گرما از هسته ی زمین به طور پیوسته به طرف خارج حرکت می کند. این جریان از طریق انتقال و هدایت گرمایی، گرما را به لایه های سنگی مجاور (جبه) می رساند. وقتی درجه ی حرارت و فشار به اندازه ی کافی بالا باشد، بعضی از سنگ های جبه ذوب می شوند و ماگما به وجود می آید. سپس به دلیل سبکی و تراکم کمتر نسبت به سنگ های مجاور، ماگما به طرف بالا منتقل می شود و گرما را در جریان حرکت، به طرف پوسته ی زمین حمل می کند. گاهی اوقات، ماگمای داغ به سطح زمین می رسد و گدازه را به وجود می آورد. اما بیشتر اوقات، ماگما در زیر سطح زمین باقی می ماند و سنگ ها و آب های مجاور را گرم می کند. این آب ها بیشتر منشاء سطحی دارند و حاصل آب بارانی هستند که به اعماق زمین نفوذ کرده است. بعضی از این آب های داغ از طریق گسل ها و شکست های زمین به طرف بالا حرکت می کنند و به سطح زمین می رسند که به عنوان چشمه های آب گرم و آبفشان شناخته می شوند. اما بیشتر این آب ها در اعماق زمین، در شکاف ها و سنگ های متخلخل محبوس می مانند و منابع زمین گرما را به وجود می آورند.
تاریخچه
این انرژی از ابتدای خلقت مورد استفاده انسان بوده است. بدین ترتیب كه از آن برای شست وشو، پخت وپز، استحمام، كشاورزی و درمان بیماری ها استفاده می شد. اسناد و مدارك موجود ثابت می كند كه ساكنان كشورهایی نظیر چین، ژاپن، ایسلند و نیوزیلند در گذشته های دور از این انرژی استفاده می كردند. در سال ۱۸۲۸ فردی به نام لاردرللو در كشور ایتالیا برای تهیه اسید بوریك از حرارت آب های گرم به جای سوزاندن هیزم استفاده كرد. در سال ۱۹۰۸ در منطقه مذكور نخستین نیروگاه زمین گرمایی به ظرفیت ۲۰ كیلووات راه اندازی شد كه در سال ۱۹۴۰ ظرفیت آن به ۱۲۷ مگاوات افزایش یافت. تا سال ۱۹۵۰ بهره گیری از انرژی زمین گرمایی رشد چندانی نداشت، اما حد فاصل سال های ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۳ به دلیل گران شدن بی سابقه و ناگهانی نفت، همه كشورها به فكر استفاده از انرژی های جایگزین افتادند و به تدریج كشورهایی چون آمریكا، ایسلند، فیلیپین، اندونزی و اغلب كشورهایی كه روی كمربند زمین گرمایی جهانی قرار داشتند بهره برداری از این انرژی را شروع كردند. در كشور ما ايران از سال 1354 و بمنظور شناسايي پتانسيل هاي منبع انرژي زمين گرمايي مطالعات گسترده اي توسط وزارت نيرو با همكاري مهندسين مشاور ايتاليايي ENEL در نواحي شمال و شمال غرب ايران در محدوده اي به وسعت 260 هزار كيلومتر مربع آغاز گرديد. نتيجه اين تحقيقات مشخص نمود كه مناطق سبلان، دماوند، خوي، ماكو و سهند با مساحتي بالغ بر 31 هزار كيلومتر مربع جهت انجام مطالعات تكميلي و بهره برداري از انرژي زمين گرمايي مناسب مي باشند. در همين راستا برنامه اكتشاف، مشتمل بر بررسيهاي زمين شناسي، ژئوفيزيك و ژئوشيميايي برنامه ريزي شد. در سال 1361 با پايان يافتن مطالعات اكتشاف مقدماتي در هر يك از مناطق ذكر شده، نواحي مستعد با دقت بيشتري شناسايي شده و در نتيجه در منطقه سبلان: نواحي مشكين شهر، سرعين و بوشلي، در منطقه دماوند ناحيه: نونال، در منطقه ماكو- خوي نواحي: سياه چشمه و قطور و در منطقه سهند پنج ناحيه كوچكتر جهت تمركز فعاليتهاي فاز اكتشاف تكميلي انتخاب شدند. پس از يك وقفه نسبتاً طولاني و با هدف فعال نمودن مجدد طرح، گزارشهاي موجود مجدداً در سال 1369 توسط كارشناسان UNDP بازنگري شده و منطقه زمين گرمايي مشكين شهر بعنوان اولين اولويت جهت ادامه مطالعات اكتشافي معرفي شد. علاوه بر مناطق ياد شده اخيراً توسط سازمان انرژيهاي نو ايران 10 پتانسيل جديد و مستعد ديگر در نواحي مركزي و جنوب كشور در غالب طرح پتانسيل سنجي انرژي زمين گرمايي ايران شناسايي شده است كه طرح اكتشافي آنها در دست تهيه است. در اولويت اول به منظور ادامه مطالعات قبلي و تكميل نمودن فاز اكتشاف در ناحيه مشكين شهر در سال 1374 كارشناسان معاونت امور انرژي وزارت نيرو با هدف نصب اولين نيروگاه زمين گرمايي در كشور برنامه فاز اكتشاف تكميلي را تهيه و بخش مطالعات سطح الارضي شامل عمليات ژئوفيزيكي، زمين شناسي و بررسيهاي ژئوشيميايي و ماهواره اي با اعتباري معادل 826 هزار دلار آغاز گرديد اين مطالعات توسط مهندسين مشاور كينگستون موريسون از كشور نيوزلند و با مديريت سازمان انرژيهاي نو ايران طي سال 1377 به انجام رسيد كه حاصل اين مطالعات منجر به تخمين درجه حرارت احتمالي مخزن در حد240 درجه سانتيگراد و تعيين نقاط حفاريهاي اكتشافي در دامنه هاي شمالي سبلان مشرف به جنوب شهرستان مشكين شهر گرديد. با هدف دستيابي به نقاط حفاري و آماده سازي سايتهاي حفاري و همچنين ساخت تجهيزات مربوط به تست چاهها، شركت مشانير به منظور تهيه نقشه هاي اجرايي و سپس نظارت بر مراحل ساخت بعنوان مشاور و ناظر ايراني برگزيده شده و پيمانكاران مورد نياز نيز از طريق برگزاري مناقصات انتخاب شدند و در نتيجه با اعتباري بالغ بر 20 ميليارد ريال كار ترميم راه مشكين شهر به موئيل به طول 16 كيلومتر و احداث جاده هاي دسترسي از روستاي موئيل به سايتهاي حفاري به طول 9 كيلومتر، ترميم و احداث چند دهانه پل- احداث كمپ مركزي شامل سوله هاي نگهداري تجهيزات و مواد مصرفي حفاري و كمپ رفاهي جهت اسكان پرسنل در سايت، احداث سه سكوي حفاري و تأسيسات آبرساني شامل ايستگاه پمپاژ، مخزن ذخيره آب با گنجايش 5 هزار متر مكعب و خط لوله انتقال آب به طول 7 كيلومتر و همچنين ساخت تجهيزات و ادوات مربوط به آزمايش چاهها طي سالهاي 1379 تا 1381 به اجرا درآمد.همزمان بمنظور انتخاب پيمانكار براي انجام حفاريهاي اكتشافي طي يك مناقصه بين المللي شركت ملي حفاري ايران بعنوان پيمانكار حفاري انتخاب شد. عمليات اجرايي حفر اولين چاه اكتشافي زمين گرمايي ايران به عمق سه هزار متر آبانماه 1381 آغاز و با نظارت مهندسين مشاور SkM از نيوزلند و تحت بدترين شرايط جوي و دماي 30 درجه سانتيگراد زير صفر در طول زمستان ادامه يافت. عمليات حفاري اولين چاه در پايان ارديبهشت ماه سال 1382 خاتمه يافت و طي مدت 18 ماه حفاريهاي اكتشافي شامل سه حلقه چاه اكتشافي عميق با عمق 3200متر، 3176 و 2260 مترو دو حلقه چاه تزريقي با عمق حدود 650 متر به پايان رسيد. پس از به پايان رسيدن عمليات حفاري، تجهيزات فلزي تست جريان چاه در محل مورد نظر نصب گرديد و در تاريخ 9/3/83 عمليات تست اولين چاه زمين گرمايي كشور آغاز گرديد. نتايج تست به شرح ذيل مي باشد: تست دومين چاه زمين گرمايي نيز در تاريخ 17/6/83 انجام شد. همزمان با كليه فعاليتهاي ذكر شده سازمان انرژيهاي نو ايران با همكاري سازمان بهره وري انرژي ايران، ضمن تجهيز آزمايشگاه و ايستگاه پايش صحرايي، مطالعات سيستماتيك و گسترده اي را جهت پايش محيط زيست منطقه و كنترل اثرات زيست محيطي ناشي از اجراي طرح انجام داد. از بدو فعال شدن مجدد طرح، در سال 1374 در جهت تأمين اهداف پروژه و بومي نمودن دانش در زمينه كاربرد انرژي زمين گرمايي تاكنون بيش از 15 كارشناس ايراني در دانشگاه سازمان ملل در كشور ايسلند و مركز آموزش سازمان ملل در نيوزيلند تربيت شده و يا در حال آموزش مي باشند پس از پايان يافتن تست چاهها اطلاعات مورد نياز جهت انجام مدلسازي و مطالعات مهندسي مخزن و در نتيجه برآورد پتانسيل حرارتي مخزن زمين گرمايي در منطقه مشكين شهر فراهم خواهد شد و در نهايت مطالعات امكان سنجي طرح ضمن ارائه طرح توسعه و بهره برداري از ميدان زمين گرمايي سبلان ادامه خواهد يافت. اميد است ضمن دستيابي به نتايج مثبت در حفاريهاي اكتشافي و همچنين تأمين اعتبارات مورد نياز جهت ادامه طرح شاهد نصب و راه اندازي اولين نيروگاه زمين گرمايي كشور در اين منطقه باشيم.
مکان های مناسب برای بهره برداری از انرژی زمین گرمایی

مناطق دارای چشمه های آب گرم و آبفشان ها، اولین مناطقی هستند که در آن ها انرژی زمین گرمایی مورد بهره برداری قرار گرفته و توسعه یافته است. در حال حاضر، تقریبا تمام نیروی الکتریسیته حاصل از انرژی زمین گرمایی از چنین مکان هایی به دست می اید. در بعضی از مناطق، تزریق ماگما به درون پوسته ی زمین، به اندازه ی کافی جدید و هنوز خیلی داغ است. در این نواحی، درجه ی حرارت سنگ ممکن است به 300 درجه ی سانتی گراد برسد و مقادیر عظیمی انرژی گرمایی فراهم کند. بنابراین، انرژی زمین گرمایی در مکان هایی که فرایندهای زمین شناسی اجازه داده اند ماگما تا نزدیکی سطح زمین بالا بیاید، یا به صورت گدازه جریان یابد، می تواند تشکیل شود. ماگما نیز در سه منطقه می تواند به سطح زمین نزدیک شود:
1- محل برخرود صفحات قاره ای و اقیانوسی (فرورانش)؛ مثلا حلقه ی آتش دور اقیانوس آرام.
2- مراکز گسترش؛ محلـی که صفحات قاره ای از هم دور می شوند، نظیر ایسلند و دره ی کافتی آفریقا 3- نقاط داغ زمین؛ نقاطی که ماگما را پیوسته از جبه به طرف سطح زمین می فرستند و ردیفی از آتشفشان راتشکیل می دهند.
مهمترین نشانه های منابع زمین گرمایی
1. 1- سنگ های آتشفشانی جوان تر از یك میلیون سال
2. 2- چشمه های آبگرم
3. 3- بخارفشان یا گازفشان
4. 4- آب فشان
5. 5- نواحی دگرسان شده
6. 6- گل فشان
7. 7- كوه های آتشفشانی فعال
البته ذكر این نكته ضروری است كه برای آغاز بررسی های اكتشافی در یك منطقه زمین گرمایی، بیش از یك نشانه باید در منطقه وجود داشته باشد
کاربرد انرژی زمین گرمایی

 از زمان های دور، مردم از آب زمین گرمایی که آزادانه در سطح زمین به صورت چشمه های گرم جاری بودند، استفاده کرده اند. رومی ها برای مثال از این آب برای درمان امراض پوستی و چشمی بهره می گرفتند. در (پمپئی) برای گرم کردن خانه ها از آن استفاده می شد. بومی های آمریکا نیز از آب زمین گرمایی برای پختن و مصارف دارویی بهره می گرفتند. امروزه، با حفر چاه به درون مخازن زمین گرمایی، و مهار آب داغ و بخار، از آن برای تولید نیروی الکتریسیته در نیروگاه زمین گرمایی و یا مصارف دیگر بهره برداری می کنند. در نیروگاه زمین گرمایی، آب داغ و بخار خارج شده از مخازن زمین گرمایی، نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می آورد و انرژی الکتریسیته تولید می کند. آب مورد استفاده، از طریق چاه های تزریق به مخزن برگشت داده می شود تا دوباره گرم شود و در عین حال، فشار مخزن حفظ، و تولید آب داغ و بخار تقویت شود و ثابت باقی بماند.
تولید برق
به منظور تولید برق از انرژی زمین گرمایی، سیال مخزن آب داغ یا بخار از طریق چاه های حفر شده به سطح زمین هدایت شده و پس از به چرخش درآوردن توربین در نیروگاه، برق تولید می كند. بدیهی است كه از مخازن حرارت بالا بیشتر برای تولید برق استفاده می شود. در حال حاضر ۲۲ كشور جهان به كمك منابع زمین گرمایی خود بیش از MW ۸۲۰۰ برق تولید می كنند. در نیروگاه های زمین گرمایی، انرژی الكتریكی به كمك چرخه های مخصوصی تولید می شود. مهمترین و رایج ترین آنها عبارتند از:
چرخه تبخیر آنی

در این دسته از چرخه های تولید برق، سیال زمین گرمایی پس از خروج از چاه، وارد یك جداكننده شده و بخار حاصل به سمت توربین و آب داغ به سمت چاه های تزریقی و برج خنك كننده روانه می شود. حال، برحسب اینكه عمل جدایش یا تبخیر آنی در یك مرحله یا دو مرحله انجام شود و برحسب وجود یا عدم وجود كندانسور، سه نوع چرخه تبخیر آنی وجود دارد: چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای بدون كندانسور، چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای با كندانسور، چرخه تبخیر آنی دومرحله ای.
چرخه دومداره

از این چرخه برای تولید برق از مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین استفاده می شود. حدود ۵۰ درصد مخازن زمین گرمایی شناخته شده جهان درجه حرارتی بین ۱۵۰C تا ۲۰۰C دارند، كه اگر برای تولید برق از آنها از چرخه تبخیر آنی استفاده شود، چرخه مزبور بازده بسیار پایینی خواهد داشت. در این چرخه از سیال عامل برای تولید برق استفاده می شود بدین ترتیب كه آب داغ، سیال عامل را در یك مبدل حرارتی، گرم و به بخار تبدیل می كند. بخار حاصل، توربین را به حركت در آورده، برق تولید می كند. از جمله مزیت های مهم این چرخه، عدم وجود خوردگی یا رسوب گذاری توسط سیال عامل است. در حال حاضر مهمترین كشورهای جهان از نقطه نظر تولید برق از منابع زمین گرمایی، كشورهای آمریكا ۲۲۲۸ مگاوات، فیلیپین ۱۹۰۹ مگاوات، ایتالیا ۷۶۹ مگاوات، مكزیك ۷۵۵ مگاوات و اندونزی ۵۹۰ مگاوات هستند
سه نوع نیروگاه زمین گرمایی برای تولید برق وجود دارد:

 1- نیروگاه خشک: این نیروگاه روی مخازن ژئوترمالی که بخار خشک با آب خیلی کم تولید می کنند، ساخته می شوند. در این روش، بخار از طریق لوله به طرف نیروگاه هدایت می شود و نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می کند. این گونه مخازن با بخار خشک کمیاب است. بزرگترین میدان بخار خشک در دنیا، آب گرم جیزرز در 90 مایلی شمال کالیفرنیاست که تولید الکتریسیته در آن، از سال 1962 شروع شده است و امروزه به عنوان یکی از موفق ترین پروژه های تولید انرژی جایگزین محسوب می شود.
2- نیروگاه بخار حاصل از آب داغ: این نوع نیروگاه روی مخازن دارای آب داغ احداث می شود. در این مخازن با حفر چاه، آب داغ به سطح می آید و به دلیل آزاد شدن از فشار مخازن، بخشی از آن به بخار تبدیل می شود. این بخار برای چرخاندن توربین به کار می رود. چنین نیرگاه هایی عمومیت بیشتری دارند، زیرا بیشتر مخازن زمین گرمایی حاوی آب داغ هستند. فناوری مزبور برای اولین بار در نیوزیلند به کار گرفته شد.
3- نیروگاه ترکیبی (بخار و آب داغ): در این سیستم، آب گرم از میان یک مبدل گرمایی می گذرد و گرما را به یک مایع دیگر می دهد که نسبت به آب در درجه حرارت پائین تری می جوشد. مایع دوم در نتیجه ی گرم شدن به بخار تبدیل می شود و پره های توربین را می چرخاند. سپس متراکم می شود و مایع حاصله دوباره مورد استفاده قرار می گیرد. آب زمین گرمایی نیز دوباره به درون مخازن تزریق می شود. این روش برای استفاده از مخازنی که به اندازه ی کافی گرم نیستند که بخار با فشار تولید کنند، به کار می رود.
كاربرد مستقیم

 كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی، بهره برداری بدون واسطه از انرژی زمین گرمایی است. در این حالت، انرژی زمین گرمایی به انرژی الكتریكی تبدیل نمی شود، بلكه فقط از انرژی حرارتی آن استفاده می شود. مخزن های زمین گرمایی كه دمای آنها بین ۶۵ درجه سلسيوس تا ۱۵۰درجه سلسيوس است برای تولید برق، توجیه اقتصادی ندارد، لذا این گونه مخزن ها برای استفاده مستقیم از انرژی حرارتی، مناسب هستند. مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین، نسبت به مخزن های حرارت بالا گستردگی بیشتری دارند. آب داغ مخزن های حرارت پایین را می توان با دستگاه های حفاری چاه های آب استخراج كرد. یك محقق ایسلندی به نام لیندال به منظور نشان دادن موارد كاربرد انرژی زمین گرمایی، نموداری تهیه كرده است كه در آن موارد مختلف كاربرد سیال زمین گرمایی بر حسب درجه حرارت آن ارائه شده است. همان گونه كه در نمودار لیندال مشخص شده است، موارد بهره برداری مستقیم از انرژی زمین گرمایی را می توان به ۶ رده كلی زیر تقسیم بندی كرد:
1. گرمایش ساختمان ها
2. كشاورزی
3. دامپروری
4. كاربردهای صنعتی
5. درمان بیماری ها
6. سایر
گرمایش ساختمان ها
این مورد متداول ترین كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی است. حدود ۳۷ درصد كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی در سراسر جهان را گرمایش فضاهای مختلف مسكونی، تجاری، اداری و غیره به خود اختصاص می دهد. البته در صورت نامناسب بودن كیفیت آب از نظر شیمیایی، از مبدل حرارتی برای گرمایش استفاده می شود. یكی از مزیت های مهم سیستم های گرمایشی این است كه آب داغ پس از تٲمین حرارت فضاهای مختلف، مجددا به درون مخزن زمین گرمایی تزریق می شود و در نتیجه میزان آلودگی زیست محیطی آن بسیار پایین است. شایان ذكر آنكه امروزه انواع خاصی از مبدل های حرارتی وجود دارند كه درون چاه های زمین گرمایی تعبیه شده و حرارت آب داغ مخزن را به آب شیرین درون مبدل منتقل می كنند. درجه حرارت آب گرم مورد نیاز برای سیستم های گرمایشی حدود یا بالاتر است. امروزه كشورهای ایسلند، فرانسه، مجارستان و ژاپن برای تٲمین حرارت سیستم های گرمایش مركزی خود از انرژی زمین گرمایی استفاده می كنند. به عنوان مثال شهر ۱۵۰هزار نفری ریكیاویك مركز ایسلند تماما به وسیله آب داغ تولیدی از مخزن های زمین گرمایی مجاور شهر تامین می شود.
كشاورزی
عمده ترین كاربرد انرژی زمین گرمایی در زمینه فعالیت های كشاورزی، تامین گرمایش گلخانه ها است. البته در برخی از مناطق سردسیر از حرارت آب داغ مخزن های زمین گرمایی برای گرم كردن خاك های كشاورزی نیز به كار می رود. این نوع كاربرد در كشورهای سردسیر بسیار گسترش دارد. از جمله محصولاتی كه به كمك این انرژی كشت می شوند می توان به خیار، گوجه فرنگی، انواع گل ها، گیاهان خانگی، نهال درختان و انواع كاكتوس ها اشاره كرد. در بین كشورهای جهان مجارستان از نظر استفاده از گلخانه های زمین گرمایی مقام نخست را دارد. برای گرم كردن گلخانه ها معمولا یا آب داغ را از لوله های فلزی عبور می دهند یا اینكه همانند سیستم های گرمایشی خانه ها از پره های رادیاتور استفاده می كنند، یا آب داغ را از درون شبكه متراكمی از لوله ها كه در پشت آنها یك فن قوی وجود دارد، عبور می دهند. علاوه بر مجارستان كشورهایی نظیر ایسلند، چین، یونان، نیوزیلند و روسیه نیز در زمینه گلخانه های زمین گرمایی فعال هستند.
دامپروری
به كمك انرژی زمین گرمایی می توان انواع مختلف آبزیان را نیز پرورش داد. امروزه در سطح جهان از انرژی زمین گرمایی برای پرورش و رشد آبزیانی نظیر میگو، قزل آلا، صدف و همچنین آبزیان آكواریومی استفاده می شود. نظر به اینكه درجه حرارت بهینه برای پرورش انواع مختلف آبزیان برای هر یك از آنها میزان مشخصی است ،با استفاده از انرژی زمین گرمایی می توان درجه حرارت حوضچه های پرورش را در حد مطلوب تامین كرد و آن را در تمام طول سال ثابت نگه داشت. بدین ترتیب می توان مقدار تولید انواع مختلف آبزیان را به میزان قابل توجهی افزایش داد. به عنوان مثال رشد بهینه ماهی قزل آلا در درجه حرارت ۵۱۵ درجه سانتیگراد است. كشورهایی مانند ایسلند، گرجستان، تركیه، نیوزیلند، ژاپن و چین از جمله كشورهای پیشرو در زمینه استفاده از انرژی زمین گرمایی برای پرورش آبزیان هستند. در حال حاضر ۱۶ كشور از چنین تاسیساتی بهره می گیرند.
كاربردهای صنعتی
این دسته از كاربردهای انرژی زمین گرمایی هنوز مانند سایر مصارف انرژی زمین گرمایی در سطح جهان گستردگی چشمگیری ندارد. با این وجود، در حال حاضر حدود ۱۹ كشور جهان از این انرژی در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می كنند. به عنوان مثال می توان به موارد زیر اشاره كرد:
تولید برات و اسید بوریك از سیال های زمین گرمایی در ایتالیا
استحصال نفت در روسیه
پاستوریزه كردن شیر در رومانی
تولید چرم در اسلوونی و صربستان
تولید گاز دی اكسید كربن در ایسلند و تركیه
تولید كاغذ و قطعات خودرو در مقدونیه
تولید خمیر كاغذ، كاغذ و چوب در نیوزیلند