انرژی زمین‌ گرمایی (Geothermal Energy) چیست؟ — از صفر تا صد

به صورت کلی، «انرژی زمین‌ گرمایی» (geothermal energy) نوعی انرژی گرمایی است که در زمین تولید و ذخیره می‌گردد. انرژی گرمایی موجود در پوسته‌ی زمین به دلیل ماهیت تشکیل این سیاره و تجزیه‌ی رادیواکتیو مواد معدنی به صورت پیوسته حاصل می‌شود.

«گرادیان زمین‌گرمایی» (The geothermal gradient) - تفاوت دمایی بین هسته و پوسته - منجر به ایجاد یک جریان همیشگی گرما از سمت هسته به سمت پوسته می‌گردد.

از انرژی زمین‌گرمایی که در دسته‌ی «انرژی‌های جایگزین» (alternative energies) دسته‌بندی می‌شود، برای کاربردهایی مانند گرم کردن ساختمان‌های شهری و صنعتی یا تولید برق استفاده می‌کنند. عبارت «برق زمین‌گرمایی» (geothermal power) دقیقاً به همین کاربرد تولید الکتریسیته اشاره دارد.

چهار روش اصلی برای استفاده از انرژی زمین‌گرمایی وجود دارد: نیروگاه زمین‌گرمایی، «پمپ حرارتی زمین‌گرمایی» (geothermal heat pumps)، استفاده مستقیم و «سیستم‌های تقویت‌شده‌ی زمین‌گرمایی» (enhanced geothermal systems).

این نوع انرژی در مقیاس زیاد، به شکل مطمئن و به عنوان یک نوع «منبع تجدید‌پذیر» (renewable resource) در دسترس است که به شرایط آب‌وهوایی وابستگی ندارد. با استفاده از گرمای زمین، وابستگی به سوخت‌های فسیلی کاهش می‌یابد و اگر بهره‌برداری از منبع مورد نظر بیش از ظرفیت نباشد، منجر به کمترین آسیب به محیط زیست می‌شود. به علاوه توسعه‌ی فناوری منجر به امکان استفاده از منابع در اندازه بسیار بزرگ و به شکل بسیار مطمئن شده است.

با این حال چالش‌هایی نیز در مقابل توسعه‌ی این منابع وجود دارد؛ یکی از این مشکلات نیاز به سرمایه اولیه‌ی بالا و دومی زمان زیاد احداث یک نیروگاه زمین‌گرمایی است. همچنین همه جا نمی‌توان چنین نیروگاهی ساخت و حفاری‌های زیاد و عمیق منجر به عدم ثبات پوسته در محل می‌گردد. یکی دیگر از معضلات چنین نیروگاه‌هایی امکان انتشار گازها یا عناصر سمی مانند جیوه، بورون و آرسنیک به محیط اطراف است.

چشمه‌های گرمایی زمین

انرژی‌های گرمایی زمین از گرمای تشکیل سیاره در ابتدا (حدود ۲۰ درصد) و تجزیه‌ی رادیواکتیو مواد معدنی (حدود ۸۰ درصد) تولید می‌شود. اصلی‌ترین ایزوتوپ‌های تولید کننده انرژی پتاسیم ۴۰، اورانیوم ۲۳۸، اورانیوم ۲۳۵، و توریم ۲۳۲ هستند. این انرژی از هسته به سطح با توان ۴۴.۲ تراوات (terawatts) با مکانیسم «انتقال حرارت هدایتی‌» (conduction) در جریان است. چنین توانی از انرژی بیشتر از دو برابر مصرف کنونی در کل جهان محاسبه شده که البته امکان بازیافت همه‌ی آن وجود ندارد. همچنین جالب است بدانید که سطح زمین تا عمق ۱۰ متر در طول فصول گرم توسط خورشید گرم می‌شود و این گرما را در طول فصول سرد تخلیه می‌نماید.

فیلم آموزش مبانی انرژی های تجدیدپذیر در فرادرس

کلیک کنید

بدون توجه به تغییرات دمایی در فصول مختلف، گرادیان دما در هر کیلومتر از عمق پوسته‌ی زمین بین ۲۵ - ۳۰ درجه‌ی سانتیگراد است که منجر به شار هدایت حرارتی به میزان ۰.۱ مگاوات در هر کیلومتر مربع می‌گردد. در نقاطی از زمین که پوسته نازک‌تر است، شار حرارتی نیز بیشتر است. این شار با وجود تحرکات ماگما، چشمه‌های آب گرم، چرخه‌های آب یا مخلوطی از این عوامل افزایش می‌یابد.

انرژی زمین‌گرمایی را نوعی «انرژی پایدار» (sustainable energy) و تجدیدپذیر می‌دانند؛ چرا که این نوع منبع انرژی نسبت به میزان مصرف ممکن بسیار بزرگ است و به صورت پیوسته جایگزین می‌شود. با این که سیاره‌ی زمین به شکل مداوم و به آرامی خنک می‌شود، برداشت بخشی از انرژی توسط انسان تأثیر خاصی در تسریع روند خنک شدن نشان نمی‌دهد.

گرچه این منابع یارای تأمین تمام نیازهای بشر را دارند، تنها امکان استفاده از بخشی از این انرژی وجود دارد. دانشمندان تخمین‌های متفاوتی از میزان برداشت ممکن به شکل پایدار محاسبه کرده‌اند. در یکی از آخرین تحقیقات در سال ۲۰۰۸ توسط «Fridleifsson»، تا ۲۰۰۰ گیگاوات تولید برق نیز پیش‌بینی شده است.

در ۱۰ هزار متر مربع از مساحت سطح زمین تقریبا ۵۰ هزار برابر کل میزان انرژی ذخیره شده در مخازن نفت و گاز طبیعی دنیا وجود دارد.

بزرگ‌ترین منابع انرژی زمین‌گرمایی جهان در کشور چین در دل زمین نهفته و بعد از این کشور در مقام دوم مجارستان قرار گرفته است. مجارستان با توجه به مساحت کشور، غنی‌ترین کشور جهان به حساب می‌‌آید. بیشترین برق زمین‌گرمایی در فیلیپین، نیکاراگوئه، ایسلند و نیوزيلند تولید می‌شود.

بر اساس طبقه‌بندی‌های صورت گرفته‌ی جهانى، ایران در گروه کشورهایى که داراى ذخایر احتمالى براى تولید برق از انرژى زمین‌گرمایى با استفاده از سیکل‌هاى تبخیر لحظه‌ای و تمام سیال ( براى دوره ۳۰ ساله) قرار گرفته است و قابلیت تولید برق زمین‌گرمایی با ظرفیت بیش از ۲۰۰ مگاوات دارد.

احداث نیروگاه زمین‌گرمایى در ایران و در منطقه‌ی مشکین‌شهر، نخستین نیروگاه از این نوع در منطقه خاورمیانه است و امکان دستیابى به انرژى سبز با تولید برق عارى از هرگونه آلودگى زیست‌محیطی را فراهم می‌کند. نیروگاه زمین‌گرمایی مشکین‌شهر در ۲۵ کیلومتری این شهرستان در دامنه سبلان واقع شده است که علاوه بر تولید برق، در احداث استخر پرورش ماهی و واحدهای گلخانه‌ای و تأمین آب گرم منازل نیز کاربرد خواهد داشت .

جدول پتانسیل سنجی انرژی زمین‌گرمایی بر حسب کیلو ژول را در ادامه می‌بینید.

تولید انرژی

اولین مرحله‌ی استحصال گرما، ورود به مخزن ذخیره گرما در زمین است. همان‌طور که پیش از این اشاره شد، ۴ روش اصلی برای این کار وجود دارد.

• نیروگاه‌های تولید برق
• پمپ حرارتی زمین‌گرمایی
• استفاده مستقیم سیستم‌های تقویت‌شده زمین‌گرمایی

فیلم آموزش آشنایی با انرژی پایدار در فرادرس

کلیک کنید

باید به این نکته توجه کرد که نوع منبع انرژی تعیین می‌کند باید از کدام‌یک از روش‌های بالا استفاده کرد.

«نیروگاه دوفازی» (Flash plants) رایج‌ترین نوع تولید الکتریسیته از «ذخایر اکثرا مایع» (liquid-dominated reservoirs) یا به اختصار «LDR» است. LDRها را عموما با دمای بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد و نزدیک آتش‌فشان‌های جان می‌شناسند. در این نوع مخازن عموما به پمپ نیازی نیست گرچه نوعی از این منابع با دمای پایین‌تر نیاز به پمپ دارند.

باید بدانید از منابع گرمایی با دمای بین ۳۰ - ۱۵۰ درجه‌ی سانتیگراد برای تولید برق استفاده نمی‌شود؛ بلکه از این منابع برای گرمایش ساختمان‌های مسکونی و تجاری، استخرهای پرورش ماهی، گرمایش مورد نیاز در فرایندهای صنعتی و حمام بهره می‌برند.

همچنین در قریب به ۷۵ کشور جهان از پمپ حرارتی زمین‌گرمایی در قسمتی از زمین با دمای بین ۱۰ - ۲۰ درجه‌ی سانتیگراد برای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها استفاده می‌کنند. جالب است بدانید که گرمایش خانگی بیشترین سرعت رشد در میان روش‌‌های دیگر را به خود اختصاص داده است.

گرمایش از نظر اقتصادی در بسیاری از مکان‌های فعال بهتر از تولید برق است. آب چشمه‌های آب گرم را مستقیما می‌توان به درون رادیاتورها پمپ کرد.

در پوسته‌های گرم و خشک زمین نیز با کار گذاشتن «مبدل حرارتی» (heat exchangers) امکان جمع‌آوری گرما وجود دارد. شاید تعجب کنید حتی استخراج گرما از زمینی با دمای کمتر از دمای اتاق با استفاده از پمپ حرارتی بازدهی بیشتر از یک بخاری معمولی دارد و پاک‌تر است. در ادامه انواع روش‌های بهره‌برداری از انرژی زمین‌گرمایی را به تفصیل بررسی می‌کنیم.

نیروگاه

این تأسیسات از گرمای عمق زمین و انتقال آب یا بخار داغ به سطح زمین برای تولید برق استفاده می‌کنند. برای دسترسی بهتر به منابع گرمایی، چاه‌هایی در اعماق پوسته حفر می‌شود.

حفاری‌ها عموما در کنار چشمه‌های آب گرم، آتش‌فشان‌های جوان انجام می‌شود؛ چراکه در چنین مکان‌هایی در یک فاصله‌ی معقول دسترسی به نقطه‌ی داغ وجود دارد. آب داغ در چنین نقاطی می‌تواند به بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد نیز برسد.

سه نوع طراحی برای چنین نیروگاه‌هایی وجود دارد: «بخار خشک» (dry steam)، «بخار دوفازی» (flash steam) و «مایع داغ» (binary cycle). تمام این سیستم‌ها آب یا بخار داغ را از اعماق بالا می‌آورند و با استفاده از این انرژی برق تولید می‌کنند. بعد از این مرحله، آب میعان شده به چاه‌ها باز می‌گردد تا ضمن حفظ تعادل، گرما مجددا استخراج شود. با بازگشت آب میعان شده عمر چاه نیز افزایش می‌یابد.

طراحی نیروگاه بر اساس دما، عمق و کیفیت آب یا بخار خارج شده دارد. اگر سیال خارج شده «بخاری فوق داغ یا خشک» (superheat vapor) باشد، از آن مستقیما برای به حرکت در آوردن توربین استفاده می‌گردد. اگر سیال خارج شده دوفازی یا مایعی با دمای بالا باشد، از سیستم دو فازی بهره می‌گیرند. در نهایت اگر دمای سیال پایین باشد در یک سیستم مایع داغ، ابتدا گرمای سیال در یک مبدل حرارتی منجر به تبخیر سیال دیگری با دمای جوش پایین‌تر می‌شود و در نهایت بخار تولیدی وارد توربین می‌گردد. در ادامه انواع این سیستم‌ها با شکل توضیح داده شده‌اند.

سیستم بخار خشک

در این نوع نیروگاه‌ها سیال خروجی از «چاه‌های تولیدی» (Production Wells) کاملاً بخار است و می‌توان بخار آن را مستقیم به توربین منتقل نمود تا با فشار سیال، ضمن به حرکت درآوردن توربین با استفاده از ژنراتور برق تولید کرد. در انتها سیال خروجی به یک دستگاه «صدا خفه کن» (Silencer) منتقل می‌شود تا آن قسمت از سیال که به‌صورت بخار بوده به فضا منتقل شود. می‌توان از مایع گرم خروجی از توربین برای استفاده‌های «مستقیم حرارتی زمین‌گرمایی» (Geothermal Direct Uses) استفاده نمود یا آن‌ را به داخل چاه‌های تزریق منتقل کرد.

بخار داغ مورد استفاده عموما دمایی بالاتر از ۲۳۵ درجه‌ سانتیگراد دارد. نکته این که این طراحی قدیمی‌ترین سیستم مورد استفاده بشر بوده است.

سیستم دوفازی

در این نوع نیروگاه، سیال خروجی از چاه‌های تولیدی به‌صورت دو فاز مایع و بخار وجود دارد. به‌طور تقریبی می‌توان نیروگاه‌های سیال دوفازی را بر اساس چرخه‌ی تولید برق و تجهیزات مورداستفاده در آن به سه دسته تقسیم نمود.

تک‌مرحله‌ای با خروجی اتمسفر

در این نوع نیروگاه، سیال خروجی از چاه‌های تولیدی، توسط خطوط انتقال لوله به داخل مخزن «تفکیک‌کننده» (Separator) هدایت می‌شود. در مخزن تفکیک‌کننده به دلیل افت فشار، قسمتی از سیال به بخار تبدیل‌، از قسمت خروجی بخار مخزن خارج و به داخل توربین هدایت می‌شود. در نیروگاه بخار «تک‌مرحله‌ای با خروجی اتمسفر» (Single Flash Backpressure) خروجی توربین به هوای آزاد رها می‌گردد. به همین دلیل میزان تولید توان در توربین و تولید برق در ژنراتور به فشار سیال و فشار جو بستگی دارد.

تک‌مرحله‌ای با کندانسور

تفاوت میان این نوع نیروگاه‌های زمین‌گرمایی با نیروگاه بخار تک‌مرحله‌ای با خروجی اتمسفر در این است که در این نیروگاه، سیال خروجی از توربین به داخل «چگالنده یا کندانسور» (Condenser) منتقل می‌شود. در کندانسور توسط آب سردی که توسط «برج خنک کننده» (Cooling Tower) تأمین می‌گردد،، فشار بعد از توربین کاهش می‌یابد تا ضمن افزایش راندمان نیروگاه، میزان تولید برق افزایش پیدا کند.

دومرحله‌ای

در این نوع نیروگاه زمین‌گرمایی به دلیل بالا بودن میزان دبی فاز مایع و نیز فشار آن می‌توان با کاهش فشار مایع خروجی از مخزن تفکیک‌کننده اول در یک مخزن تفکیک‌کننده دیگر نسبت به افزایش دبی بخار اقدام نمود. با این روش بخار تولید شده در مخزن تفکیک‌کننده دوم را به داخل قسمت‌های کم فشار توربین می‌فرستند تا بتوان میزان توان تولیدی در توربین و درنتیجه میزان تولید برق در ژنراتور را افزایش داد.