האנרגיה הגיאותרמית הינה אנרגיית חום שנוצרת ונאגרת בקרום ובליבת כדור הארץ ומזה שנים רבות, בני האדם משתמשים בה. ייצור חשמל באמצעות שימוש באנרגיה גיאותרמית מאפשר ייצור באופן נקי ורציף. עד היום השיטה הגיאותרמית לייצור חשמל נחשבה לנישתית יחסית, שכן היא מוגבלת לאיזורים געשיים פעילים בלבד ובנוסף, היא שיטה יקרה ביחס לשיטות ייצור החשמל האחרות (למרות שיש לציין כי לאור התייקרות הפנלים הסולריים לאחרונה, הפערים התקזזו מעט). בימים אלו, חברות ממדינות רבות בעולם, ובמיוחד מארה"ב, טוענות שהאנרגיה הגיאותרמית אינה משחק נישתי ושבאמצעות טכנולוגיות חדשות, ניתן לייצר חשמל, במחירים סבירים, ממקורות חום אשר נמצאות במיקומים שונים בכדור הארץ, אשר עד היום, חברות כמו אורמת האגדית, לא פעלו בהם. נכון ל-2019 הותקנו בעולם מתקנים המייצרים חשמל ממקורות גיאותרמיים בהיקף של 15.4 GW, כשהמדינה המובילה בעולם היא ארה"ב. אחריה בתור אינדונזיה, פיליפינים, טורקיה, ניו זילנד, מקסיקו, איטליה, קניה, איסלנד ויפן.
בעוד שהבאר העמוקה שיותר שנחפרה עד היום הינה באר נפט ברוסיה, שעומקה כ-12.5 ק"מ, הליבה המותכת של כדור הארץ, שמתחילה כ-2,900 ק"מ מתחת לרגלינו ומסתיימת בעומק של כ-6,400 מטה (אחריה ליבת ברזל מוצק בעובי של כ-50 ק"מ), לוהטת, והטמפרטורה בה גבוהה מ-5,500 מעלות צלזיוס (וגם הלחצים בה גבוהים מאוד). משכך, תעשיית האנרגיה הגיאותרמית קוראת לליבת כדור הארץ "השמש שמתחת לרגלינו". החום שנאגר בכדור הארץ מתחדש כל הזמן בתהליך התפרקות של יסודות רדיואקטיביים טבעיים, שנמשך ויימשך עוד מיליארדי שנים, בקצב שנתי של כ-30 TW. ממחקרים עולה כי כ-0.1% מתכולת החום בכדור הארץ, מסוגלת לספק את צרכי האנרגיה של האנושות למשך כ-2 מיליון שנה. יש מספיק אנרגיה בקרום כדור הארץ, רק כמה קילומטרים למטה, כדי להניע את כל הציוויליזציה האנושית לדורות הבאים. כיום, האנושות לא מנצלת את האנרגיה הזו בצורה המיטבית.
הדרך הפשוטה, ובה נעשה שימוש רב גם בעבר הרחוק, לניצול החום היא באמצעות שימוש ישיר בחום שנפלט ממעיינות חמים, מגייזרים ומפומרולים (פתחי קיטור ליד פעילות וולקנית). השימוש במים נעשה בעיקר לרחצה, או לכביסה והשימוש בחום – לבישול. שימוש מתוחכם וחדשני יותר הוא שימוש במאגרי חום גיאותרמי רדודים כדי לחמם מבנים ובריכות ולהפשרת שלגים. בעיר בויז שבאיידהו, ארה"ב, כבר ב-1890 נעשה שימוש בנהר הרותח שממוקם מתחת לעיר לחימום בתים וזו הייתה למעשה מערכת החימום הגיאותרמית הראשונה בעולם. כיום, המערכת מחממת למעלה מ-100 מבנים בעיר והמספר הולך ועולה. עם התקדמות טכנולוגיות הקידוח, פותחו תחנות הכח הגיאותרמיות וב-1960 הוקמה תחנת הכח הגיאותרמית הראשונה בקליפורניה ובה יוצר חשמל מחום הנפלט מגייזרים.
נכון להיום ייצור החשמל משתמש במים, אשר מוליכים את החום אל מחוץ למאגר, ובאידוי שלהם, ולכן, לייצור חשמל מאתרים משאבים עם טמפרטורה מספיק גבוהה (לפחות 150 מעלות צלזיוס), כך שיופק קיטור שיסובב טורבינה, אך ניתן להשתמש במשאבים בעלי טמפרטורה נמוכה מ-150 מעלות צלזיוס בשני אופנים – הראשון, להפקת חום, כפי שנעשה בבויז, ובשיטה זו מחממים היום בנייני מגורים ומשרדים, חממות, בריכות ואפילו מייבשים ומייצרים כך מזון. השני, כאשר משתמשים בחומרים אשר מתאדים בטמפרטורה נמוכה ממים וכך ניתן לייצר חשמל גם במאגרים רדודים בעלי טמפרטורות נמוכות יחסית. משכך, ניתן להשתמש במאגרי חום רדודים וחמים פחות, אשר עד היום לא נוצלו. למעשה, עד היום, לא בוצע ניצול יעיל של החום המגיע מליבת כדור הארץ והתחום הולך ומתפתח כל הזמן.
לייצור חשמל ממקורות גיאותרמיים שלושה יתרונות בולטים. הראשון הוא העובדה שמקורות גיאותרמיים מספקים לנו אנרגיה במשך כל שעות היממה ובהיקפים קבועים יחסית. אפשר להסתמך על האנרגיה המגיעה ממקורות אלו לייצור ה-base load של החשמל, הנדרש. אין בשיטה זו הפתעות לרעה כמו באנרגיה הסולארית שלא עובדת בשיאה כשמעונן או כשיש אובך ולא עובדת בשעות הלילה ואין הפתעות כמו באנרגיית הרוח שתלויה בעוצמת הרוחות והטורבינות שלה עשויות לקפוא כשקר (כפי שקרה לא מזמן בטקסס). למעשה הפתעה לרעה יכולה לקרות אם יש התפרצות געשית או אם פורצת רעידת אדמה, בסמוך למתקן.
היתרון השני הוא העובדה שמדובר באנרגיה נקיה אשר אינה פולטת גזים מזהמים אל עבר האטמוספירה ועוזרת לנו להגיע לתכנית אפס פליטות נטו עד 2050, בהתאם ליעדי הסכם פריז.
יתרון נוסף הוא הבטיחות היחסית. אם נשווה את מתקני הייצור למתחריהם אשר מספקים אנרגיה ירוקה 24/7 – הכורים הגרעיניים. בייצור חשמל ממקורות גיאותרמיים, אין סכנה לדליפות של חומרים רדיואקטיביים, אין סכנה לפיצוצים ולאסונות הומניטריים ולמעשה מדובר בשיטה דיי בטוחה.
קיימים ארבעה סוגים בסיסיים של מתקני אנרגיה גיאותרמית
- משאבים הידרותרמיים קונבנציונליים
במיקומים מסויימים בקרום כדור הארץ נמצאים מים ואדים שחוממו ע"י ליבת כדור הארץ. מים אלו עולים דרך בקעים ושברים בסלעים ונתקעים כאשר פוגשים סלע בלתי חדיר. באופן זה נוצרו מאגרי מים תת קרקעיים ענקיים ואת רובם מגלים באמצעות מעיינות חמים, גייזרים, שלוליות בוץ מבעבעות או פומארולים (בורות שנפלט מהם קיטור). באתרים כאלו קודחים בארות הפקה. המים החמים שבמאגר עולים דרך הבאר. בעומקים אליהם קודחים כיום, טמפרטורת המים נעה בין טמפרטורת החדר ל-370 מעלות צלזיוס (כדי להגיע לטמפרטורות גבוהות מכך, יש לקדוח עמוק יותר). הקיטור שמשתחרר מסובב טורבינה, שמייצרת חשמל והמים, שהתקררו, מוחזרים למאגר המים התת קרקעי באמצעות באר הזרקה, וזאת, כדי לא לפגוע בלחצים התת קרקעייים.
אחת הבעיות במציאת מאגרים הידרותרמיים הינה העובדה שללא גייזרים, מעיינות חמים ופומארולים, קשה ויקר לאתר אותם. בעיה נוספת הינה שמאגרים כאלו לא קיימים ברוב האיזורים בכדור הארץ.
- .מערכות גיאותרמיות משופרות – EGS
המערכות הקונבנציונליות מוגבלות רק לאיזורים מיוחדים בהם חום אדיר, סלעים נקבוביים ומאגרי מים תת קרקעיים, ולכן ברוב העולם, לא קיימות תחנות חשמל גיאותרמיות. עם זאת, חום רב מצטבר בסלעים מוצקים אשר לא נוצר באיזורם מאגר מים תת קרקעי. כאשר אין מאגר מים, יש להחדיר אלמנט כלשהו לקרקע, אשר יחלץ את החום מתת הקרקע אל פני השטח. בדרך כלל החומר המוזרק אל עומק הקרקע הוא מים, אך קיימים חומרים נוספים אשר ניתן להזריק. ב-EGS מחדירים מים בלחץ גבוה, נותנים להם לעבור דרך סלע חם ואוספים את המים החמים דרך פתח היציאה. בפרוייקטי EGS, בדרך כלל, הקידוחים עמוקים יותר מאשר בפרוייקטים הקונבנציונליים – לכן גם מגיעים לאיזורים חמים יותר. האתגר הכרוך בקידוחי EGS טמון בעיקר בעלות הגבוהה הכרוכה בקידוח לעומקים עמוקים מאוד ובהצלחה לייצר מתקן רווחי. בעיה נוספת בקידוחים העמוקים היא הסיכון להיווצרות רעידות אדמה, מה שמגביל הקמת פרוייקט כזה לצד איזורים עירוניים מיושבים.
קבוצות "ירוקות" מתנגדות למתקני EGS ומשוות את המתקנים לאתרי ה-Fracking שכורים פצלי השמן וזאת למרות שב-EGS אין שחרור של דלקים פוסיליים או של גזי חממה.
כיום, נעשה שימוש בטכניקות ה-EGS להגברת ביצועים של מתקנים גיאותרמיים קונבנציונליים אך טרם הוקם מתקן EGS טהור המייצר חשמל.
- אנרגיה גיאותרמית "סופר-חמה"
בעומקים עמוקים יותר, ביצועי הגיאותרמיה משתפרים. כשטמפרטורת המים עולה על 373 מעלות צלזיוס וכשהלחץ עולה על 20 בר, המים הופכים ל-"supercritical" – מצב צבירה חדש אשר אינו נוזל ואינו גז. במצב צבירה זה, המים מכילים פי 4-10 יותר אנרגיה ליחידת מסה מאשר במצבי הצבירה המוכרים לנו. בנוסף, החום הכל כך גבוה, כמעט מכפיל את יעילות ההמרה לחשמל. לא רק שמפיקים יותר אנרגיה בדרך זו, אלא גם מפיקים יותר חשמל ביחס לכמות האנרגיה שמופקת.
ניתן להפיק יותר חשמל מ-3 בארות עם טמפרטורה של כ-400 מעלות צלזיוס ממה שניתן להפיק מ-42 בארות EGS עם טמפרטורה של כ-200 מעלות צלזיוס, תוך שימוש בפחות נוזלים ובפחות פגיעה בסביבה. ככל שמאגר חם יותר, עלות החשמל שהוא מייצר זולה יותר, והמאגרים הסופר-חמים, הם אלו שמייצרים את החשמל הזול ביותר.
מדובר בתחום חדש עבור האנושות ויש לאנושות עוד מקום רב ללמוד ולהשתפר. תחום המים הסופר-חמים והקידוח לעומקים של 10-20 ק"מ עדיין לא נחקרו מספיק וגם החומרים איתם ניתן לעבוד בטמפרטורות כה גבוהות עוד צריכים לעבור לימוד וניסויים. חברות רבות חוקרות את התחום ומפתחות טכנולוגיות קידוח, שסתומים וציוד אשר יעמדו בתנאי הטבע הקשים.
כיום, אין בעולם מתקנים המייצרים חשמל ממים במצב צבירה סופר-קריטי, אך בכמה בארות (כמו בהוואי למשל), נתקלו במים במצב צבירה זה.
- מערכות גיאותרמיות מתקדמות – AG
מערכות אלו מפתחות צנרת "לולאה סגורה". בארות נקדחות ומתחברות זו לזו ולא מוכנסים או מוצאים נוזלים מכדור הארץ. נוזלים מסתובבים בצנרת הלולאה, מתחת לאדמה, קולטים חום ומובילים אותו מעלה.
מערכות AGS מאפשרות להפיק חשמל מחום גיאותרמי כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ ופרוייקטיי פיילוט שבוצעו הוכיחו את ההיתכנות שלהן.
אחת החברות הבולטות, הפועלת בתחום האנרגיה הגיאותרמית ומקימה תחנות כח גיאותרמיות, עבור עצמה ועבור אחרים וכן פועלת בתחום אגירת האנרגיה, היא חברת אורמת הישראלית, הנחשבת למובילה עולמית בתחומה ואשר הציגה תוצאות מעולות בדו"חות הכספיים האחרונים. אסי גינזבורג, סמנכ"ל הכספים של החברה, הציג בשיחת הועידה האחרונה שוק אופטימי מאוד ואמר כי השוק בו פועלת החברה הינו שוק של מוכרים וכל פרוייקט שיוקם בחוף המערבי יהנה מביקושים כה רבים ולא תהיה שום בעיה למכור את החשמל שיופק ממנו. אורמת מתבססת בעיקר על מאגרים הידרותרמיים קונבנציונליים, שמקור הטמפרטורה שלהם הינו מפעילות געשית. תחנות הכח של אורמת שואבות את המים ומשתמשות בחום להפקת חשמל. התחנות פועלות 24/7 באופן רציף והן לא מזהמות את הסביבה.
בניגוד לתחנות אנרגיה סולארית או רוח, ההשקעה בהקמת תחנת כח, כמו אלו של אורמת, היא גבוהה מאוד והיא דורשת קידוחי אקספלורציה וניתוחי שטח. ההשקעה לזיהוי פוטנציאל להקמת תחנה הינה כ-5-10 מיליון דולר, עוד לפני שהתחילו בהקמת התחנה. מעבר לחסם הכניסה הכספי, חסם כניסה נוסף הוא הרגולציה במדינה בה פועלים, היכולת לייצר הסכמי PPA והרישוי של הפעילות. ללא רגולציה מפותחת, חוזים ארוכי טווח ורשיונות – לא ניתן לגייס מימון להקמת התחנות.
לאור חסמי הכניסה הגבוהים ולאור העובדה שקיימות שיטות נוספות לניצול אנרגיה גיאותרמית, קיימים בעולם סטארט-אפים רבים בתחום. הנה כמה מהם –
Strada Global מפתחת טכנולוגיות להוזלת הקידוחים בתחום הגיאותרמי. הטכנולוגיה שפיתחה, בשם Fluid Hammer, המוגנת בפטנט, מאפשרת לקדוח במהירות וביעילות בשטחים קשים ולייעל את התהליך המתרחש כיום הן מבחינת עלויות והן מבחינת משך הזמן. לדברי החברה – הטכנולוגיה שלה יכולה להפחית את הזמן והעלויות עד 70% בהשוואה לטכנולוגיות קיימות. המערכת גם מסוגלת לקדוח באיזורים ובטמפרטורות בהם היום נראה שלא ניתן לקדוח. שיטת הקידוח של החברה אינה מעוררת אירועים סייסמיים והיא יכולה לפעול באמצעות נוזל שטיפה אשר מקרר את הציוד ויכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות מאוד. החברה משתמשת במתכות מתקדמות, חומרי ציפוי ותהליכי טיפול אשר מגנים על הציוד מפני חום גבוה. החברה מעודדת התפתחות של שיטות העבודה לבאר אחת וטוענת שבשיטה שלה אין צורך בשתי בארות והתמודדות עם החיבור ביניהן. גם Sage Geosystems, הינה חברה אמריקאית, אשר פיתחה טכולוגיות קידוח שיעבדו כמעט בכל תצורת סלע בעולם וגם בלב ים, במחיר זול יחסית.
Dandelion Energy, היא חברה אמריקאית שפוצלה מחברת Google X ונתמכת ע"י קרן Breakthrough Energy Ventures, שהוקמה ע"י ביל גייטס, ומנהלת כספים גם של ג'ף בזוס, מייקל בלומברג ריי דאליו ועוד. החברה גייסה עד היום כ-64.5 מיליון דולר. החברה מפתחת מערכות חימום גיאותרמיות לבתים וכן מיזוג אוויר. המערכת של החברה מחליפה את ציוד מיזוג האוויר והחימום בבתים במשאבת חום עוצמתית ובצנרת תת קרקעית המביאה חום מקרקעית האדמה אל הבית. כרגע החברה פועלת בארה"ב בלבד.
Eavor, היא חברה קנדית שמקדמת ייצור אנרגיה ממקורות גיאותרמיים אשר לא קרובים לפעילות געשית באמצעות מערכות AGS הפועלת בשיטת לולאה סגורה, בין שתי בארות, שבתוכה זורם נוזל, בדומה לשיטת עבודה של רדיאטור. המערכת של החברה מאפשרת למעשה להקים תחנות כח גיאותרמיות במיקומים חדשים אשר חברות כמו אורמת, לא פועלות בהם נכון להיום. הנוזל שבמערכת זורם ללא צורך במשאבות, אשר גוזלות אנרגיה, שכן החום והקור יוצרים אפקט אשר מניע אותו. תחנת כח אחת שלEavor יכולה לספק חשמל בהיקף שיספיק לכ-16,000 בתים. החברה גייסה עד היום כ-83.1 מיליון דולר.
Quaise, הינה חברה אמריקאית שנולדה ממחקר במרכז למדע ב-MIT, והיא עוסקת בפיתוח טכנולוגיית קידוח חדשה, המספקת גישה לאנרגיה גיאותרמית בעומקים עמוקים מאוד (super deep) בפרק זמן קצר יחסית. מערכת הקידוח של החברה תאפשר לקדוח לעומקים של כ-20 ק"מ ולהגיע לטמפרטורות של כ-500 מעלות צלזיוס, תוך שימוש בגלים אלקטרומגנטיים לפיצוץ סלעים. את הקידוח הראשוני, עד לעומק של כ-5 ק"מ, החברה תבצע באמצעות הציוד הקיים, בו משתמשים בתעשיית הגז הטבעי והנפט. ברגע שתגיע לעומק של 5 ק"מ, תוחלף מערכת הקידוח למערכת שקודחת לעומקים של 10-20 ק"מ. גם AltaRock Energy, הינה חברה אמריקאית, אשר מפתחת מערכות EGS המתאימות לעומקים עמוקים מאוד (super deep) וקידוח באמצעות גלים אלקטרומגנטיים ולייזרים בעיקר. Quaise גייסה עד היום כ-58 מיליון דולר ו-AltaRock גייסה עד היום כ-36.5 מיליון דולר.
Fervo Energy, הינה חברה אמריקאית, אשר פועלת לפיתוח טכנולוגיית EGS חדשה, אשר תהיה יעילה מאוד מבחינה כלכלית ותוזיל את עלות ייצור החשמל הגיאותרמי. הטכנולוגיה אשר החברה מפתחת מאפשרת פיתוח משאבים גיאותרמיים שבעבר לא היו כלכליים. החברה גייסה עד היום כ-39 מיליון דולר.
Loki Geothermal, היא חברה איסלנדית, המתמחה בייצור ציוד גיאותרמי ומפתחת שסתומים לבארות גיאותרמיים בהם טמפרטורות גבוהות מאוד. השסתומים תוכננו לשימוש בתנאים קשים בהם טמפרטורה של מעל ל-250 מעלות צלזסיוס והם עמידים לחומרים שמצטברים על השסתומים, כמו אבנית, מימן גופרתי ועוד. השסתומים הללו נועדו להחליף את הציוד הקיים ומספקים שימוש קל יותר ואמין.
GreenFire Energy, הינה חברה אמריקאית, אשר מפתחת טכנולוגיה שתאיץ את המעבר למערכות AGS בלולאה סגורה. הטכנולוגיה של החברה יכולה לעבוד ללא מים ויכולה להשתמש בנוזלים אחרים במצב צבירה סופר-קריטי, אשר מייעל את יכולת הפקת החשמל מהאנרגיה הגיאותרמית.
קיימים פיילוטים שעובדים והוכחו היתכנות כלכלית וביצועית לחלק מהחברות אך טרם נמכרו תחנות סופיות חדשות בטכנולוגיות החדשות.
לסיכום, האנרגיה הגיאותרמית הינה מקור ירוק שיכול לספר לאנושות חלק מה-baseload (24/7) של החשמל באופן נקי ורציף ועד היום, ניתן היה לכרות את האנרגיה, בעיקר באיזורים געשיים. בעולם נעשים ניסיונות לחדש ולפרוץ דרך טכנולוגית על מנת שנוכל לייצר חשמל ממקורות גיאותרמיים רבים מאוד, בכל מקום בכדור הארץ כמעט. מסביב לעולם, חברות רבות עומלות על פיצוח הדרך למקורות אנרגיה אלו, הנמצאים במעמקי כדור הארץ, ומנסות להיות הראשונות שיוכיחו כי הדבר אפשרי. ברור כי בעולם הדוחף את עצמו לכיוונים "ירוקים" ומנסה להגיע לאפס פליטות נטו עד 2050, ממשלות רבות וארגונים ירוקים יתרמו לפיתוח טכנולוגיות גיאותרמיות חדשות וכי נתחיל לראות, עם הזמן, עוד ועוד חברות הפועלות בתחום זה וככל הנראה, חלקן יגיעו גם אל עולם המניות והחוב הסחירים ואולי גם אל ארצנו הקטנטונת.
