مهار گرمای زمین: کاربردهای انرژی زمین گرمایی

مهار گرمای زمین: برای دستیابی به جامعه سلامت، کربن زدایی شبکه برق و جایگزینی سوخت های فسیلی ضروری است. با این حال، برای انجام این کار، ما به منابع انرژی تجدیدپذیر نیاز داریم که بتوانند به طور مداوم برق را تامین کنند و جایگزین نیروگاه های گاز طبیعی و زغال سنگ معمولی شوند. با ارائه کاربردهای متنوع انرژی زمین گرمایی، این موضوع می تواند یک راه حل امیدوارکننده باشد که با این معیارها همسو باشد.

برقی‌سازی می‌تواند شبکه انرژی را نجات دهد

بیش از 22 میلیارد دلار در انرژی زمین گرمایی طی سال های 2015-2019 سرمایه گذاری شده است ، در حالی که در سه سال گذشته، ظرفیت نصب شده پروژه های انرژی زمین گرمایی از 15 گیگاوات در سال 2020 به حدود 18 گیگاوات در سال 2023 افزایش یافته است و تخمین زده می شود تا سال 2030 به بیش از 25 گیگاوات برسد. به طور متوسط ​​5 درصد افزایش سالانه است.

بررسی ویژگی ها و کاربردهای انرژی زمین گرمایی

اگر تا به حال فوران آتشفشان یا آبفشان را دیده اید، انرژی زمین گرمایی را در عمل دیده اید.

انرژی زمین گرمایی از گرمایی که از پوسته زمین ساطع می شود به دست می آید. پوسته زمین از سنگ و آب تشکیل شده است، لایه ای از سنگ مذاب به نام ماگما (گرمتر از سطح خورشید) در اعماق آن. این گرما 50 برابر بیشتر از مجموع تمام منابع نفت و گاز طبیعی انرژی دارد.

انرژی زمین گرمایی کمترین منبع انرژی است، اما منبع انرژی تجدیدپذیر، کم کربن و پایدار برای تولید برق، گرمایش و اهداف سرمایش است.

انرژی زمین گرمایی چگونه کار می کند؟

نیروگاه های زمین گرمایی از طریق روش های مختلف برق تولید می کنند که همگی بر اساس یک اصل اساسی است. سیالات از مخازن زیرزمینی کشیده می‌شوند و سپس به سنگ‌های داغ عمیق زیرزمینی تزریق می‌شوند تا بخار تولید کنند. همانطور که در زیر نشان داده شده است، این بخار تحت فشار خود از یک لوله بالا می رود تا یک توربین را به حرکت درآورد و برق تولید کند.

انواع انرژی زمین گرمایی

انواع مختلف انرژی زمین گرمایی بسته به عمق، دما و شکل نهایی انرژی خود به فناوری های متفاوتی نیاز دارند. دسته بندی های اصلی عبارتند از:

• دمای بسیار پایین: بین 10 تا 200 متر زیر زمین یافت می شود و می تواند دمای زیر 30 درجه سانتیگراد را مهار کند . گرمای کم آن برای گرم کردن خانه های یک خانواده یا ساختمان های تجاری استفاده می شود.
• دمای پایین: در اعماق بین 200 تا 2500 متر زیر زمین، در دمای بین 30 تا 90 درجه سانتیگراد یافت می شود. این نوع بهتر است برای گرم کردن کل محله ها یا مناطق صنعتی استفاده شود.
• دمای متوسط: این نوع با دمای بین 90 تا 150 درجه سانتیگراد کار می کند و در اعماق تا 4000  متر یافت می شود. گرمای بیشتر آن را برای تولید برق در نیروگاه ها استفاده می شود.
• دمای بسیار بالا: این نوع از دمای بیش از 150 درجه سانتیگراد استفاده می کند و معمولاً در مرزهای صفحه و نقاط داغ با فعالیت تکتونیکی بالا یافت می شود. از این نوع زمین گرمایی در نیروگاه ها استفاده می شود.
• زمین گرمایی فوق بحرانی/فوق العاده عمیق: زمین گرمایی فوق عمیق به اعماق تا 10000 متر برای دسترسی به دمای 300 تا 350 درجه سانتی گراد اشاره دارد . این امیدوارکننده‌ترین فناوری است زیرا به دلیل عمق کم آن در هر نقطه از جهان یافت می‌شود و می‌توان از آن برای فرآیندهای در مقیاس بزرگ و با گرما گسترده استفاده کرد.

بیشتر نیروگاه‌های زمین گرمایی کنونی به اعماق 4000 متری زیر زمین دسترسی دارند، اما فناوری‌ها و استارت‌آپ‌های جدیدی در حال ظهور هستند که نیروی زمین گرمایی فوق‌ عمیق را هدف قرار می‌دهند که منبع بار پایه انرژی تجدیدپذیر را برای شبکه برق باز می‌کند.

از موارد فناوری انرژی زمین گرمایی استفاده کنید

انرژی زمین گرمایی بسته به منابع زمین گرمایی موجود در یک منطقه معین در محیط های شهری، مسکونی و صنعتی استفاده می شود. منابع زمین گرمایی معمولاً در آبفشان ها، چشمه های آب گرم و آتشفشان هایی که فعالیت های زمین شناسی گسترده ای را تجربه می کنند، آسان تر است.

مهندسان چند روش برای تولید نیرو از چاه های زمین گرمایی حفر شده در زمین با پیشرفت فناوری های زمین گرمایی ایجاد کرده اند. با این حال، هنوز باید استانداردها، دستورالعمل‌ها یا کدهای جهانی برای طبقه‌بندی مؤثر پتانسیل زمین گرمایی و خطرات مرتبط با توسعه آن وجود داشته باشد.

امروزه انرژی زمین گرمایی یا در تولید برق (الکتریسیته) یا مستقیماً به صورت گرما (به اصطلاح “استفاده مستقیم”) مورد استفاده قرار می گیرد.

تولید برق

• نیروگاه زمین گرمایی بخار خشک: بخار زیرزمینی مستقیماً به یک توربین جریان می یابد تا یک ژنراتور برق را به حرکت درآورد – این رایج ترین نوع انرژی زمین گرمایی است که امروزه استفاده می شود.
• نیروگاه های زمین گرمایی بخار گوشتی: یک پمپ سیال داغ را به مخزن در سطح فشار می دهد و می پاشد.
• انرژی زمین گرمایی چرخه دودویی: این سیستم از دو نوع سیال استفاده می کند – یک مایع داغ که از گرمای زیرزمینی منبع می شود، در حالی که دیگری در یک مبدل حرارتی استفاده می شود.

استفاده مستقیم

• این زمانی است که انرژی زمین گرمایی مستقیماً به صورت گرما برای گرم کردن ساختمان ها، گلخانه ها و حوضچه های آبزی پروری است. همچنین می توان از آن برای خنک کردن از طریق چیلرهای جذبی یا خشک کردن محصولات و الوار استفاده کرد.
  • پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی: پمپ‌های حرارتی زمینی که به پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی نیز معروف هستند، از دمای نسبتاً پایدار زمین درست در زیر سطح برای تامین گرمایش و سرمایش ساختمان‌های مسکونی و تجاری استفاده می‌کنند.
  • گرمایش منطقه ای: انرژی زمین گرمایی اغلب برای تامین گرما برای سیستم های گرمایش منطقه ای استفاده می شود، جایی که یک نیروگاه زمین گرمایی متمرکز آب گرم یا بخار را از طریق شبکه ای از لوله ها برای گرم کردن خانه ها و مشاغل توزیع می کند.
  • فرآیندهای صنعتی : برخی از صنایع از انرژی زمین گرمایی برای فرآیندهای مختلف مانند آبگیری مواد غذایی، پاستوریزه کردن شیر و سایر عملیات تولیدی که نیاز به گرما دارند، استفاده می کنند.
    • کشاورزی: ​​انرژی زمین گرمایی را می توان برای عقیم سازی خاک استفاده کرد که به حذف آفات و بیماری ها در خاک کمک می کند و عملکرد محصول را بهبود می بخشد.
    • نمک زدایی: انرژی زمین گرمایی می تواند فرآیندهای نمک زدایی را تامین کند، جایی که آب دریا برای تولید آب شیرین از طریق تبخیر و میعان حرارت داده می شود.

در میان این بخش‌ها، املاک و مستغلات امیدوارکننده‌ترین بخش‌ها هستند، زیرا ساختمان‌ها بیش از یک چهارم از انتشارات جهانی مرتبط با انرژی را تشکیل می‌دهند. تاکنون، تعداد کمی از راه‌حل‌های تهویه مطبوع تمام الکتریکی، قیمت مناسبی برای املاک بزرگ‌تر دارند. علاوه بر این، انرژی زمین گرمایی می تواند مصرف انرژی کلی را 30 تا 70 درصد کاهش دهد و در عین حال تهویه مطبوع و گرمایش در کاربردهای خانگی را فراهم کند. فناوری O&G را می توان برای گرمایش و سرمایش مستقیم زمین گرمایی ساختمان ها مهندسی و بازطراحی کرد. برای امکان‌پذیرتر کردن این فناوری، هماهنگی، دقت و ترکیبی از راه‌حل‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری از ساخت‌وساز تا تعمیر و نگهداری مورد نیاز است.

زمینه های نوآوری و نقشه بازار انرژی زمین گرمایی استارتاپ ها

مهار گرمای زمین: استفاده از انرژی زمین گرمایی مستلزم دستیابی به فناوری ها در زمینه های مختلف در فضا است. در حالی که بیشتر نوآوری‌ها و استارت‌آپ‌ها بر تولید نیروگاه‌ها تمرکز می‌کنند، بسیاری از بازیگران راه‌حل‌هایی را در تجهیزات تخصصی، مدل‌سازی تحلیلی و توسعه در مقیاس ابزار توسعه داده‌اند.

برخی از شرکت ها اهمیت انرژی زمین گرمایی را تشخیص دادند و هم گرمای زمین گرمایی و هم گرمای اتلاف موجود در محیط‌های زیرزمینی (مانند پارکینگ‌های زیرزمینی، تونل‌ها و ایستگاه‌ها) را جذب می‌کند و آن را به یک منبع انرژی تجدیدپذیر برای نیازهای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها از طریق یک فناوری یکپارچه معماری تبدیل می‌کند.

سایر شرکت ها نیز سرمایه گذاری خود را افزایش می دهند تا سهم قابل توجهی در انرژی های تجدیدپذیر از طریق سرمایه گذاری در مراحل اولیه به دست آورند، که تا حدی از استارتاپ های خورشیدی به سمت باد، انرژی زیستی و زمین گرمایی تغییر کرده است.

نکات کلیدی و روندهای انرژی زمین گرمایی

انرژی زمین گرمایی در بازار ضروری است زیرا ویژگی هایی را ارائه می دهد که آن را از سایر انرژی های تجدید پذیر مانند باد، خورشید و برق آبی متمایز می کند. در حالی که انرژی باد و خورشید تحت تاثیر فصل، دما و آب و هوا هستند، انرژی زمین گرمایی بی نهایت و همیشه در دسترس است. این اجازه را می دهد تا به طور مداوم و با ظرفیت کامل برای حدود 8600 ساعت در سال تولید شود و آن را قابل پیش بینی و برنامه ریزی می کند. جدا از نرخ رقابتی، انرژی زمین گرمایی عمر بسیار طولانی 80 تا 100 سال دارد. نیروگاه های انرژی زمین گرمایی، با بیشتر اجزای آن، از جمله مبدل های حرارتی، مدفون در زیر زمین، به سطح نسبتاً کمتری برای زیرساخت نیاز دارند. این امر با استفاده از فناوری حفاری مناسب و استفاده از داده ها برای پذیره نویسی و اعتبار طبقات دارایی های زمین گرمایی امکان پذیر است. بر اساس داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط مدیر خدمات انرژی ( GSE )، بیش از هر شکل دیگری از انرژی‌های تجدیدپذیر شغل غیرمستقیم ایجاد می‌کند.

اگرچه انرژی زمین گرمایی یک فناوری جدید نیست، اما عدم وجود هنجارها، مقررات و الزامات بین المللی برای پروژه های انرژی زمین گرمایی باعث رشد کندتر بازار می شود و همچنین با توجه به اینکه توسعه پروژه های زمین گرمایی فرآیندی پیچیده و زمان بر است که نیازمند آن است.

کمک‌های دولتی و مقررات برای کاهش قیمت‌ها، تسریع در اجرا و بهبود مشخصات ضروری هستند تا همه بتوانند از این راه‌حل با فناوری آب و هوا استفاده کنند.

کاربردهای آینده انرژی زمین گرمایی

بهبودهایی برای امکان جذب انرژی بیشتر در هر نیروگاه در حین حفاری و جمع آوری داده ها ایجاد شده است. مواد جدید و فرآیندهای ساخت شاهد پیشرفت های بیشتری خواهند بود. لوله‌های انعطاف‌پذیر غیرفلزی برای سیالات زمین گرمایی می‌توانند تأثیر خوردگی را بر تأسیسات سطحی کاهش دهند، زیرا مواد مورد استفاده برای چاه‌ها و تجهیزات چاه‌ها باید بتوانند در دماها و فشارهای فوق‌العاده و همچنین ویژگی خورندگی سیالات زمین گرمایی دوام بیاورند. ساخت افزودنی یک تکنیک تولیدی است که شامل رسوب کنترل شده لایه به لایه مواد در ساختارهای هندسی دقیق است. این امکان استفاده از مواد جدید را برای ساخت قطعاتی با هندسه‌هایی فراهم می‌کند که دستیابی به آنها با استفاده از روش‌های تولید استاندارد غیرممکن بود.