انرژی زمین گرمایی

[spow 44197]

در حقيقت زمين منبع عظيمي از انرژي حرارتي مي باشد. هر چه به اعماق زمين نزديكتر مي شويم حرارت آن افزايش مي يابد بطوريكه اين حرارت در هسته زمين به بيش از پنج هزار درجه سانتيگراد مي رسد. اين حرارت به طريقه هاي متفاوتي از جمله فورانهاي آتشفشاني، آبهاي موجود در درون زمين و يا بواسطه خاصيت رسانايي از بخش هايي از زمين به سطح آن هدايت مي شود. در يك سيستم زمين گرمايي حرارت ذخيره شده در سنگها و مواد مذاب اعماق زمين بواسطه يك سيال حامل به سطح زمين منتقل مي شود. اين سيال عمدتاً نزولات جوي مي باشد كه پس از نفوذ به اعماق زمين و مجاورت با سنگهاي داغ حرارت آنها را جذب نموده و در اثر كاهش چگالي مجدداً به طرف سطح زمين صعود مي نمايد و موجب پيدايش مظاهر حرارتي مختلفي از قبيل چشمه هاي آب گرم، آبفشانها و گل فشانها در نقاط مختلف سطح زمين مي گردد.

استفاده از حرارت توسط انسان به زمانهاي بسيار دور بر مي‌گردد. وقتي که انسانهاي ما قبل تاريخ در جستجوي پناهگاه در ته غارها اقدام به گريز از سرماي يخبندان کردند. با دور شدن از سطح زمين خود را در پناه تغييرات فصول قرار داده و در حقيقت از انرژي زمين گرمايي استفاده مي‌کردند. چشمه‌هاي آب گرم ، چشمه‌هاي آب گرم جهنده و فواره‌هاي بخار ، صور نمايشي از گرماي زمين هستند. که در هر زمان مورد استفاده مردمان بوده است و امروزه سعي در بهره برداري از اين انرژي بصورت مدرن و در اندازه‌هاي بيشتر است. چشمه‌هاي شناخته شده با دماي بالا از مدتها پيش مورد بهره برداري قرار گرفته است، ولي اشکال عمده آن وجود چشمه‌هايي در نقاط کمياب و مشخص از زمين است. در حقيقت دو نوع انرژي تشخيص داده مي شود: » انرژيهاي پايين » انرژي هاي بالا. با وجود اين مرز بين اين دو بطور آشکار مشخص نيست، ولي انرژي پايين آن دمايي است که توليد الکتريسته با آن ممکن نبوده يا عملا قابل استفاده نيست. مقادير مساعد بين 120 تا 180 درجه سانتيگراد نوسان مي‌کند. توزيع دما در زير زمين تابعي از دو فرآيند است: از يک طرف افزايش منظم دما با عمق ، نتيجه شار گرماي هدايت شده از داخل زمين به سمت سطح آن است. اين گرما که اساسا از مواد راديو اکتيو سنگها ناشي مي شود، گراديان زمين گرمايي يا افزايش دما در واحد عمق حتي در ناحيه‌اي با لايه‌هاي زميني يا طبيعت متفاوت شار حرارتي تقريبا ثابت و گراديان بطور غير قابل اغماض تغيير مي‌کند. شناسايي اين گراديان در يک ناحيه معين سبب ارزيابي دماي حاکم بر عمقي مي شود که در آن سفره آبي قابل استخراج وجود دارد.

[spow 44197]

فرآيند ديگري که به توزيع دماها در زير زمين حاکم است. همرفت يا جابجايي است. خاک قابل نفوذ به جريان سريع آب در جهت قائم اجازه مي‌دهد و به اين دليل همرفت توليد مي شود. اين همرفت مخصوصا در مورد يک رگه بخار اهميت دارد، از اين انرژي زمين گرمايي (با انرژي بالا) بسيار جالب براي توليد الکتريسته استفاده مي شود.

رشد روز افزون جمعيت‚ توسعه شهر نشيني و نيز اقتصاد انرژي در كشور ما توليد 90000 هزار مگاوات برق در سال 2020 را اجتناب ناپذير ساخته است. حدود 98% از ظرفيت توليد فعلي ( 29000 مگا وات ) نيروگاه هاي برق كشور به كاربرد سوخت هاي فسيلي متكي است حال اينكه محدوديت منابع سوخت فسيلي‚ رشد مصرف داخلي و عدم وجود منابع كافي جهت صادرات از يكسو و موازين و معيارهاي زيست محيطي توسعه پايدار از سوي ديگر كاربرد انرژي هاي تجديد شونده درسبد توليد را اجتناب ناپذير ساخته است. انرژي زمين گرمايي يا ژئوترمال، از حرارت درون زمين به دست مي آيد. در طول عمر زمين، مقدار زيادي انرژي حرارتي در هسته زمين ذخيره شده است. با نزديک تر شدن به هسته زمين، ميزان حرارت تا 4000 درجه سانتي گراد افزايش مي يابد. در عمق 70 کيلومتري زمين ، تفتال مذاب با مخلوطي از انواع کاني هاي مذاب در حال گردش وجود دارد. معمولاً در طبقات رسوبي به ازاي هر صد متر افزايش عمق، به طور متوسط 3 درجه به دماي زمين افزوده مي شود. بشر تاکنون موفق به دستيابي مستقيم به حرارت هسته زمين نشده ولي در استفاده از مراکز انرژي پرحرارت موجود در اعماق نزديک تر به سطح زمين موفق بوده است. در اين مراکز، آب هاي داغ ذخيره مي شوند و از طريق لايه سنگ هاي نفوذ ناپذير به سطح زمين رخنه مي کنند و چشمه هاي آب گرم را تشکيل مي دهند. در بعضي از مناطق با حفر چاه مي توان به آب گرم و بخار دست يافت. از حرارت زمين گرمايي براي گرمايش مکان ها و محله هاي مسکوني، مصارف صنعتي و توليد برق استفاده مي کنند. در سال 1904، نخستين بار در شهر لاردرلوي ايتاليا از انرژي زمين گرمايي براي توليد برق استفاده شد. پيشروان استفاده از انرژي ژئوترمال ايتاليا، زلاندنو، آمريکا، فرانسه ، ژاپن ، ايسلند و مجارستان هستند. در ايران امکان استفاده از منابع انرژي زمين گرمايي در مناطق دماوند ، سبلان ، ماکو ، خوي و سهند وجود دارد.در حال حاضر ، ميزان توليد برق از انرژي ژئوترمال 1/0 درصد کل انرژي جهان است. در سال 1996 کل ظرفيت نصب شده انرژي زمين گرمايي در 52 کشور جهان به 6500 مگاوات برق (Mwe) رسيد و جمع برق توليدي، افزون بر 38 هزار گيگاوات ساعت (GWH) شد. هزينه توليد برق از انرژي زمين گرمايي 25 تا 30 درصد کمتر از هزينه توليد برق از زغال سنگ، نفت يا انرژي هسته اي است. در سال 1978 هزينه توليد هر بشكه نفت 21 دلار تخمين زده شد؛ در حالي که موسسه تحقيقاتي استانفورد آمريکا اين هزينه را 35دلار هر بشکه برآورد مي کند. کارشناسان انرژي زمين گرمايي، هزينه استفاده از انرژي زمين گرمايي را معادل هزينه توليد برق آبي برآورد مي کنند.

منابع زمين گرمايي «نيمه گرمايي»، «خيلي گرم» و « فشرده» هستند. نخستين چاه هاي ژئوترمال در سال 1919 در ژاپن و در سال 1921 در کاليفرنيا حفر شدند. هم اکنون ايسلند در حال ساخت يک پايگاه هيدروژني با بهره گيري از ذخاير عظيم انرژي هيدروليک (آب – برق) و زمين گرمايي است. ساخت اين تاسيسات، الگويي براي توليد هيدروژن به روش الکترونيکي از آب که يک انرژي پاک و تجديدپذير است. آمريکا منابع عظيم ژئوترمال دارد که از مناطق آتشفشاني اين کشور تهيه مي شود. مناطق ساحلي اقيانوس آرام و کشورهاي حاشيه آن و جزيره هاوايي، بزرگ ترين منابع انرژي ژئوترمال دنيا هستند. در حال حاضر، بزرگ ترين نيروگاه ژئوترمال دنيا در «گي ستر» کاليفرنيا و جزيره آتشفشاني «کيلائوآ» در هاوايي قرار دارند،اما تنها 6/0 درصد از برق توليد شده را در برمي گيرند.

انرژي ژئوترمال از آب موجود در لايه هاي دروني زمين که در مناطق بسيار گرم قرار دارند، استخراج مي شود. بخار موجود در سفره هاي زير زميني پس از رسيدن به سطح زمين مي توانند توربين هاي توليد كننده نيروي ژنراتورهاي برق را به حرکت در آورند. البته بايد توجه داشت که تمام نقاط گرم زمين سفره هاي آب گرم ندارند. براي استخراج و دست يابي به گرماي صخره هاي درون زمين بايد دو يا چند حفره در سطح زمين ايجاد کرد. سپس براي نفوذ به درون سنگ ها بايد مته هاي بادي را با فشار زياد به کارانداخت تا سنگ ها شکسته شوند. آنگاه درون سوراخ هاي ايجاد شده در سنگ ها مايعي تزريق مي شود تا گرما به سطح زمين منتقل شود. اين مايع تزريق شده مي تواند آب يا حتي هوا باشد که پس از بازگشت از زمين بسيار گرم مي شود. هم اکنون ميزان ذخاير ژئوترمال کره زمين نزديک به 15 هزار بار بيش از ذخاير شناخته شده نفت است. اين رقم بسيار سرگيجه آور است و به راحتي مي تواند مشکلات انرژي آينده را حل کند.

[spow 44197]

مکان هاي مناسب براي بهره برداري از انرژي زمين گرمايي:

1- محل برخرود صفحات قاره اي و اقيانوسي فرورانش؛ مثلا حلقه ي آتش دور اقيانوس آرام

2- مراکز گسترش؛ محلي که صفحات قاره اي از هم دور مي شوند، نظير ايسلند و دره ي کافتي آفريقا

3- نقاط داغ زمين؛ نقاطي که ماگما را پيوسته از جبه به طرف سطح زمين مي فرستند و رديفي از آتشفشان را تشکيل مي دهند. انرژي زمين گرمايي، کاربردها و مزيت ها از زمان هاي دور، مردم از آب زمين گرمايي که آزادانه در سطح زمين به صورت چشمه هاي گرم جاري بودند، استفاده کرده اند رومي ها براي مثال از اين آب براي درمان امراض پوستي و چشمي بهره مي گرفتند در پمپئي براي گرم کردن خانه ها از آن استفاده مي شد بومي هاي آمريکا نيز از آب زمين گرمايي براي پختن و مصارف دارويي بهره مي گرفتند امروزه، با حفر چاه به درون مخازن زمين گرمايي، و مهار آب داغ و بخار، از آن براي توليد نيروي الکتريسيته در نيروگاه زمين گرمايي و يا مصارف ديگر بهره برداري مي کنند . در نيروگاه زمين گرمايي، آب داغ و بخار خارج شده از مخازن زمين گرمايي، نيروي لازم براي چرخاندن ژنراتور توربين را فراهم مي آورد و انرژي الکتريسيته توليد مي کند آب مورد استفاده، از طريق چاه هاي تزريق به مخزن برگشت داده مي شود تا دوباره گرم شود و در عين حال، فشار مخزن حفظ، و توليد آب داغ و بخار تقويت شود و ثابت باقي بماند انرژي زمين گرمايي در رآكتورهاي هسته اي طبيعي در داخل زمين براثر تجزيه راديو ايزوتوپها عناصر ناپايدارمانند اورانيوم، توريوم، پتاسيم و... بوجود مي آيد. درجه حرارت داخل زمين به ازاي هر 100 متر عمق حدود 3 درجه سانتيگراد افزايش مييابد. استفاده از اين گرما به صورت مستقيم امكانپذير نيست و انسان تا كنون ازگرمايي توانسته استفاده كند كه در آبهاي زير زميني وجود دارد و در حال حاضر بهره برداري از انرژي گرمايي درون زمين تنها به صورت آب گرم و بخار آب امكانپذير است. از گرماي درون زمين تنها در مكانهايي ميتوان استفاده كرد كه شرايط زمين شناسي ژئوترمال را داشته باشند مناطقي كه در كمربند آتشفشاني و زلزله قراردارند . در كل كشورهايي ميتوانند از انرژي گرمايي درون زمين استفاده كنند كه چشمه هاي آب گرم و آبهاي معدني فراوان دارند. هم اكنون از گرماي درون زمين كشورهاي آمريكا، روسيه، ايتاليا، فرانسه، ژاپن، ايسلند، نيوزلند، مجارستان، مكزيك، فيليپين ، السالوادور و..... استفاده ميكنند و از اين ميان بزرگترين توليدكنندگان برق از انرژي زمين كشورهاي آمريكا، فيلپين، مكزيك، ژاپن و ايتاليا هستند.ايتاليا نخستين كشوري است كه براي شبكه راه آهن برقي خود از انرژي ژئوترمال استفاده كرده است. ايتاليا در نزديك شهر پيزا حدود 600 kw كيلو وات برق از اين طريق توليد مي كند. فرانسه از سال 1971 استفاده از انرژي زمين گرمايي را شروع كرده است. 660 واحد زمين گرمايي،آب گرم و گرماي مورد نياز 200 هزار واحد مسكوني رادر اين کشور تامين ميكنند. نروژ اولين كشوري است كه از انرژي زمين گرمايي براي گرم كردن باند فرودگاه ها و جلوگيري از يخزدگي آنها استفاده كرده است. ايسلند 85 درصد انرژي مورد نياز خود را از منابع زمين گرمايي تامين مي كند. در خصوص ظرفيتهاي نصب شده جهان براي استفاده از انرژيهاي زمين گرمايي، نظريههاي مختلفي وجود دارد. يك تحقيقي محافظه كارانه صحبت از توليد 9000 تا 11000 mw مگاوات برق در 40 كشور جهان مي كند. در نيروگاههاي زمين گرمايي از آبهاي داغ و نيز بخارهاي داغ طبيعي كه از چاههاي حفر شده از اعماق زمين بالا آورده شده است براي به حركت در آوردن توربينهاي بخار و توليد برق استفاده مي شود. از انرژی زمین گرمایی در دو بخش کاربردهای نیروگاهی( غیر مستقیم) و غیر نیروگاهی ( مستقیم) استفاده می شود. تولید برق از منابع زمین گرمایی هم اکنون در22 کشور جهان صورت میگیرد که مجموع قدرت اسمی کل نیروگاههای تولید برق از این انرژی بیش از 8000 مگاوات می باشد. این در حالی است که بیش از 64 کشور جهان نیز با مجموع ظرفیت نصب شده بیش از 15000 مگاوات حرارتی از این منبع انرژی در کاربردهای غیر نیروگاهی بهره برداری می نمایند.

[spow 44197]

روشهاي به كار رفته در اين مورد به قرار زير است:

1-نيروگاههاي برق سيكل بخار خشك

2- نيروگاههاي برق زمين گرمايي تبخير آني يك مرحله اي آب داغ

3- نيروگاههاي برق زمين گرمايي تبخير آني دو مرحلهاي آب داغ

4- نيروگاههاي برق زمين گرمايي دو مداره

5- نيروگاههاي برق زمين گرمايي تركيبي زمين گرمايي- فسيلي

 

1- نيروگاه خشک: اين نيروگاه روي مخازن ژئوترمالي که بخار خشک با آب خيلي کم توليد مي کنند، ساخته مي شوند در اين روش، بخار از طريق لوله به طرف نيروگاه هدايت مي شود و نيروي لازم براي چرخاندن ژنراتور توربين را فراهم مي کند اين گونه مخازن با بخار خشک کمياب است بزرگترين ميدان بخار خشک در دنيا، آب گرم جيزرز در 90 مايلي شمال کاليفرنياست که توليد الکتريسيته در آن، از سال 1962 شروع شده است و امروزه به عنوان يکي از موفق ترين پروژه هاي توليد انرژي جايگزين محسوب مي شود

 

2- نيروگاه بخار حاصل از آب داغ: اين نوع نيروگاه روي مخازن داراي آب داغ احداث مي شود در اين مخازن با حفر چاه، آب داغ به سطح مي آيد و به دليل آزاد شدن از فشار مخازن، بخشي از آن به بخار تبديل مي شود اين بخار براي چرخاندن توربين به کار مي رود چنين نيرگاه هايي عموميت بيشتري دارند، زيرا بيشتر مخازن زمين گرمايي حاوي آب داغ هستند فناوري مزبور براي اولين بار در نيوزيلند به کار گرفته شد

 

3- نيروگاه ترکيبي بخار و آب داغ: در اين سيستم، آب گرم از ميان يک مبدل گرمايي مي گذرد و گرما را به يک مايع ديگر مي دهد که نسبت به آب در درجه حرارت پائين تري مي جوشد مايع دوم در نتيجه ي گرم شدن به بخار تبديل مي شود و پره هاي توربين را مي چرخاند سپس متراکم مي شود و مايع حاصله دوباره مورد استفاده قرار مي گيرد آب زمين گرمايي نيز دوباره به درون مخازن تزريق مي شود اين روش براي استفاده از مخازني که به اندازه ي کافي گرم نيستند که بخار با فشار توليد کنند، به کار مي رود.

 

4-نیروگاه زمین گرمایی تبخیر آنی در این نیروگاه ها سیالی که معمولاً به حالت دوفاز مایع و بخار از اعماق زمین واز طریق چاه های زمین گرمایی استخراج می شود به مخزن جدا کننده هدایت شده و بدینوسیله فاز بخار از فاز مایع جدا می شود.بخار جدا شده وارد توربین شده و باعث چرخش پره های توربین می شود.پره ها نیز به نوبه خود محور توربین و در نتیجه محور ژنراتور رابه حرکت وا می دارند که باعث بوجود آمدن قطبهای مثبت و منفی در ژنراتور شده و در نتیجه برق تولید می شود.

 

5-نیروگاه زمین گرمایی با چرخه دو مداره(باینری) در این نوع نیروگاه ها نیاز به مخزن جداکننده در تجهیزات نیروگاه وجود ندارد زیراآب گرم استخراج شده وارد مبدل حرارتی شده و حرارت خود را به سیال عامل دیگری که معمولاً ایزوپنتان می باشد و نقطه جوش پایینتری نسبت به آب دارد منتقل میکند. در این فرآیند ایزوپنتان به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می شود که در اینجا توربین و ژنراتور طبق توضیحات فوق می توانند برق تولید کنند. از کاربردهای مستقیم انرژی زمین گرمایی میتوان به مواردی همچون احداث مراکز آب درمانی و تفریحی-توریستی ، گرمایش انواع گلخانه، احداث مراکز پرورش آبزیان و طیور، پیش گیری از یخ زدگی معابر در فصل سرما، تامین گرمایش و سرمایش ساختمانها توسط پمپهای حرارتی زمین گرمایی اشاره نمود.