش از نیمه‌های دهه اول قرن18 شناخته شده بود ولی نخستین بهره‌برداری از آن در سال1924 صورت گرفت؛ ضمن اینکه بهره‌برداری‌های گسترده و پیشرفته از این منابع نیز تا دهه‌های 1970و1980 صورت نگرفت. امروزه خود تجهیزات کالیفرنیا که تقریبا دارای 26سامانه بهره‌برداری است همراه با سایر تجهیزات موجود در این مناطق، حدود 60درصد انرژی الکتریکی مورد نیاز برای این مناطق را تأمین می‌کند. در این سامانه آب‌فشان، از سامانهای برای ایجاد مکش جهت عبور بخار داغ در میان توربین‌ها استفاده می‌شود. این فرایند باعث می‌شود که حدود 60 تا 80درصد از بخارهای آب قابل استفاده بدون اینکه قابلیت بازگشت مجدد به داخل زمین را داشته باشد از دست برود. برای مقابله با ازدست‌رفتن بخار آب، بخاری که پس از استفاده، تبدیل به آب شده است به کمک لوله‌کشی صورت گرفته دوباره به زمین تزریق می‌شود تا بتوان از منابع زیر زمین که همچنان گرم هستند، استفاده کرد.
زهرا اسماعیلی اراضی
کارشناس ارشد منابع طبیعی