با حفر چاه زمین گرمایی می توان به انرژی تجدیدپذیر دائمی دست یافت؟

گروهی از مهندسان با حفاری موفقیت‌‌آمیز یک چاه ۳ کیلومتری در دل زمین نشان داده‌اند که دسترسی به یک منبع انرژی رایگان و دائمی تقریبا در هر نقطه از زمین امکان‌‌پذیر است.

در نقطه‌ای دورافتاده از کوهپایه‌های سبزفام منطقه‌ی توسکانی از شبه‌جزیره‌ی ایتالیا یک دکل حفاری با نام ونل ۲ (Venelle-2) مشغول حفاری در اعماق ژرف زمین است؛ اما آنچه پژوهشگران در پی استخراج آن هستند، نه نفت و گاز بلکه منبعی دائمی از انرژی تجدیدپذیر و پاک است که بانام انرژی زمین‌گرمایی (ژئوترمال) شناخته می‌شود.

برای دستیابی به این منبع انرژی، پژوهشگران اقدام به حفر یک رشته چاه زمین‌گرمایی با عمق سه کیلومتر کرده‌اند. در چنین عمقی از زمین، فشار و دما آن‌چنان بالا است که حتی سنگ‌ها نیزبه‌شکل خمیری درمی‌آیند. این شرایط محیطی برای شکل‌گیری سیال‌های زمین‌گرمایی فوق بحرانی ایده‌آل است (سیال‌های فوق‌بحرانی به انواعی از آب‌های معدنی تحت فشار و دمای بالا گفته می‌شود که هم‌زمان خاصیت مایع و گاز را دارا هستند). اگر دکل حفاری ونل ۲ بتواند به مخازن زیرزمینی سیال‌های فوق‌بحرانی دسترسی پیدا کند و از انرژی حرارتی این منابع برای به‌کار انداختن توربین‌های بخار بهره ببرد، می‌توان گفت متخصصان برای اولین‌بار توانسته‌اند یکی از متمرکزترین منابع انرژی تجدیدپذیر حال حاضر جهان را به‌بهره‌برداری برسانند.

اما رسیدن به چنین هدفی چندان هم ساده نخواهد بود. حفاری بسیار عمیق در دل زمین همواره با ریسک بروز زمین‌لرزه همراه است. کافی است یک قطعه‌ی بزرگ سنگ از محل خود در صفحات زیرین زمین بلغزد تا شاهد یکی از بزرگ‌ترین فجایع طبیعی روی زمین باشیم. خطر بروز چنین رخدادی در پروژه‌‌هایی نظیر ونل ۲ به‌‌مراتب بیش‌‌تر است؛ چراکه دکل حفاری یادشده قرار است با عبور از مرز میان سنگ‌‌های سخت سطحی و سنگ‌‌های نرم‌‌تر ناحیه‌ی عمیق به ناحیه‌‌ی موسوم به افق K نفوذ کند. متاسفانه هنوز کسی به‌‌درستی نمی‌‌داند که با نفوذ دریل دستگاه حفاری به این لایه‌‌ی کمتر شناخته‌‌شده از زمین و برخورد با سیال‌های فوق‌‌بحرانی دقیقا چه اتفاقی رخ خواهد داد.

تا به اینجای کار، هنوز چیزی مشخص نیست. به‌‌دلیل دمای بسیار بالای عمق چاه، روند حفاری ونل ۲ درست در آستانه‌‌ی ورود به افق K متوقف شده است. داده‌‌های دریافتی از حسگرهای نصب‌‌شده بر سر مته حاکی از آن است که دمای عمق چاه از آستانه‌‌ی ۱۰۰۰ درجه‌‌ی فارنهایت (معادل ۵۳۷ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد) تجاوز کرده و فشار نیز تا ۳۰۰ برابر بالاتر از فشار سطح زمین است. چاه زمین‌‌گرمایی ونل ۲  بالاترین دمای ثبت‌‌شده در میان تمامی چاه‌‌های حفرشده تاکنون را به خود اختصاص داده است. این پروژه توانسته اثبات کند که حفاری در شرایط فوق‌‌بحرانی عمق زمین غیرممکن نیست. بنابر مقاله‌‌ای که به‌تازگی در ژورنال علمی Geophysical Research به‌‌چاپ رسیده، پژوهشگران ادعا کرده‌‌اند که می‌‌توان به حفاری در چنین عمقی، بدون ریسک ایجاد زمین‌‌لرزه‌‌های شدید ادامه داد.

نویسندگان مقاله ابراز امیدواری کرده‌‌اند که پژوهش یادشده بتواند خط بطلانی برای تصورات رایج پیشین درمورد حتمی‌‌بودن شانس بروز زلزله در عملیات حفاری چاه‌‌های زمین‌‌گرمایی باشد. با این حال، واقعیت این است که جز به‌‌هنگام بروز حادثه، کسی کوچک‌ترین توجهی نسبت‌‌به عملیات حفاری چاه‌‌های زمین‌‌گرمایی نشان نمی‌‌دهد. ریکاردو مینتو، پژوهشگر دانشگاه ژنو سوئیس و از نویسندگان مقاله چنین می‌‌گوید که پروژه‌‌ی ونل ۲ نشان می‌‌دهد که موارد موفق بی‌‌شماری از حفر چاه‌‌هایی با اهداف زمین‌‌گرمایی وجود دارند.

چاه ونل ۲ تنها یکی از چندین رشته چاه‌هایی است که در میدان زمین‌‌گرمایی لاردریلو - تراواله ایتالیا حفر می‌‌شود. منطقه‌‌ی یادشده پیش‌ازاین نیز سابقه‌‌ی اولین کاربرد انرژی زمین‌‌گرمایی جهان باهدف تولید برق را در کارنامه‌‌ی خود دارد. پیشینه‌‌ی این نوع آزمایش‌ها به سال ۱۹۰۴ بازمی‌‌گردد؛ یعنی زمانی‌که اولین توربین به‌‌کاررفته در یک سایت زمین‌‌گرمایی توانست انرژی موردنیاز برای روشن‌‌‌‌کردن ۵ لامپ را فراهم کند. اما اکنون اوضاع تغییر کرده است؛ امروزه خروجی برق سایت‌‌های زمین‌‌گرمایی احداث‌‌شده در این منطقه به‌‌تنهایی حدود ۱۰ درصد از کل انرژی زمین‌‌گرمایی تولیدی جهان را پوشش می‌‌دهد. در سال ۲۰۱۵، کنسرسیومی متشکل از چندین مؤسسه و شرکت اروپایی فعال در حوزه‌‌ی انرژی، پروژه‌‌ی دیسکرمبل (Descramble) را راه‌اندازی کرد. هدف پژوهشگران از انجام این پروژه آن است که ببینند آیا می‌‌توان انرژی بیش‌‌تری را از میدان انرژی زمین‌‌گرمایی لاردریلو - تراواله استحصال کرد یا خیر. طی این برنامه قرار است امکان دسترسی به سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی در سطوح زیرین زمین فراهم شود. اگر بتوان این سیال‌‌های چگال از انرژی را به‌‌گونه‌‌ای از چاه استخراج کرد؛ یکی دیگر از افتخارات تاریخی مجموعه‌‌ی زمین‌گرمایی مستقر در این منطقه رقم خواهد خورد.

البته گروه یادشده اولین تیمی نیست که رؤیای دسترسی به سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی را در سر می‌‌پروراند. پیش‌‌تر آزمایش‌‌های مشابه دیگری نیز باهدف تولید سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی در کشورهایی نظیر ایالات متحده، ژاپن، و مکزیک انجام شده است. برای دسترسی به این فاز از سیالات، به دماهایی بالاتر از ۷۰۰ درجه‌‌ی فارنهایت و فشاری تا ۱۰۰ برابر فشار سطح دریا نیاز است. در این میان، تنها یک پروژه توانسته به سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی دست یابد. در سال ۲۰۱۷، پروژه‌ی حفاری آیسلند دیپ (Iceland Deep) ازسوی دولت ایسلند و کنسرسیومی از شرکت‌های ملی انرژی این کشور آغاز شد و پژوهشگران توانستند با موفقیت در عمق حدود پنج کیلومتری از سطح زمین به سیال‌های فوق‌بحرانی دسترسی پیدا کنند. حال با گذشت سه سال، آن‌ها همچنان در تلاش هستند بتوانند از این چاه زمین‌گرمایی انرژی مصرف‌پذیر استخراج کنند.

^{نمایی از یک نیروگاه زمین‌گرمایی در اندونزی}

هم‌زمان با اکتشاف جریان فوق‌سیال در پروژه‌ی آیسلند دیپ، گروه تحقیقاتی دیسکرمبل نیز فرایند حفاری خود را آغاز کرد. آن‌ها باکمک فناوری سوراخکاری سخت توانستند به لایه‌هایی از زمین نفوذ کنند که از دمای بسیار بالاتری نسبت‌به چاه‌های مشابه برخوردار بود. اما پس از ۶ ماه حفاری و درحالی که تنها چند صد متر تا رسیدن به عمق هدف خود فاصله داشتند، کار متوقف شد؛ چراکه دمای عمق چاه حدود ۲۰۰ درجه بالاتر از آن‌چیزی بود که درمورد چاه آیسلند دیده شده بود. این میزان حرارت دور از انتظار، یافتن راهی ایمن برای ادامه‌ی کار را دشوار کرد.

گفتنی است طی فرایند حفاری اخیر، یک تیم مستقل از زمین‌شناسان اروپایی میزان لرزه‌های ثبت‌شده در میدان زمین‌گرمایی لاردریلو - تراواله را باکمک تعدادی از لرزه‌نگارهای فوق‌حساس رصد کردند.  این گروه تعدادی فعالیت لرزه‌ای را ثبت کردند که مقدارشان برای این منطقه کاملا طبیعی به‌نظر می‌رسید. با این حال، مینتو هنوز درمورد خطرات عمومی‌شدن این فناوری هشدار می‌دهد. چاه‌های زمین‌گرمایی فوق‌بحرانی یک فناوری نوظهور به‌شمار می‌آیند و به‌باور مینتو، تلاش‌های آتی برای حفر چنین چاه‌هایی می‌تواند شانس بروز زمین‌لرزه‌های بزرگ‌تر را افزایش دهد.

مینتو اذعان دارد که تاکنون هیچ موردی از زلزله در اثر حفاری‌های سیال فوق‌بحرانی گزارش نشده است؛ اما در گذشته شاهد بروز مواردی از زمین‌لرزه‌های شدید در اثر حفر چاه‌های زمین‌گرمایی بوده‌ایم. سال گذشته در کره‌ی جنوبی دومین زمین‌لرزه‌ی بزرگ تاریخ این کشور روی داد. بررسی‌‌های بعدی نشان داد که منشا اصلی این زلزله، یک چاه زمین‌‌گرمایی واقع در این ناحیه بوده است. چند سال قبل‌ نیز زلزله‌‌ی دیگری در بازل سوئیس رخ داد که شواهدی از ارتباط میان این واقعه و عملیات حفاری یک چاه زمین‌‌گرمایی در آن منطقه به‌‌چشم می‌‌خورد. برخی از متخصصان لرزه‌‌شناسی، عامل وقوع بسیاری از وقایع لرزه‌‌ای را به حفاری‌‌های انجام‌‌شده در مکان‌‌های نادرست نسبت می‌‌دهند. این نوع حفاری‌‌ها با اینکه می‌‌توانند بازدهی تولید انرژی زمین‌‌گرمایی را تاحد زیادی افزایش دهند؛ ولی معمولا با ریسک افزایش شانس بروز زلزله نیز همراه هخواهند بود. پسیاری می‌پرسند که آیا حفاری در سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی نسبت‌‌به حفاری چاه‌‌های زمین‌‌گرمایی عادی با ریسک لرزه‌‌شناسی بیش‌‌تری همراه است یا خیر. مینتو می‌‌گوید دانش ما درمورد سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی بسیار ناچیزتر ار آن است که بتوانیم پاسخ مناسبی برای این پرسش بیابیم.

صرف‌‌نظر از ریسک‌‌های مرتبط با بروز زلزله، باید اذعان کرد که احداث چاه‌‌های زمین‌‌گرمایی باهدف استخراج سیال فوق‌‌بحرانی با مشکلات دیگری نیز همراه خواهد بود. اطلاعات فعلی ما نشان می‌‌دهد که تعداد ذخایر فعلی از جریان‌‌های فوق‌‌بحرانی در نقاط مختلف جهان چندان زیاد نیست. این امر می‌‌تواند یک مانع بزرگ بر سر فراگیرشدن فناوری انرژی زمین‌‌گرمایی در کل جهان باشد. ازسوی دیگر، استخراج سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی خود به کانال‌‌ها و مجاری بتنی واقع در چاه‌‌ها آسیب وارد می‌‌کند. سوزان پتی، مدیر مؤسسه‌‌ی تحقیقاتی Hot Rock Energy و از بنیان‌‌گذاران شرکت زمین‌‌گرمایی Alta Rock Energy می‌‌گوید:

سیال‌‌ها خاصیت خورندگی شدیدی دارند و بسیاری از مواد درون سنگ‌‌ها را در خود حل می‌‌کنند که این موضوع نیاز به رسیدگی دارد. این چیز ترسناکی است.

اما پتی پیشنهاد دیگری در ارتباط با «سیستم‌‌های بهبودیافته‌‌ی زمین‌‌گرمایی» مطرح می‌‌کند که برای کارکرد، نیازی به وجود منابع طبیعی از جریان‌‌های زمین‌‌گرمایی نخواهد داشت. این انواع خاص از چاه‌‌های زمین‌‌گرمایی، در عمق سنگ‌‌های خشک و داغ حفر می‌شوند و آب از سطح به درون چاه تزریق  می‌‌شود. آب تزریق‌شده در عمق چاه، به دما و فشاری نزدیک به سیال‌‌های فوق‌‌بحرانی می‌‌رسد و پس از پمپاژ دوباره به سطح زمین، برای به‌‌کارانداختن توربین‌‌های بخار به‌‌کار گرفته می‌‌شود. ایده‌‌ی اصلی این فناوری از خلال فعالیت‌‌های اکتشافی و استخراجی صنایع نفت و گاز پدید آمد؛ چراکه معمولا نوعی ارتباط ذاتی میان منابع سوخت‌‌های فسیلی و ذخایر آب‌‌های گرم زیرزمینی وجود دارد. مزیت سیستم‌های بهبودیافته‌ی زمین‌گرمایی آن است که  درصورت حفاری به‌اندازه ی کافی، این انرژی در هرنقطه‌ای از زمین قابل‌بهره‌برداری خواهد بود.

^{سازوکار یک نیروگاه زمین‌گرمایی بهبودیافته}

یکی از چالش‌های پیش‌رو در توسعه‌ی کاربرد انرژی زمین‌گرمایی، عدم دسترسی به ذخایر زیرزمینی آب داغ و بخار است. پتی معتقد است که اگر استفاده از انرژی زمین‌گرمایی محدود به منابع طبیعی موجود در زمین نمی‌بود، می‌توانستیم در همه‌جا به یک منبع انرژی دائمی، پایان‌ناپذیر و عاری از کربن دسترسی داشته باشیم که نیاز بخش بزرگی از جهان را به انرژی الکتریکی مرتفع کند.

اما همانند چاه‌های سیال فوق‌بحرانی، سیستم‌های زمین‌گرمایی بهبودیافته نیز با موانعی نظیر چالش‌های فنی و ریسک بروز زلزله‌های سهمگین مواجه است. رهگیری منشا اصلی هر دو مورد از زلزله‌های اخیر در سوئیس و کره‌ی جنوبی به مختصات جغرافیایی چاه‌های زمین‌گرمایی بهبودیافته اشاره می‌کنند. هنوز کسی نمی‌داند بروز چنین حوادثی بخشی جدایی‌ناپذیر از ماهیت فناوری زمین‌گرمایی به‌شمار می‌آید یا اینکه تنها اشتباه در انتخاب محل حفاری چاه‌ها در این امر دخیل است. در هر حال، فناوری زمین‌گرمایی بهبودیافته هنوز در مراحل اولیه‌ی رشد خود به‌سر می‌برد. گزارش‌ها حاکی از آن است که برخی شرکت‌های آمریکایی نظیر Alta Rock Energy (که پیش‌تر توانسته بود بخشی از یارانه‌های دولتی مربوط‌به انرژی خورشیدی و بادی را در پروژه‌های پرهزینه‌ی خود جذب کند)، هم‌اکنون برای ادامه‌ی کار  با مشکل کمبود بودجه مواجه‌اند. کارشناسان می‌گویند وجود چنین مشکلاتی باتوجه ماهیت نوین فناوری زمین‌گرمایی بهبودیافته و ریسک‌های بالای سرمایه‌گذاری در این عرصه، دور از انتظار نبوده است. جفری بیلیکی، مدیر آزمایشگاه تحقیقاتی پایداری انرژی در دانشگاه ایالتی اوهایو می‌گوید:

 [انرژی] زمین‌گرمایی از مشکلات بازاریابی رنج می‌برد. با اینکه [این فناوری] از مزایای سودمند بسیاری برخوردار است؛ اما هنوز هم هرگاه سخن از «انرژی تجدیدپذیر» به‌میان می‌آید، مردم تنها انرژی‌های بادی و خورشیدی را درنظر می‌آورند.

در اوایل ماه میلادی جاری، دپارتمان انرژی ایالات متحده از سرمایه‌گذاری ۲۵ میلیون دلاری این سازمان در بخش تحقیقاتی نیروگاه زمین‌گرمایی آزمایشی خود با نام Forge خبر داد. این تنها آغاز کار است؛  به‌نظر می‌رسد جهان هنوز راهی طولانی را تا بهره‌برداری وسیع از سیستم‌های زمین‌گرمایی به‌منظور تولید برق در پیش داشته باشد.