آیا بالاخره دوران انرژی زمینگرمایی فرا رسید؟
این منبع انرژی میتواند از انرژی هستهای بزرگتر شود
آینده انرژی پاک در فلاتی بیابانی در شمال شرقی لاسوگاس در حال آشکار شدن است. در میان شنهای نزدیک میلفورد یوتا، نزدیک به دو دوجین چاه وجود دارد که هر کدام به اعماق زمین میرسند، جایی که سنگها دائما داغ هستند.
ده دکل سالانه یک گیگاوات انرژی تولید میکنند.
این میزان انرژی معادل انرژی تولیدی یک راکتور هستهای معمولی است که برای تامین انرژی یک میلیون خانه کافی است. شرکت فروو در ایالات متحده به دنبال تولید بیش از 50 گیگاوات انرژی از همین نوع است.
شرکت فروو Fervo یک استارتاپ فعال در حوزه فناوری زمینگرمایی است که توسط گوگل و دیگر سرمایهگذاران قدرتمند فناوری پشتیبانی میشود و میخواهد یک منبع انرژی تا به حال نادیده گرفته شده را به یک نیروگاه تولید برق تبدیل کند.
این شرکت خصوصی با ارزش تقریبی ۱.۴ میلیارد دلار، سال آینده در فاز اول یک قرارداد ۵۰۰ مگاواتی با بخش برق شرکت نفتی شل و یک شرکت برق کالیفرنیایی، تولید برق را آغاز خواهد کرد.
این بزرگترین قرارداد تجاری است که برای برق زمینگرمایی در تاریخ این صنعت منعقد شده است.
و این اولین گام در یک انقلاب زمینگرمایی نوپا است. امروزه، کمتر از ۱درصد از انرژی جهانی (و آمریکا) از زمینگرمایی تأمین میشود.
اما محققان دانشگاه پرینستون پیشبینی میکنند که نوآوریهای فنی به این معنی است که انرژی زمینگرمایی میتواند تا سال ۲۰۵۰ تقریباً سه برابر خروجی فعلی نیروگاههای هستهای کشور (که در حال حاضر تقریباً ۲۰ درصد از برق آمریکا را تأمین میکنند) تولید کند.
آژانس بینالمللی انرژی تخمین میزند که تا سال ۲۰۳۵، سرمایهگذاری تجمعی در زمینگرمایی در سطح جهان میتواند به ۱ تریلیون دلار برسد، که جهشی بزرگ از ۱ میلیارد دلار سرمایهگذاری در سال ۲۰۲۴ به ۲ میلیارد دلار است.
میلو مکبراید از اندیشکده کارنگی اندومنت برای صلح بینالمللی میگوید: این خوشبینی ترکیبی از کشش بازار و فشار فناوری است.
از آنجا که زمینگرمایی میتواند انرژی پاک را به صورت شبانهروزی فراهم آورد، کاملاً با مصرف بیوقفه برق مراکز داده مطابقت دارد.
به همین دلیل است که گوگل، متا و دیگر تأمینکنندگان هوش مصنوعی که مشتاق انرژی بدون کربن اما دائمی هستند، از نوآوریهای زمینگرمایی حمایت میکنند.
اعتبارات زیستمحیطی زمینگرمایی فوقالعاده است. مانند باد و خورشید، در طول فعالیت خود عملاً هیچ گاز گلخانهای منتشر نمیکند.
و از آنجا که سنگهای عمیق زمین همیشه داغ هستند، زمینگرمایی میتواند برخلاف سایر منابع انرژی تجدیدپذیر متناوب، برق قابل اعتمادی را به صورت شبانهروزی فراهم کند. همچنین میتواند گرمای پاک فراهم کند و به عنوان ذخیره انرژی در مقیاس شبکه عمل کند.
در گذشته، انرژی زمینگرمایی در مکانهای نسبتاً کمی در سطح جهان مورد استفاده قرار میگرفت که دمای آنها بین ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد و شکستگیهای نفوذپذیر در فاصله ۴ کیلومتری از سطح زمین وجود داشت.
شرکتها به صورت عمودی حفاری میکردند و از بخاری که بالا میآمد برای چرخاندن توربینها و تولید برق استفاده میکردند. نسل بعدی انرژی زمینگرمایی رویکرد پیچیدهتری را در پیش خواهد گرفت.
سیستمهای زمینگرمایی پیشرفته (Enhanced geothermal systems (EGS)) و سیستمهای حلقه بسته closed-loop systems (CLS) هر دو به استخراج سنگهای داغ نفوذناپذیر متکی هستند، که بسیار رایجتر از تلاقی شکستگیهای نفوذپذیر و گرمای مورد نیاز برای زمینگرمایی قدیمی است.
معمولاً تکنولوژی فعلی به اعماق کمتر از ۴ کیلومتر و دمای ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد میرسد. در درازمدت، آینده میتواند متعلق به زمینگرمایی «فوق داغ» باشد که هدف آن نفوذ به عمق ۸ تا ۲۰ کیلومتر برای رسیدن به دمای نزدیک به ۴۰۰ درجه سانتیگراد است.
برخلاف زمینگرمایی مرسوم، پروژههای EGS قادر به استخراج انرژی حتی در زمانی هستند که هیچ شکستگی طبیعی در سنگها وجود ندارد.
این فناوری به لطف شکست هیدرولیکی (فرکینگ) و فناوری حفاری چندجانبه است که در اوایل دهه 2000 توسط صنعت نفت شیل توسعه یافت.
مهندسان فروو ابتدا یک چاه عمیق را به صورت عمودی حفر میکنند و سپس مته خود را میچرخانند و آن را به صورت افقی حرکت میدهند.
مهندسان در فاصلهای دورتر، چاه دوم را به موازات چاه اصلی حفر میکنند. نکته مهم این است که این دو چاه به هم نمیرسند.
در عوض، شکستگیهایی در سنگ بین آنها ایجاد میشود تا یک مخزن مصنوعی ایجاد شود. سپس آب از بالا به چاه اول پمپ میشود و از میان شکستگیها عبور کرده و در این فرآیند گرم میشود.
آب گرم از طریق چاه آینهای (دوم) به سطح برمیگردد و سیال دیگری را گرم میکند که در نهایت یک توربین را برای تولید برق میچرخاند.
مقالهای که در ژانویه امسال توسط رولند هورن از دانشگاه استنفورد در Nature Reviews Clean Technology منتشر شد، پیشرفت فنی سریع صنعت زمینگرمایی نسل بعدی را بررسی کرد (به نمودار مراجعه کنید).
این مقاله فرو کاهش 70 درصدی زمان حفاری نسبت به سال گذشته را نشان داده است که مستقیماً باعث کاهش هزینهها میشود. پروفسور هورن تخمین زد که هزینههای برق EGS تا سال ۲۰۲۷ با منابع انرژی دیگر قابل رقابت خواهد بود.
در سیستمهای CLS، مهندسان معمولاً از لولههایی استفاده میکنند که یک سیال عامل را درون یک سیستم نیمدایرهای محصور به گردش در میآورند.
سیال از یک طرف جریان مییابد، در عمق گرم میشود و از طرف دیگر به سطح زمین برمیگردد. نکته مثبت این است که این سیستم در مناطق خشک نیز کار میکند. اما از آنجا که به لولهکشی و حفاری بیشتری نیاز دارد، CLS پیچیدهتر و پرهزینهتر است.
با وجود چالشها، شرکتها در مناطقی که EGS به دلیل ممنوعیت فرکینگ یا کمبود آب گزینه مناسبی نیست، در حال پیشرفتهتر کردن CLS هستند.
در آلمان، شرکت کانادایی Eavor دو چاه عمودی به عمق ۴.۵ تا ۵ کیلومتر حفر کرد و آنها را با دوازده چاه افقی، هر کدام به طول ۳ کیلومتر، به هم متصل کرد تا رادیاتور خود را در زیر زمین ایجاد کند.
در ماه اکتبر، این شرکت اعلام کرد که حفر هشت چاه اول از ۱۲ چاه جانبی آن بیش از ۱۰۰ روز با میلیونها دلار طول کشیده است، اما زمان حفاری برای چهار چاه باقیمانده به نصف کاهش یافته است. این شرکت قصد دارد اولین برق تجاری خود را در اواخر امسال تولید کند و امیدوار است ظرف چند سال بیش از ۸ مگاوات برق و ۶۴ مگاوات گرمایش منطقهای برای روستاهای اطراف تولید کند.
گامهای اولیه برای رسیدن به انرژی زمینگرمایی فوقالعاده داغ EGS و CLS در میانمدت، کاربرد انرژی زمینگرمایی را گسترش خواهد داد، اما این صنعت جاهطلبیهای بزرگتری نیز دارد.
در عمق بیش از ۸ کیلومتر، جایی که فشار بیش از ۲۰۰ برابر سطح زمین است، اگر دما نیز بالاتر از ۳۷۴ درجه سانتیگراد باشد، آب وارد حالت فوق بحرانی (نه مایع و نه گاز) میشود.
آب فوق بحرانی به راحتی در شکستگیها نفوذ میکند و در مقایسه با چاههایی که از آب داغ معمولی استفاده میکنند، پنج تا ده برابر انرژی بیشتر در هر چاه تولید میکند. مدلسازی توسط CATF نشان میدهد که ۱۳ درصد از زمینهای آمریکای شمالی پتانسیل فوق داغ زیر ۱۲.۵ کیلومتر را دارند و بهرهبرداری از تنها ۱درصد میتواند ۷.۵ تراوات ظرفیت انرژی فراهم کند.
افسوس که تلاشهای قبلی برای مهار سنگهای فوقالعاده داغ در ایسلند، که سیالات فوق بحرانی تنها در ۲ تا ۳ کیلومتری زیر زمین کمین کردهاند، با مشکلاتی مواجه شده است.
دما و فشارهای بالا، و همچنین مواد شیمیایی خورنده، به پوشش چاهها و ابزارهای حفاری آسیب میرسانند و خود دکل اغلب در عمق گیر میکند. با وجود این چالشها، دولتهای ایسلند و نیوزیلند همچنان مشتاق ادامه این طرحها بودهاند.
شرکتهای نوپا در حال اختراع تجهیزات جدیدی برای کمک به این حل این مشکلات هستند. در یک معدن در ماربل فالز، شرکت کوایز یک پرتو انرژی موج میلیمتری (شبیه لیزر) توسعه داده است که میتواند به سختترین سنگ نفوذ کند. این پرتو اخیراً سوراخی به عمق ۱۱۸ متر در گرانیت حفر کرده و سنگ را با پیشروی به سمت پایین به خاکستر تبدیل میکند. این کار را با سرعتی تا پنج متر در ساعت انجام داد، بسیار سریعتر از سرعتی که انتظار میرود کیتهای صنعت نفت در دماهای فوقالعاده داغ بتوانند از عهده آن برآیند.
کوایز قصد دارد تا سال آینده چاهی به عمق یک کیلومتر حفر کند و دکلهای کاملی را توسعه دهد تا نشان دهد که این ایده میتواند در مقیاس بزرگ عملی باشد.
استارتاپ آمریکایی مازاما در تگزاس، در ماه اکتبر اعلام کرد که یک پروژه آزمایشی را در مکانی در اورگان به پایان رسانده است. مهندسان آن چاههایی حفر کردند و شکستگیهایی را در سنگهای سخت در دمای بیسابقه ۳۳۰ درجه سانتیگراد و عمق ۳ کیلومتر ایجاد کردند، همه اینها بدون شکستگی کیت یا خرابیهای درون چاهی موتورها یا حسگرها انجام شد.
مازاما تخمین میزند که این مکان میتواند از سال آینده ۱۵ مگاوات برق تولید کند و در نهایت به ۲۰۰ مگاوات برسد. پروفسور هورن خاطرنشان میکند که ۳۳۰ درجه سانتیگراد کمی کمتر از دمای فوق بحرانی است، اما با این وجود بسیار گرم و بسیار امیدوارکننده است.
او تخمین میزند که پیشرفتهای اخیر نشان میدهد که ممکن است تنها چند سال طول بکشد تا مازاما فناوری فوق داغ را به جایی برساند که فروو با EGS در سال ۲۰۲۳ به آنجا رسیده بود.
او میگوید: در دو سال گذشته چیزهای زیادی تغییر کرده است. و همه چیز به سرعت در حال پیشرفت است.
