Jeotermal enerji yerkürenin iç ısısıdır. Bu ısı merkezdeki sıcak bölgeden yeryüzüne doğru yayılır.

Jeotermal kaynakların üç önemli bileşeni vardır:

1. Isı kaynağı,
2. Isıyı yeraltından yüzeye taşıyan akışkan,
3. Suyun dolaşımını sağlamaya yeterli kayaç geçirgenliği.

Jeotermal alanlarda sıcak kayaç ve yüksek yeraltı suyu sıcaklığı normal alanlara göre daha sığ yerlerde bulunur. Bunun başlıca nedenleri arasında:

• Magmanın kabuğa doğru yükselmesi ve dolayısıyla ısıyı taşıması,
• Kabuğun inceldiği yerlerde yüksek sıcaklık farkı sonucunda oluşan  ısı akışı,
• Yeraltı suyunun birkaç kilometre derine inip ısındıktan sonra yüzeye doğru yükselmesi.


Ideal Jeotermal Sistemin Sematik Gösterimi

Jeotermal saha, sistem ve rezervuarı birbirlerinden ayırmak üzere aşağıdaki tanımlar yapılabilir.

Jeotermal Saha:

Yeryüzünde bir jeotermal etkinliği gösteren coğrafik bir tanımdır. Eğer yeryüzünde herhangi bir doğal jeotermal çıkış yoksa, yeraltındaki jeotermal rezervuarın üstündeki alanı tanımlamakta kullanılır.

Jeotermal Sistem:

Yeraltındaki hidrolik sistemi bütün parçaları ile birlikte (beslenme alanı, yeryüzüne çıkış noktaları ve yeraltındaki kısımları gibi) tanımlamakta kullanılır.

Jeotermal Rezervuar:

İşletilmekte olan jeotermal sistemin sıcak ve geçirgen kısmını tanımlar.

Jeotermal sistemler ve rezervuarlar; rezervuar sıcaklığı, akışkan entalpisi, fiziksel durumu, doğası ve jeolojik yerleşimi gibi özelliklerine göre sınıflandırılırlar. Örneğin jeotermal rezervuarda 1 km derinlikteki sıcaklığa bağlı olarak sistemleri iki gruba ayırmak olasıdır.

a.) Rezervuar sıcaklığının 150°C' dan düşük olduğu, düşük sıcaklıklı sistemler: Bu tür sistemler genelde yeryüzüne ulaşmış doğal sıcak su veya kaynar çıkışlar gösterirler.

b.) Rezervuar sıcaklığının 200°C' dan yüksek olduğu yüksek sıcaklıklı sistemler: Bu tür sistemler ise doğal buhar çıkışları (fumeroller), kaynayan çamur göletleri ile kendini gösterir..

Jeotermal sistemlerin fiziksel durumlarına bağlı olarak sınıflandırılmaları durumunda, üç farklı rezervuar durumu tanımlanabilir.

Sıvının etken olduğu jeotermal rezervuarlar :

Rezervuardaki basınç koşullarında su sıcaklığının buharlaşma sıcaklığından daha düşük olduğu rezervuarları tanımlamakta kullanılır. Rezervuar basıncını sıvı su fazı kontrol etmektedir.

İki fazlı jeotermal rezervuarlar :

Rezervuarda sıvı su ve su buharı birlikte bulunmaktadır ve rezervuar basıncı ve sıcaklığı suyun buhar basıncı eğrisini izler.

Buharın etken olduğu jeotermal rezervuarlar :

Rezervuar basıncındaki akışkan sıcaklığının suyun buhar basıncı eğrisi sıcaklığından daha yüksek olması durumunda bu tür rezervuarlar oluşurlar. Rezervuardaki basıncı su buharı fazı kontrol etmektedir.
Bir jeotermal rezervuarın fiziksel durumu ve kimyasal özellikleri zamana bağlı olarak değişiklik gösterebileceği gibi aynı rezervuar içerisindede bir noktadan diğerine farklılıklar gösterebilir. Örneğin sıvının etken olduğu bir rezervuar, üretim sonucu oluşan basınç düşümünden dolayı, zamanla iki fazlı bir jeotermal akışkan durumuna dönüşebilir.
Jeotermal enerji, hava kirliliği yaratmayan ve dikkatli kullanıldığında çevre sorunlarını en aza indirgeme özelliği olan bir enerji kaynağıdır. Jeotermal enerji kaynağının sürdürülebilir projelerde kullanılması amaçlanmalıdır. Projelerin sürdürülebilir olması için jeotermal sistemlerin ve rezervuarların iyi bilinmesi ve varolan yeraltı özelliklerinin projelerin avantajına olacak şekilde değerlendirilmesi gerekmektedir.

JEOTERMAL ENERJİNİN DOĞASI VE DAĞILIMI

Jeotermal enerjinin doğası ve dağılımı ile ilgili üç temel terim vardır; jeotermal gradyan, ısı akışı ve jeotermal anomali.

Jeotermal gradyan dünya yüzeyinden derinlere doğru inildikçe sıcaklığın artmasından kaynaklanır. Normal olarak yerin altına doğru inildiğinde her 33 metre'de sıcaklık 1oC yükselir. Fakat jeotermal sahalarda, jeolojik yapının ve kayaç tiplerinin farklı olmalarından dolayı sıcaklık artışı çok daha fazla, örneğin 33 metre'de 5^oC olabilir.

Isı enerjisi dünya yüzeyine, kayalardan iletim yoluyla geçerek, mağmanın hareketi ile veya jeotermal suyun hareketi ile ulaşır. Isı enerjisinin iletim yoluyla düşey olarak hareket etmesine ısı akısı denir.

Bazı jeotermal alanlarda, bazı derinliklerde sıcaklıklar, komşu alandaki sıcaklıklardan farklılıklar gösterirler. Bu düzensizliğe jeotermal anomali denir. Jeotermal anomali küçük bir alan ile sınırlı olabilir ve sadece küçük bir sıcak su kaynağı anomaliyi gösterebilir. Öte yandan anomali binlerce kilometrakarelik bir alanda da oluşabilir. Jeotermal kuyuların sondajı, geliştirilmesi ve işletmesi çok pahalı işlemler oldukları için jeotermal aramalarda pozitif jeotermal anomalilerin (yüzeye yakın ve yüksek sıcaklıklı) yerleri tespit edilmeye çalışılır.

Farklı jeolojik yapılarda, jeotermal anomalilere sebep olan beş ana faktör vardır. Bu faktörlerin anlaşılması, jeotermal alanların aranmasında yardımcı olur.

Isı, farklı bölgelerde farklı hızlarda yayılır.

Isı akısındaki temel farkların sebebinin yerin yaklaşık 30 km altındaki oluşumlarda bulunduğuna inanılmaktadır. Bazı bölgelerde ısı akısı ortalamaya göre düşük, bazı bölgelerde yüksektir.

Isı akış miktarının aralığı.

Sedimentar bölümdeki her derinlikte, kayaç tipinden bağımsız olarak ısı iletiminin hızı aynıdır. Radyoaktif kaynaklar ısı iletim hızını değiştirir. Normal olarak ısı yeryüzüne sabit hızda iletilir. Fakat, eger ortamın ısıl iletkenliği anormal olarak çok düşük ise, mevcut alandaki sıcaklık komşu alanlardan fazladır. Genel olarak dünyanın heryerinde rastlanan değişik kayaç tiplerinin ısı iletkenliği birbirlerinden farklılık gösterir. Örneğin kuvarsın iletkenliği, pekişmemiş kilin iletkenliğinden altı kat daha fazladır.

Yani, eğer ısı akışı sabit ise, bir tabakadaki jeotermal gradyan, değişen ısı iletim hızına bağlı olarak, komşu tabakaya göre altı kat daha fazla olabilir. Kayaçlardaki lateral (yanal) değişiklikler ve bunlara bağlı ısı iletkenliğindeki değişiklikler çarpıcı jeotermal anomaliler yaratabilir.

Radyoaktif elementlerin konsantrasyon farkları.

Diğer faktörler jeotermal gradyanin büyüklüğünü etkiler. Radyoaktif elementler yoğunlukla üst kabukta bulunurlar fakat en fazla granitik kayalarda bulunurlar. Radyoaktif elementler sığ kabuksal alanlardaki ısı akışını hızlandırırlar. Bazı granitik kayalardaki ısı akışının üçte ikilere varan kısmı radyoaktif elementler olan uranyum, toryum ve potasyumun radyoaktif bozunumundan dolayı oluşur. Bunların arasında uranyum ve toryum aynı önemde iki radyoaktif elementtir ve radyoaktif çürümeden oluşan ısının yaklaşık olarak % 80-90'ını oluştururlar. Bu noktada, yeteri kadar büyük hacimli bir granitik kütle içinde bulunan küçük miktarda uranyumun (milyonda 5-10 parça ve toryumun (20-80 ppm) yeraltı sıcaklığını belirgin biçimde yükselttiğini not etmekte fayda vardır. Radyoaktif elementlerin konsantrasyonundaki lateral (yanal) değişimler, kayalar aynı ısıl iletkenlikte de olsa jeotermal gradyanda farklılıklara yol açar.

Tabakalar arasına giren genç mağmatik kayaçlar (Genç mağmatik sokulumlar).

Levha tektoniği teorisi (yerkabuğunun, geniş düz parçalarının hareketi) genç mağma aktivitelerinin oluşumunu açıklamaktadır. Mağma, levhaların ayrılma zonları boyunca ve levhalar arasına girerek, sırtlar oluşturur. Kabuğa doğru sokulan mağma yerkabuğuna ısı transfer eder ve bu da yüksek jeotermal gradyanlar yaratabilir. Sonuç olarak ortaya çıkan jeotermal anomaliler değerli jeotermal kaynaklar yaratabilirler.

Hidrotermal sirkülasyon.

Geçirgen kayaçlardan, kırık veya çatlak sistemlerinden geçen sular, ısıyı kayaçlardan daha hızlı taşırlar. Genç mağmatik sokulum tarafından ısıtılan sular konveksiyon akımları sonucu jeotermal sistemde dolaşır veya dolaşımdaki soğuk su mağmatik bir sokulama yaklaşarak ısınır ve hareketine devam eder. İki durumda da jeotermal enerji kabuktaki sığ derinliklere transfer edilir ve ciddi jeotermal anomalilere sebep olabilir. Termal suların yeryüzüne çıktığı noktalarda doğal sıcak su kaynakları oluşur. Diğer yerlerde termal sulara ulaşmak için kuyu açmak gerekir.

Jeotermal Enerji Üretimi

Jeotermal enerji çoğunlukla yerkabuğundaki kayaçlarda, ikincil olarak da kayaçlardaki çatlakları, gözenekleri dolduran su, su buharı veya diğer akışkanlarda bulunur. Bu yayılmış enerjiyi kullanılabilir hale getirmek için önce büyük hacimlerdeki kayaç kütlelerinden toplanması ve sonra da bir boşaltım noktasına taşınması gereklidir. Yerkabuğunun en üst bir kaç kilometrelik bölümünde neredeyse bütün kayaçlarda bulunan su, enerjiyi toplamak ve almak için bir mekanizma oluşturulmasını sağlar.

Jeotermal suyu ve sahip olduğu ısıl enerjiyi ekonomik olarak elde edebilmek için suyun içinden geçtiği kayaçların çok miktarda su içermeleri ve geçirgenliklerinin fazla olması gerekir. Kayaçın su depolayabilme kapasitesi depolama katsayısı olarak adlandırılır. Suyun geçirgenlik özelliği ise hidrolik iletkenlik veya geçirgenlik olarak adlandırılır. Çatlaklı kuvars, kireçtaşı, kırılmış volkanik kayalar, serbest kum ve çakıl yüksek depolama katsayısına ve yüksek hidrolik iletkenliğe sahiptir ve genellikle büyük miktarlarda su üretimine olanak sağlarlar.

Yüksek hidrolik iletkenliğe sahip ve kalınlığı fazla olan kayaçlara, geçirgenliği yüksek kayaçlar denir. Geçirgenliği yüksek kayaçlar ana akiferleri (geçirgen kayalar veya gözenekli ortamlar)ve en üretken jeotermal rezervuarları oluştururlar. Uzun süreli enerji üretimi için bu akiferler geniş alanlara yayılmalı ve su beslenme sahasına hidrolik olarak bağlanmalıdır.

Geçirgenliği az olan sahalarda çeşitli çatlatma yöntemleri enerji üretimini teorik olarak arttırır fakat bu tür uygulamalar jeotermal alanlarda çok ender uygulanmaktadır.

Gözenekliliği ve geçirgenliği az olan kayaçlardan enerji üretimi, sınırlı sirkülasyon çevrimleri ile sağlanabilir. Bu durumda iki kuyu birbirine kırık ve çatlaklar sistemi ile hidrolik olarak bağlıdır. Soğuk su bir kuyudan aşağıya doğru pompalanır, pompalanan su kayaçlardaki çatlaklardan geçerek iletim yoluyla ısınır ve ikinci kuyudan yukarı doğru pompalanır. Kayaçlardaki çatlakların geçirgenliği az olan kayaçlar tarafından çevrelenmesi, çevrimdeki su kaybının az miktarda kalması için önemlidir. Bu teknolojiye sıcak kuru kayaç 'HDR' teknolojisi denmektedir ve hala deneysel aşamada bulunmaktadır. Bu teknolojinin uygulanabilirliği ve ekonomisi henüz tam olarak kanıtlanmamıştır. Sıcak kuru kayaçlar, hidrolojik ortam çeşitleri arasında en uçta bulunur, çeşitlenme bu uçtan yüksek geçirgenliği olan klasik rezervuarlara ve akiferlere doğru genişler. Dünyanın kabuğundaki kayaçların çoğu sınırlı bir sirkülasyon çevrimi için çok fazla geçirgendir fakat bu geçirgenlik ekonomik olarak jeotermal akışkan üretmeye yetecek kadar fazla değildir.

Jeotermal Sistemlerin Çesitleri

Genç Volkanik Sokulumlarla Bağlantılı Hidrotermal Konveksiyon Sistemler.

Dünyanın ısısının varolduğuna dair en belirgin kanıtlar volkanik patlamalardır. Bu patlamalardan etrafa yayılan lavlar dünya yüzeyinde hemen soğur fakat yer kabuğu altındaki iç küre(lavın kaynağı) binlerce yıl boyunca ergimiş olarak kalır. Günümüzde bu mağma hücrelerine doğrudan sondaj yapılması pratik değildir. Bununla birlikte mağma sızıntısının etrafındaki kırıklar ve çatlaklar hidrotermal sirkülasyon sistemlerinin oluşumuna elverişli olabilir: yeraltı suyu, soğumakta olan mağma sızıntısının aşağılarında veya çevresinde çevrime girebilir. Bu çevrimde bir miktar ısı alan su tekrar yeryüzüne yakın alanlara döner. Sıcak ve soğuk suyun yoğunlukları arasındaki fark ısınan suyun üste çıkmasını sağlar.

Genç Magmatik Sokulumlar Tarafindan Etkilenen Hidrotermal
Taşınım Sisteminin şeması

Çatlak (Fay) Kontrollü Sistemler.

Hidrotermal taşınım(konveksiyon) sistemlerinin çoğu genç volkanik sızıntıların olduğu yerlerde bulunmaz. Bunun yerine bu jeotermal sistemler ısılarını, geçirgen alanlar boyunca suyun derinlere doğru sirkülasyonuna izin veren geniş hacimli kayaçlardan alırlar. Bu alanlar, stratigrafik yataklar veya çatlaklar ve birbirine bağlantılı kırık sistemleri olabilir. Su sıcaklığı birinci olarak bölgesel ısı akımının büyüklüğüne ve su çevriminin derinliğine bağlıdır. Hidrotermal taşınım sistemlerinin kollarına beslenme (reşarj) dağlık alanlarda ve bitişik vadilerde meydana gelir. Kırık ve çatlaklar aşağıdaki şekilde gösterilenden farklı olabilirler, önemli olan kırıkların yükselen sıcak su için yeterli derecede geçirgen olmalarıdır.

Genç Magmatik Sokulumların Etkisi Altında Olmayan, Fay Kontrollü,
Meteorik Su Sirkülasyonuna Bağlı Hidrotermal Taşınım Sistemi

İletkenliği Düşük Katmanların Altında Gizlenen Radyojenik Isı Kaynakları.

Granitik plutonik kayaçlar göreceli olarak yüksek miktarlarda uranyum ve toryum içerirler. Bu elementlerin radyoaktif parçalanması ısı enerjisi açığa çıkarır. Radyojenik pluton içindeki ısı akımı, komşu kayaçtaki (içine sokulunan) kayaç) ısı akımından fazladır. Eğer granitik kayaçlar düşük ısı ilekenliği olan katmanlar tarafından çevrelenmişse bu katmanların tabanında yüksek sıcaklıklar oluşabilir. Jeotermal anomalinin şekli radyojenik kaynağın şekline, kalınlığına ve üstteki tabakaların termal iletkenliğine bağlıdır.

Yer Basınçlı (Geopressured)- Jeotermal Rezevuarlar.

Yer Basınçlı - jeotermal rezervuarlar, üzerlerindeki kayaçlar tarafından su sütununun basıncını aşan basınç altında bırakılan akiferlerdir. Yer basınçlı jeotermal alanda bulunan ve daha az gözenekli olan katmanlar suyun yukarıya doğru sızmasını ve ısı transferini önler Yer basınçlı katmanlardaki su çok yüksek miktarda ısı içerir, ayrıca bu su çözünmüş metan (Doğal gazın ana bileşeni) açısından da zengindir.

Yer basınçlı jeotermal rezervuarlardan jeotermal enerji ve çözünmüş metan üretimi halen gelişmekte olan bir teknolojidir. Temel olarak derin petrol kuyusu sondajında kullanılan yöntemlerin benzerleri kullanılır. Sondaj masrafları ancak çok güçlü finansal yapıları olan kurumlar tarafından karşılanabilir. Günümüzde sadece sıcak su kullanımı için böyle kuyuların açılması ekonomik değildir. Eğer metan üretimi ile birleştirilirse yer basınçlı jeotermal rezervuarlar ekonomik olabilirler.

Derin Bölgesel Akifer İçindeki Jeotermal Rezervuarın Şematik Modeli

Derin Bölgesel Akiferler.

Kabuktaki aşağı doğru eğimli oluklar, yeraltı sularını dağlık alanlardaki beslenme alanlarından toplar. Bu su daha sonra tortul kayaçlardan geçerek aşağı doğru iner ve jeogradyanden dolayı buralarda ısınır.

Bu tür havzalarda eğer hidrolik iletkenlik yüksekse veya çatlaklar suyun artezyenik basınç sayesinde yukarı doğru yükselmesine izin veriyorsa, jeotermal su deliklerden yeryüzüne ulaşabilir. Artezyenik basınç termal suyun yüzeye ulaşması için yeterli olabilir. Düşük termal iletkenliğe sahip tortullarda eş sıcaklık eğrileri (izoterm) yüzeye doğru eğilebilirler ve jeotermal suyu yüzeyin çok yakınına getirebilirler.

Referans

What is geothermal energy? M.H.Dickson and M.Fanelli, Istituto di Geoscienze e Georisorse, Pisa, Italy.

“İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü (Jeotermal Enerji Araştırma Geliştirme Test ve Eğitim Merkezi ), 2004.