भूतापीय (जियोथर्मल) ऊर्जा पृथ्वी के भीतर की गर्मी है। यह गर्मी पपड़ी और मैंटल में रेडियोधर्मी आइसोटोप के धीमे क्षय से और ग्रह बनने के समय से बची गर्मी से बनी रहती है। औसतन हर किलोमीटर गहराई पर तापमान लगभग 25-30 °C बढ़ता है (इसे भूतापीय प्रवणता कहते हैं)। टेक्टोनिक प्लेटों की सीमाओं, ज्वालामुखी पट्टियों और रिफ़्ट घाटियों के पास यह प्रवणता कई गुना ज़्यादा हो सकती है, जिससे 200 °C से ज़्यादा गर्म पानी ड्रिल की पहुंच में आ जाता है। दुनिया के लगभग सारे जियोथर्मल बिजलीघर इन्हीं हॉटस्पॉट में हैं।
दुनिया की बिजली में जियोथर्मल का हिस्सा छोटा, पर स्थिर है। Ember और Our World in Data इसे “अन्य नवीकरणीय” में गिनते हैं: 2025 में लगभग 89 TWh, यानी वैश्विक उत्पादन का 0.3%। स्थापित क्षमता लगभग 15-17 GW है, जो स्रोत और गिनने के तरीके पर निर्भर करती है। इसकी कीमत इसके आकार में नहीं, इसके चलने के ढंग में है। सोलर और पवन के उलट, जियोथर्मल प्लांट दिन-रात, साल भर लगभग एक जैसा उत्पादन देता है। इसीलिए यह उन गिने-चुने नवीकरणीय स्रोतों में है जो भरोसेमंद बेसलोड बिजली देते हैं।
जियोथर्मल पावर कैसे काम करता है
पारंपरिक हाइड्रोथर्मल सिस्टम को तीन चीज़ें चाहिए: गर्मी, पानी को रिसने देने वाली (पारगम्य) रिज़र्वॉयर चट्टान, और गर्मी ढोने के लिए पानी। प्रोडक्शन कुएं, जो आम तौर पर 1-3 km और कभी-कभी उससे भी गहरे होते हैं, रिज़र्वॉयर तक पहुंचते हैं। गर्म द्रव ऊपर उठता है तो दबाव घटता है और उसका कुछ हिस्सा अचानक भाप बन सकता है। सतह पर यह सीधे या हीट एक्सचेंजर के ज़रिए टरबाइन चलाता है। इस्तेमाल हो चुका द्रव अलग कुओं से वापस नीचे भेजा जाता है। इससे घुले हुए खनिजों से छुटकारा मिलता है और रिज़र्वॉयर का दबाव बनाए रखने में मदद मिलती है।
बुनियादी सीमा तापमान तय करता है। जियोथर्मल द्रव कोयला या न्यूक्लियर प्लांट की भाप से कहीं ठंडे होते हैं, इसलिए सैद्धांतिक दक्षता कम रहती है:
Example: 250 °C reservoir (523 K), 30 °C condenser (303 K) → η_max ≈ 42% 150 °C reservoir (423 K), 30 °C condenser (303 K) → η_max ≈ 28%
Thermal power from a well: P_th = ṁ × c_p × (T_production − T_reinjection)
असली प्लांट ऊंचे तापमान वाले फ़्लैश प्लांट में लगभग 10-20% और कम तापमान वाले बाइनरी प्लांट में 5-15% नेट दक्षता हासिल करते हैं। गर्मी मुफ्त है, इसलिए कम दक्षता से ईंधन का खर्च नहीं बढ़ता। हां, इसका मतलब है प्रति MW ज़्यादा कुएं और द्रव का ज़्यादा बहाव।
जियोथर्मल प्लांट के मुख्य प्रकार
ड्राई स्टीम
यह सबसे सरल डिज़ाइन है: रिज़र्वॉयर की सूखी भाप सीधे टरबाइन में जाती है। ऐसे स्रोत दुर्लभ हैं। दो सबसे बड़े हैं टस्कनी का लार्देरेलो, जहां 1904 में दुनिया की पहली जियोथर्मल बिजली बनी और 1913 में कमर्शियल उत्पादन शुरू हुआ, और उत्तरी कैलिफ़ोर्निया का The Geysers, जो दुनिया का सबसे बड़ा जियोथर्मल कॉम्प्लेक्स है। 1980 के दशक के आखिर में The Geysers की स्थापित क्षमता 1.5 GW से ऊपर के शिखर पर थी। फिर ज़रूरत से ज़्यादा उत्पादन ने रिज़र्वॉयर का दबाव गिरा दिया। 1990 के दशक के आखिर से लेक काउंटी और सांता रोज़ा से पाइप के ज़रिए लाया गया साफ़ किया हुआ गंदा पानी इसमें डाला जा रहा है, जिससे नेट उत्पादन लगभग 700-900 MW पर बना हुआ है।
फ़्लैश स्टीम
ऊंचे तापमान वाले स्रोतों (लगभग 180 °C से ऊपर) के लिए फ़्लैश प्लांट सबसे आम विकल्प हैं। दबाव वाला गर्म पानी कुएं से ऊपर आता है, सेपरेटर में उसका कुछ हिस्सा भाप बन जाता है, और यह भाप टरबाइन चलाती है। डबल-फ़्लैश प्लांट बचे हुए खारे पानी को कम दबाव वाले दूसरे सेपरेटर से गुज़ारकर और ऊर्जा निकालते हैं। बड़े फ़्लैश फ़ील्ड में न्यूज़ीलैंड का वाइराकेई, केन्या का ओल्कारिया, फ़िलीपींस के तिवी और माकबान, मेक्सिको का सेरो प्रिएतो और आइसलैंड का हेलिशेइडी शामिल हैं।
बाइनरी साइकिल
बाइनरी साइकिल प्लांट में लगभग 100-180 °C का जियोथर्मल द्रव हीट एक्सचेंजर से गुज़रता है और कम क्वथनांक वाले दूसरे वर्किंग फ़्लुइड (आइसोब्यूटेन, आइसोपेंटेन या कोई रेफ्रिजरेंट) को उबालता है। उसकी भाप ऑर्गेनिक रैंकिन साइकिल में टरबाइन चलाती है। जियो-द्रव बंद लूप में रहता है और हवा के संपर्क में आए बिना वापस डाल दिया जाता है, इसलिए सीधा उत्सर्जन लगभग शून्य होता है। बाइनरी यूनिट मॉड्यूलर होते हैं, हर एक आम तौर पर कुछ MW से दसियों MW का। गिनती के हिसाब से ज़्यादातर नए प्लांट यही हैं, खासकर अमेरिका, तुर्किये और जर्मनी में।
एन्हांस्ड जियोथर्मल सिस्टम (EGS)
एन्हांस्ड जियोथर्मल सिस्टम वहां रिज़र्वॉयर बनाता है जहां चट्टान गर्म तो है पर पर्याप्त पारगम्य नहीं। ऊंचे दबाव पर पानी डालकर दरारें खोली जाती हैं, फिर इंजेक्शन और प्रोडक्शन कुओं के बीच द्रव घुमाया जाता है। सिद्धांत रूप में EGS 3-7 km की गहराई पर लगभग कहीं भी जियोथर्मल बिजली संभव बना सकता है। हाल की प्रगति सीधे शेल तेल और गैस से आई है: हॉरिज़ॉन्टल ड्रिलिंग, मल्टी-स्टेज स्टिमुलेशन और पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड ड्रिल बिट। Fervo Energy के नेवादा स्थित Project Red ने 2023 में कमर्शियल स्केल पर हॉरिज़ॉन्टल डबलेट का प्रदर्शन किया, और यूटा में उसका Cape Station प्रोजेक्ट पहले चरण में लगभग 100 MW का लक्ष्य रखता है, आगे और विस्तार की योजना है। US DOE की Utah FORGE साइट एक फ़ील्ड लैब की तरह काम करती है। क्लोज़्ड-लूप डिज़ाइन, जिनमें बिना दरारें खोले सीलबंद कुओं में द्रव घुमाया जाता है, इससे मिलता-जुलता तरीका है।
सीधा इस्तेमाल और ग्राउंड-सोर्स हीट पंप
जियोथर्मल गर्मी को बिजली में बदले बिना सीधे गर्मी के रूप में भी इस्तेमाल किया जाता है। इसमें डिस्ट्रिक्ट हीटिंग, ग्रीनहाउस, मछली पालन, स्नान और औद्योगिक सुखाई शामिल हैं। रेक्याविक का जियोथर्मल डिस्ट्रिक्ट हीटिंग नेटवर्क लगभग पूरे राजधानी क्षेत्र को गर्म रखता है, और आइसलैंड के करीब 90% घर जियोथर्मल से गर्म होते हैं। 2020 की World Geothermal Congress समीक्षा (Lund और Toth) ने दुनिया भर में 100 GW से ज़्यादा थर्मल डायरेक्ट-यूज़ क्षमता गिनी, पर उसका दो-तिहाई से ज़्यादा हिस्सा ग्राउंड-सोर्स हीट पंप का था।
ग्राउंड-सोर्स हीट पंप अलग तकनीक है। ये ज्वालामुखीय गर्मी का इस्तेमाल नहीं करते। ये ज़मीन की ऊपरी परत को, जो स्थानीय सालाना औसत तापमान के आसपास रहती है (यूरोप और उत्तरी अमेरिका के बड़े हिस्से में लगभग 8-14 °C), सर्दियों में स्थिर हीट सोर्स और गर्मियों में हीट सिंक की तरह इस्तेमाल करते हैं। इनका COP आम तौर पर 3-5 होता है। ये लगभग कहीं भी काम करते हैं, पर इन्हें बिजली चाहिए। इसका आकार आप ग्राउंड सोर्स हीट पंप कैलकुलेटर से तय कर सकते हैं।
प्रमुख देश
| देश | स्थापित क्षमता (लगभग) | टिप्पणी |
|---|---|---|
| अमेरिका | 3.7-3.9 GW | The Geysers (CA), इंपीरियल वैली, नेवादा के बाइनरी प्लांट |
| इंडोनेशिया | 2.4-2.7 GW | सबसे बड़ी संभावित क्षमता; तेज़ बढ़त |
| फ़िलीपींस | ~1.9 GW | देश की लगभग 10% बिजली |
| तुर्किये | 1.6-1.7 GW | ज़्यादातर बाइनरी और फ़्लैश, एजियन क्षेत्र |
| न्यूज़ीलैंड | 1.0-1.2 GW | ताउपो ज्वालामुखी क्षेत्र; बिजली का लगभग 18-20% |
| मेक्सिको | ~1.0 GW | सेरो प्रिएतो, लॉस अज़ुफ़्रेस |
| केन्या | ~0.9-1.0 GW | ओल्कारिया, रिफ़्ट वैली; बिजली का लगभग 40-45% |
| इटली | ~0.9 GW | लार्देरेलो और मोंटे अमियाता, टस्कनी |
| आइसलैंड | ~0.75 GW | बिजली का लगभग एक-चौथाई से एक-तिहाई; ~90% घरों को गर्मी |
| जापान | ~0.6 GW | बड़ा स्रोत, ज़्यादातर अछूता (नेशनल पार्क, गर्म झरने) |
क्षमता के आंकड़े IRENA, ThinkGeoEnergy और 2023-2025 के राष्ट्रीय आंकड़ों से लिए गए गोल रेंज हैं। देश पेज: आइसलैंड, केन्या, अमेरिका।
दक्षता और कैपेसिटी फैक्टर
जियोथर्मल जैसा कैपेसिटी फैक्टर गिने-चुने बिजलीघरों का होता है। हाल में चालू हुए प्लांट का IRENA वैश्विक भारित औसत 80% से ऊपर बताता है, और अच्छी तरह चलाए जा रहे फ़ील्ड 90% पार कर जाते हैं। पूरे बेड़े का औसत कम है, अक्सर 70-75%, क्योंकि कुछ पुराने फ़ील्ड ढलान पर हैं और न्यूज़ीलैंड व अमेरिका जैसे बाज़ारों में कुछ प्लांट अब स्थिर उत्पादन की जगह ज़रूरत के हिसाब से लचीले ढंग से चलते हैं। रिज़र्वॉयर प्रबंधन बहुत कुछ तय करता है। प्राकृतिक भराव से तेज़ उत्पादन करने पर दबाव गिरता है, और इसकी भरपाई के लिए हर कुछ साल में मेक-अप कुएं खोदने पड़ते हैं। कैपेसिटी फैक्टर कैलकुलेटर उतनी ही नेमप्लेट क्षमता वाले सोलर या पवन से सालाना उत्पादन की तुलना करता है।
खर्च
जियोथर्मल का अर्थशास्त्र शुरुआती ड्रिलिंग खर्च पर टिका है। खोज और कुओं की ड्रिलिंग कुल प्रोजेक्ट खर्च का 30-50% या उससे ज़्यादा हो सकती है, और हर कुएं पर कई मिलियन डॉलर लगते हैं, बिना इस गारंटी के कि उससे उत्पादन होगा। यह संसाधन जोखिम खोज के चरण में उठाना पड़ता है, जब कोई कमाई नहीं होती, और यही निवेश की सबसे बड़ी रुकावट है। इसी वजह से भूगर्भीय जोखिम बीमा और सरकारी खोज फ़ंड (जैसे केन्या, इंडोनेशिया और तुर्किये में) ने इतना बड़ा फ़र्क डाला है।
- IRENA (2024): नए जियोथर्मल प्लांट का वैश्विक भारित औसत LCOE 2023 में लगभग USD 0.071/kWh था, और अलग-अलग प्रोजेक्ट इसके आसपास दूर-दूर तक फैले हैं। इंस्टॉलेशन खर्च आम तौर पर लगभग USD 3,000 से 6,000 प्रति kW से ऊपर तक रहता है।
- Lazard LCOE+ (2024): अमेरिका में बिना सब्सिडी के जियोथर्मल लगभग USD 64-106/MWh।
- NREL ATB हाइड्रोथर्मल फ़्लैश और बाइनरी प्लांट को गहरे EGS से अलग रखता है। EGS आज कहीं ज़्यादा महंगा है, पर उन्नत परिदृश्यों में इसके काफ़ी सस्ता होने का अनुमान है।
प्लांट बन जाने के बाद चलाने का खर्च कम है और ईंधन की कीमत का कोई जोखिम नहीं, इसलिए मरम्मत-नवीनीकरण के साथ यह 30-50 साल या उससे ज़्यादा चल सकता है। भरोसेमंद, ज़रूरत पर मिलने वाली बिजली के प्रति MWh के हिसाब से जियोथर्मल दूसरे कम-कार्बन विकल्पों के सामने अच्छा टिकता है। ऊंचा कैपेसिटी फैक्टर ऊंचे पूंजी खर्च की भरपाई कैसे करता है, यह LCOE कैलकुलेटर में देखें।
ज़मीन, पानी और कच्चा माल
ज़मीन। प्रति यूनिट ऊर्जा सतह पर सबसे कम जगह घेरने वाले स्रोतों में जियोथर्मल है। दसियों MW के बिजलीघर और उसके कुओं के पैड कुछ हेक्टेयर लेते हैं, और डायरेक्शनल ड्रिलिंग से कई कुएं एक ही पैड पर बन सकते हैं। फ़ील्ड में बिछी पाइपलाइनें एक लंबी पट्टी की जगह और लेती हैं।
पानी। फ़्लैश और ड्राई स्टीम प्लांट आम तौर पर अपने कूलिंग टावर में संघनित जियोथर्मल भाप ही भरते हैं, इसलिए उन्हें बाहर से ज़्यादा मीठा पानी नहीं चाहिए, हालांकि वाष्पीकरण से वापस डालने के लिए द्रव कम बच सकता है। हवा से ठंडे होने वाले बाइनरी प्लांट बहुत कम पानी लेते हैं। EGS को स्टिमुलेशन और सर्कुलेशन में होने वाले नुकसान की भरपाई के लिए पानी चाहिए, जो सूखे इलाकों में अच्छी-खासी मात्रा बन सकता है।
कच्चा माल। ज़्यादातर सामग्री कुओं की स्टील केसिंग और सीमेंट है। इसके साथ कुओं और हीट एक्सचेंजरों के लिए जंग-रोधी मिश्रधातुएं लगती हैं, जो अम्लीय या खारे द्रव झेल सकें। कैलिफ़ोर्निया के सॉल्टन सी जैसे कुछ खारे द्रवों में निकाला जा सकने लायक लिथियम होता है, जो एक नया सह-उत्पाद बन सकता है।
लाइफ़साइकिल और सीधा CO2 उत्सर्जन
जियोथर्मल का उत्सर्जन ज़्यादातर स्रोतों से ज़्यादा बदलता है, क्योंकि कुछ रिज़र्वॉयर में घुली गैसें होती हैं जो द्रव के सतह पर आते ही निकल जाती हैं। ये मुख्य रूप से CO2 हैं, साथ में हाइड्रोजन सल्फ़ाइड (H2S) और थोड़ी मीथेन।
- IPCC AR5 WGIII Annex III (2014): लाइफ़साइकिल मीडियन 38 gCO2e/kWh, रेंज 6-79 g।
- चलते समय का उत्सर्जन: 2016 में World Bank ESMAP के दुनिया भर के प्लांट सर्वे में सीधा CO2 उत्सर्जन कुछ ग्राम से लेकर कई सौ ग्राम प्रति kWh तक मिला, जिसका भारित औसत लगभग 100 g के आसपास था। जो बाइनरी प्लांट अपना सारा द्रव वापस डालते हैं, वे लगभग कुछ भी उत्सर्जित नहीं करते। कार्बोनेट वाले रिज़र्वॉयर पर बने फ़्लैश प्लांट, जैसे पश्चिमी तुर्किये के कुछ हिस्सों और कुछ इतालवी फ़ील्ड में, गैस से बनी बिजली के बराबर या उससे ज़्यादा उत्सर्जन कर सकते हैं। (UNECE के 2021 आकलन में जियोथर्मल शामिल नहीं था।)
उत्सर्जन घटाने के तरीके बेहतर हो रहे हैं। आइसलैंड में हेलिशेइडी का CarbFix प्रोजेक्ट CO2 और H2S को पानी में घोलकर बेसाल्ट चट्टान में पंप करता है, जहां लगभग दो साल में ये स्थिर कार्बोनेट खनिज बन जाते हैं। इतालवी प्लांट H2S और पारा हटाने के लिए AMIS यूनिट इस्तेमाल करते हैं। तुर्किये और न्यूज़ीलैंड के नए प्लांट में सारी न-संघनित होने वाली गैसें वापस डालना अब धीरे-धीरे सामान्य तरीका बनता जा रहा है।
सुरक्षा और पर्यावरण पर असर
सबसे जाना-पहचाना जोखिम प्रेरित भूकंपीयता है, यानी इंसानी गतिविधि से आने वाले भूकंप। ज़्यादातर घटनाएं सूक्ष्म भूकंप होती हैं, पर कुछ ने नुकसान भी किया है। बासेल के EGS प्रोजेक्ट से 2006 में 3.4 तीव्रता का भूकंप आया और प्रोजेक्ट छोड़ दिया गया। कोरिया की एक सरकारी जांच ने निष्कर्ष निकाला कि पास की EGS साइट पर द्रव डालने से 2017 का 5.4 तीव्रता वाला पोहांग भूकंप आया। The Geysers में हर साल हज़ारों छोटे भूकंप आते हैं जो इंजेक्शन से जुड़े हैं। आज का सबसे अच्छा तरीका है फ़ॉल्ट की बारीक मैपिंग, रियल-टाइम भूकंपीय निगरानी और ट्रैफ़िक-लाइट प्रोटोकॉल, जो तय सीमा पार होते ही इंजेक्शन घटा या रोक देते हैं।
दूसरे असर भी हैं: बिना रोकथाम वाले फ़्लैश प्लांट के पास H2S की गंध और ज़हरीलापन; ज़मीन धंसना (वाइराकेई में दशकों तक बिना द्रव वापस डाले उत्पादन के बाद कुछ जगहों पर 10 m से ज़्यादा); आर्सेनिक, बोरॉन या पारा वाले खारे द्रवों का निपटान; ड्रिलिंग और कुओं की टेस्टिंग के दौरान शोर; और संस्कृति व पर्यटन के लिए अहम गर्म झरनों और गीज़रों पर संभावित असर। द्रव वापस डालने और रोकथाम के उपायों से इनमें से ज़्यादातर संभल जाते हैं, और प्रति यूनिट ऊर्जा मौतें कम हैं।
आगे की तस्वीर
एक सदी से जियोथर्मल बिजली उन्हीं जगहों तक सीमित रही है जहां भूगर्भ मेहरबान है। यह बदल सकता है। IEA की 2024 की रिपोर्ट The Future of Geothermal Energy का तर्क है कि अगली पीढ़ी की तकनीकें, यानी तेल और गैस ड्रिलिंग के अनुभव पर बने EGS और क्लोज़्ड-लूप सिस्टम, जियोथर्मल को ज़्यादातर देशों तक ले जा सकती हैं। रिपोर्ट के मुताबिक खर्च घटता रहा तो 2050 तक वैश्विक बिजली मांग में होने वाली बढ़त का अच्छा-खासा हिस्सा जियोथर्मल पूरा कर सकता है, और अगली पीढ़ी के प्रोजेक्ट का खर्च 2035 तक लगभग USD 50/MWh तक गिर सकता है। US DOE के GeoVision अध्ययन ने भी पाया कि ड्रिलिंग खर्च गिरता रहा तो 2050 तक अमेरिका में दसियों GW क्षमता की संभावना है। भरोसेमंद, चौबीसों घंटे साफ़ बिजली खोज रहे डेटा सेंटर ऑपरेटर इसके शुरुआती खरीदार बन गए हैं।
इंडोनेशिया, केन्या, फ़िलीपींस, तुर्किये और न्यूज़ीलैंड में हाइड्रोथर्मल बढ़त जारी है, और यूरोप में जर्मनी, फ़्रांस और नीदरलैंड्स समेत कई जगह जियोथर्मल डिस्ट्रिक्ट हीटिंग फैल रही है। जियोथर्मल घटते-बढ़ते नवीकरणीय स्रोतों का अच्छा साथी है: भरोसेमंद कम-कार्बन उत्पादन का मतलब है कम स्टोरेज की ज़रूरत। प्लांट कहां हैं, यह विश्व बिजलीघर मैप पर देखें, और टेक्नोलॉजी तुलना पेज जियोथर्मल को जलविद्युत और दूसरे स्रोतों के सामने रखता है।
अक्सर पूछे जाने वाले सवाल
भूतापीय ऊर्जा से बिजली कैसे बनती है?
कौन-से देश सबसे ज़्यादा भूतापीय ऊर्जा इस्तेमाल करते हैं?
जियोथर्मल पावर का कैपेसिटी फैक्टर कितना होता है?
क्या भूतापीय ऊर्जा नवीकरणीय है?
क्या भूतापीय ऊर्जा से भूकंप आ सकते हैं?
क्या ग्राउंड-सोर्स हीट पंप और भूतापीय ऊर्जा एक ही चीज़ हैं?
जियोथर्मल बिजली कितने की पड़ती है?
स्रोत और संदर्भ
- IRENA (2024). Renewable Power Generation Costs in 2023
- IEA (2024). The Future of Geothermal Energy
- US DOE (2019). GeoVision: Harnessing the Heat Beneath Our Feet
- IPCC (2014). AR5 WGIII Annex III: Technology-specific Cost and Performance Parameters
- Lazard (2024). Levelized Cost of Energy+ (LCOE+)
- Ember और Energy Institute: बिजली डेटा Our World in Data के ज़रिए (इस पेज के चार्ट और तालिकाएँ)