انرژی زمین گرمایی روشی نوین برای حفاظت بیشتر از سیاره سبز

انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال) چیست؟

توجه به انواع انرژی  غیر وارداتی و متفاوت از سوخت فسیلی نکته‌ای است که در بسیاری از کشورهای دنیا مبنای برنامه ریزی‌های بلند مدت قرار گرفته است. از سوی دیگر با افزایش بحران آلاینده‌های ناشی از سوختهای فسیلی ، توجه به فاکتورهای زیست محیطی توسط ارگانها و نهادهای بین المللی و نیز توجه برنامه ریزان به استفاده از انرژی تجدیدپذیر موجب گردیده تا امروزه  به این مباحث با جدیت بیشتری پرداخته شود. انرژی زمین گرمایی نیزیکی از منابع انرژیهای تجدیدپذیر میباشد. اصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermal است که ریشه یونانی داشته و از کلمات Geo به معنای زمین و Therme به معنی حرارت تشکیل شده است. انرژی زمین گرمایی، انرژی موجود در عمق زمین است که از انرژی خورشیدی که در طول هزاران سال در داخل زمین ذخیره شده و همچنین فروپاشی یا زوال ایزوتوپ های اورانیوم رادیو اکتیویته،توریم و پتاسیم در طی سالیان درازدرعمق زمین  نشات گرفته است که عمدتا در نواحی زلزله خیز و آتشفشانی جوان و صفحات تکتونیکی زمین متمرکز شده  است. زمین منبع عظیمی از انرژی است بطوریکه حرارت در هسته آن بیش از ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد  می رسد حرارت زمین به طرق مختلف از جمله فوران آتشفشان – چشمه های آبگرم، آبفشانها و گلفشانها در اثر کاهش چگالی زمین و خاصیت رسانایی از بخشهایی از زمین به سطح آن هدایت میشوند. درجه حرارت  زمین با توجه به عمق آن به صورت غیر خطی زیاد میشود. (با تقریب خطی هر ۱۰۰ متر ۳ درجه سانتی گراد)  انرژی حرارتی ذخیره شده در ۱۱ کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی به دست آمده از منابع نفت وگاز شناخته شده امروزجهان است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژیهای تجدید پذیر محدود به فصل، زمان وشرایط خاصی ندارد و بدون وقفه قابل بهره برداری می باشد. همچنین قیمت تمام شده برق در نیروگاههای زمین گرمایی با برق تولیدی از سایر نیروگاههای متعارف( فسیلی) قابل رقابت بوده و حتی از انواع دیگر انرژیهای نو بمراتب ارزانتر است.

منابع انرژی زمین گرمایی

لایه‌های زمین به سه دسته پوسته، گوشته و هسته تقسیم بندی می‌شوند.قریباً چهار هزار مایل زیر سطح زمین و در مرکز هسته زمین، انرژی زمین گرمایی تولید می‌شود. قسمت خارجی پوسته زمین از سیلیکات تشکیل شده است. هسته (لایه داخلی و مرکزی) از گداخته‌ها (ماگما) و سنگ‌های ذوب شده‌ای که به دور مرکزی از جنس آهن می‌چرخند تشکیل شده است. واپاشی آهسته مواد رادیو اکتیو به طور مداوم درجه حرارت داخل زمین را بالا می‌برد. گوشته، لایه‌ای است که به دور هسته کشیده شده و حدود ۱۸۰۰ مایل ضخامت دارد و عمدتا از ماگما و سنگ تشکیل شده است.پوسته خارجی‌ترین لایه زمین است و اقیانوس‌ها و قاره‌ها روی آن قرار دارند.ضخامت پوسته‌ی زیر اقیانوس ۳ تا ۵ مایل و ضخامت پوسته‌ی زیر قاره‌ها ۱۵ تا ۳۵ مایل (هر مایل=۱٫۶۰۹ کیلومتر) است. پوسته زمین به قطعات متعددی به نام صفحات تقسیم شده اند. ماگما از کنار همین صفحات راهی برای خروج به سطح زمین پیدا می‌کند.در کناره‌ی صفحات کوه‌های آتشفشانی وجود دارند. وقتی که آتشفشان‌ها به وجود می‌آیند مواد مذاب از زیر زمین فوران می‌کنند. این مواد مذاب نوعی ماگما هستند. در زیر سطح زمین، آب‌ها و سنگ‌ها گرما را از ماگما می‌گیرند.هرچی عمق بیشتر شود دمای آب و سنگ‌ها هم بالاتر می‌رود. افراد در سراسرجهان میتوانند با حفاری چاه‌های عمیق و پمپ آب و بخار آب گرم به سطح زمین؛ از انرژی زمین گرمایی برای گرم کردن خانه و تولید برق استفاده کنند.انرژی زمین گرمایی در دوران باستان برای گرمایش و استحمام استفاده می‌شد و امروزه در سراسر جهان از چشمه‌های آبگرم برای استحمام استفاده می‌شود.

چگونه انرژی زمین گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود؟

استفاده از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق به عنوان یک صنعت جدید شناخته شده است. ایتالیایی‌ها برای اولین بار در سال ۱۹۰۴ یک توربین ژنراتور را با استفاده از بخار طبیعی از زیر زمین طراحی کردند. در سال ۱۹۶۰ اولین عملیات موفقیت آمیز نیروگاه تولید برق در مقیاس بزرگ در آمریکای شمالی انجام شد. بسیاری از نیروگاه‌های انرژی زمین گرمایی در اطراف کالیفرنیا قرار دارند در حالی که بقیه نیروگاه در هاوایی، نوادا، اتاوا، ایدیهو و مونتانا قرار دارند. تبدیل انرژی زمین گرمایی به انرژی الکتریکی در نیروگاه انجام می‌شود. در نیروگاه‌ها با استفاده از بخار آب داغ ناشی از انرژی زمین گرمایی برای به چرخش در آوردن توربین‌ها و تولید برق استفاده می‌شود.
 

انواع نیروگاه‌های انرژی زمین گرمایی

همه این نیروگاه‌ها یک ویژگی مشترک دارند و آن هم استفاده از توربین‌های بخار برای تولید برق است. این ویژگی تقریبا با سایر نیروگاه‌های حرارتی که از منابع جایگزین غیر از زمین گرمایی استفاده می‌کنند، قابل مقایسه است. دسته بندی نواع نیروگاه ها به شرح زیر میباشد :

نیروگاه بخار خشک

همانطور که از اسم آن پیداست از بخار خشک برای تولید برق استفاده می‌شود. بخار خشک، همان بخار آب یا آب در حالت بخار است. نیروگاه‌های انرژی زمین گرمایی، دو چاه (یکی تولیدی و یکی تزریقی) را جداگانه به مخزن آب بسیار گرم در زیر سطح زمین متصل می‌کنند. از چاه تولیدی، بخار آب ۱۵۰°c خارج شده و مستقیماً به سمت توربین هدایت می‌شود. بخار آب باعث چرخش توربین و استوانه‌ای می‌شود که از طرف دیگر به ژنراتور متصل است و بدین صورت برق تولید می‌شود. برق از طریق کابل‌ها به نیروگاه‌ها، منازل، موسسات و کارخانه‌ها منتقل می‌شود. بخار مصرف شده چگالش یافته و دوباره تبدیل به آب می‌شود از طریق چاه تزریقی به مخزن آب گرم برگردانده می‌شود و این چرخه دوباره ادامه دارد. نیروگاه بخار خشک قدیمی‌ترین نوع نیروگاه انرژی زمین گرمایی است. اولین نیروگاه بخار خشک در سال ۱۹۰۴ در ایتالیا تاسیس شد. این نوع از نیروگاه زمین گرمایی در آمریکا تنها در کوه‌های والکانیک کالیفرنیا وجود دارد.

نیروگاه بخار لحظه‌ای

در این نوع از نیروگاه انرژی زمین گرمایی از آب ۱۸۲°c استفاده می‌شود. همانطور که از نام آن پیداست بخار آب در یک لحظه با چرخش توربین می‌تواند برق تولید کند، این بخار لحظه‌ای و فوری فرآیندی است که به وسیله آن، آب داغ با فشار بسیار زیادی بخار می‌شود این بخار باعث چرخش توربین و استوانه‌ای میشود که از طرف دیگر به ژنراتور متصل است و بدین صورت برق تولید می‌شود. نیروگاه‌های انرژی بخار لحظه‌ای از رایج‌ترین انواع نیروگاه‌های انرژی زمین گرمایی هستند. نیروگاه انرژی بخار لحظه‌ای برای اولین بار در سال ۱۹۵۸ در نیوزیلند تاسیس شد.
 

نیروگاه چرخه دوتایی

این نیروگاهِ انرژی زمین گرمایی در مقایسه با دو نوع قبلی دارای مزیت بیشتری است، زیرا به گرمای کمتری نیاز دارد تا مایعی با نقطه جوش پایین را گرم کند. نیروگاه‌های انرژی زمین گرمایی، مخازن آب خنک‌تر را برای استفاده در نیروگاه‌های بخار خشک و لحظه‌ای بکار می‌برند. در نیروگاه‌های بخار خشک و بخار لحظه‌ای از آب با دمای بیش از ۱۸۰°c استفاده می‌شود که با فشار بسیار زیادی برای تولید برق در نیروگاه پمپاژ می‌شود. در چرخه دو تایی از پمپ‌ها برای پمپاژ آب از مخزن زیرِ زمین (چاه تولیدی) برداشت می‌شود و آب با دمای کمتر دوباره مخزن باز می‌گردد (چاه تزریقی). معمولاً از یک مایع جداگانه با نقطه جوش پایین مانند هیدروکربن پنتان یا بوتان استفاده می‌شود و توسط مبدل حرارتی پمپاژ می‌شود. در مبدل حرارتی این مایع بخار می‌شود و باعث چرخش توربین و استوانه میشود که از طرف دیگر به ژنراتور متصل است و بدین صورت برق تولید می‌شود. بخار آب مصرف شده توسط رادیاتور‌های سرد کننده دوباره تبدیل به آب میشود و از طریق چاه تزریقی به داخل مخزن آب فرستاده می‌شود. به طور کلی نیروگاه انرژی چرخه دوتایی برخلاف نیروگاه‌های بخار خشک و بخار لحظه این اجازه را میدهد که افراد با استفاده از مخازن آب گرم امکان دسترسی کامل به انرژی زمین گرمایی را داشته باشند؛ اگرچه نیروگاه‌های چرخه دوتایی تنها ۱۰ تا ۱۳ درصد کارایی دارند، اما با این حال روسیه در سال ۱۹۶۷ در ایجاد پروژه چرخه دوتایی موفق بوده است.

سیستم مایع داغ

در این نوع نیروگاه‌های زمین‌گرمایی سیال خروجی از چاه‌های زمین‌گرمایی به‌صورت مایع داغ و فاقد هرگونه بخار به دست می‌آید. در این حالت می‌توان با استفاده از یک مبدل حرارتی، حرارت موجود در سیال زمین‌گرمایی را به سیال دیگری مانند ایزوپنتان، ایزوبوتان و سایر مواد دیگری که دمای جوشی پایین‌تر از آب دارند، منتقل نمود. در ادامه با انتقال بخار ایزوبوتان یا دیگر سیالات مشابه به توربین، نسبت به تولید توان و سپس تولید برق در ژنراتور اقدام می‌شود. این نوع نیروگاه‌های زمین‌گرمایی، را «دو سیاله» نیز می‌نامند.
 

پمپ حرارتی

پمپ حرارتی زمین‌گرمایی یا سیستم تبادل حرارت با زمین فن‎آوری نوینی است که با استفاده از حرارت زمین (نه سیال زمین‌گرمایی) شرایطی مطبوع را برای مکان‌های سرپوشیده فراهم می‎سازد. از آنجا که پمپ‌های حرارتی از سیال مخازن زمین‌گرمایی استفاده نمی‎کنند، از این روش می‎توان تقریبا در همه جای جهان که شیب حرارتی متعارف یا بالاتر دارند بهره‌گیری کرد.پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی از ویژگی دمای تقریبا ثابت خاک و یا سفره‎های آب زیرزمینی در چند متری زیر سطح زمین استفاده می‎کنند. این پمپ‌ها، آب یا مایعات دیگری را در داخل لوله‎های مدفون که غالبا افقی یا عمودی هستند در زیرزمین و در مجاورت یک ساختمان به گردش در می‌آورند و حرارت را از زمین به داخل ساختمان منتقل می‌کنند یا از ساختمان به زمین انتقال می‎دهند. بسته به درجه حرارت محیط زندگی، از این سیستم می‌توان برای گرم یا سرد کردن ساختمان‌ها استفاده کرد. به منظور گرم کردن ساختمان، با توجه به اختلاف میان درجه حرارت زمین و سرمای هوا، حرارت از زمین به سیال موجود در داخل لوله‌های مدفون شده منتقل گردیده و آن را گرم می‎کند. سیال گرم شده نیز به نوبه خود با رانش پمپ، حرارت را به درون ساختمان هدایت می‎کند. در هوای گرم نیز با توجه به اختلاف حرارت زمین و هوای خارج، سیال موجود در داخل لوله‎ها با جذب حرارت از ساختمان، آن را به درون زمین که در مقایسه با دمای هوا خنک‌تر است انتقال می‌دهد و به برودت هوای داخل ساختمان کمک می‎کند.

استفاده از پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی برای گرمایش، سرمایش و تهیه آب گرم مصرفی دارای مزایای قابل‌اندازه‌گیری و غیرقابل‌اندازه‌گیری فراوانی است. در پتانسیل سنجی و بررسی توجیه اقتصادی استفاده از پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی معمولا از قابلیت‌ها و مزایای غیرقابل محاسبه، غفلت می‌شود اما شاید این مزایای غیرقابل محاسبه را بتوان مهم‌تر از مزایای قابل محاسبه دانست؛ زیرا ارتقاء ابعاد معنوی و کیفیت زندگی معمولا در گرو همین مزایای غیرقابل محاسبه است. مزایایی همچون آرامش بصری و صوتی، آرامش روانی حاصل از استفاده بی دغدغه از یک سیستم ایمن و پاک و کم دردسر، آرامش ناشی از ایمنی پایدار سیستم در برابر حوادث طبیعی و غیر طبیعی بر روی زمین و سایر مزایایی که اگر راهکاری برای عددی و محسوس کردن میزان اهمیت و مزیت‌های آن‌ها وجود داشت دیگر تردیدی در استفاده از سیستم‌های نوین و تجدید پذیر انرژی باقی نمی‌ماند و محاسبات مالی و بررسی توجیهات اقتصادی ناقص امروزی دیگر چالشی بر سر راه استفاده از انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر باقی نمی‌گذاشت.

استفاده مستقیم

برخی مناطق از منابع انرژی زمین‌گرمایی به شکلی بهره‌مند هستند که می‌توانند به صورت مستقیم برای گرمایش ساختمان‌ها مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال از چشمه‌های آب گرم می‌توان در گرمایش ساختمان‌های مسکونی و تجاری، حوضچه‌های پرورش ماهی و … بهره برد. کشور ایسلند پیشتاز استفاده از چنین سیستمی در جهان است. بیشت از ۵۰ درصد از انرژی مورد نیاز این کشور از گرمای زمین تأمین می‌گردد؛ بیش از ۹۳ درصد منازل با انرژی زمین‌گرمایی گرم می‌شود که منجر به صرفه‌جویی بالغ بر ۱۰۰ میلیون دلاری در سال برای مردم می‌گردد. با سیستم گرمایش مستقیمی با طول ۲۵ کیلومتر – بزرگ‌ترین سیستم جهان – «Reykjavík» که روزی از آلوده‌ترین شهرهای جهان بود، هم‌اکنون به یکی از پاک‌ترین مناطق جهان تبدیل شده است.

تاریخچه انرژی زمین گرمایی در ایران :

در ایران از سال ۱۳۵۴ مطالعات گسترده ای بمنظور شناسایی پتانسیل های منبع انرژی زمین گرمایی  توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده ای به وسعت ۲۶۰ هزار کیلومتر مربع آغاز گردید. نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر ۳۱ هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب می باشند. در همین راستا برنامه اکتشاف، مشتمل بر بررسیهای زمین شناسی، ژئوفیزیک و ژئوشیمیایی برنامه ریزی شد. در سال ۱۳۶۱ با پایان یافتن مطالعات اکتشاف مقدماتی در هر یک از مناطق ذکر شده، نواحی مستعد با دقت بیشتری شناسایی شده و در نتیجه در منطقه سبلان: نواحی مشکین شهر، سرعین و بوشلی، در منطقه دماوند ناحیه: نونال، در منطقه ماکو- خوی نواحی: سیاه چشمه و قطور و در منطقه سهند پنج ناحیه کوچکتر جهت تمرکز فعالیتهای فاز اکتشاف تکمیلی انتخاب شدند. پس از یک وقفه نسبتاً طولانی و با هدف فعال نمودن مجدد طرح، گزارشهای موجود مجدداً در سال ۱۳۶۹ توسط کارشناسان UNDP بازنگری شده و منطقه زمین گرمایی مشکین شهر بعنوان اولین اولویت جهت ادامه مطالعات اکتشافی معرفی شد. پیرو مطالعات ذکر شده پروژه انجام حفاری های اکتشافی ، تزریقی، توصیفی به منظور شناسایی بیشتر پتانسیل در منطقه سرعین مشکین شهر در سال تعریف ۱۳۸۱گردید که عملیات حفر اولین چاه زمین گرمایی نیز در همان سال آغاز گردید .فاز اول این پروژه در سال ۱۳۸۳ اتمام یافت که درمجموع سه حلقه چاه اکتشافی و دو حلقه چاه تزریقی در این مرحله حفر گردید و تست دوحلقه از سه حلقه چاه اکتشافی با موفقیت انجام گرفت که مهم ترین دستاورد این فاز از پروژه کسب دانش فنی مربوط به حفر چاههای زمین گرمایی بود . فاز دوم این پروژه در سال ۱۳۸۴ آغاز گردید.
 

توانمندی های حاصله در کشور در حوزه انرژی زمین گرمایی:

در پروژه توسعه میدان زمین گرمایی و ساخت نیروگاه مشکین شهر مراحل حفاری چاهها،بهره برداری از چاه ها در دوره تست،ساخت دستگاههای مربوط به تست در کشور کاملا بومی شده و توسط متخصصان داخلی به انجام رسیده است. همچنین در زمینه استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی تا کنون تکنولوژی نصب کویل های زمینی به صورت کامل و ۱۰۰% در کشورمان ایران بومی شده است.

با توجه به نزدیکی اتمام منابع غیرقابل تجدید مانند نفت، همه روزه بشریت برای کشف روش های جدید تولید انرژی تلاش میکند. در این بین با توجه به اسیب های وارد شده در سالهای اخیر توسظ منابع نفتی، دانشمندان در صدد این هستند که تولید نیرو های جدید با کمترین میزان آلودگی همراه باشد. برقکارآن راجع به منابه تولید انرژی سبز مطالب متنوعی رو فراهمم کرده. با ما همراه باشید.

منابع : فرادرس ، پارسینه ، ساتبا