انرژی زمین گرمایی

انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال) از انرژی خورشیدی که در طول هزاران سال در داخل زمین ذخیره شده. همچنین فروپاشی عناصر رادیو اکتیو در عمق زمین نشات گرفته است.

پیشگفتار

انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال) چیست؟

تاریخچه انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال)

نشانه های انرژی زمین گرمایی

چگونگی انتقال گرمای زمین به سطح زمین

مکان های مناسب جهت بهره برداری از انرژی زمین گرمایی

انواع منابع زمین گرمایی

مزایای استفاده از انرژی زمین گرمایی

پیشگفتار

انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال) که به صورت حرارت از اعماق زمین به سطح هدایت می‌شود. در صورت توسعه فناوری استخراج آن، به تنهایی قادر خواهد بود کلیه نیازهای انرژی امروز وآینده بشر را تامین کند. انرژی زمین گرمایی در واقع گرمای موجود در عمق زمین است . درجه حرارت زمین با رفتن به عمق آن افزایش می‌یابد. البته میان افزایش درجه حرارت و افزایش عمق زمین ، رابطه خطی وجود ندارد.

نظر به اینکه حرارت همیشه از سمت ناحیه گرم‌تر به ناحیه سردتر انتقال پیدا می‌کند. حرارت و گرمای درون زمین به نواحی نزدیک به سطح حرکت می‌کند. تقریباً توانی معادل با ۴۲ میلیون مگاوات حرارتی به طور پیوسته از کل سطح کره زمین قابل استحصال است . این مقدار انرژی، به طور پیوسته به فضای سردی که زمین را در بر گرفته است منتقل می‌شود.

طبق محاسبات، مشخص شده است . انرژی حرارتی ذخیره شده در ۱۱ کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی به دست آمده است. از منابع نفت وگاز شناخته شده امروز جهان است. پس این منبع عظیم انرژی می تواند در آینده جایگزین قابل اعتمادی برای انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی باشد. البته  بهره برداری گسترده از ذخایر زمین گرمایی، مستلزم توسعه بیشتر در زمینه تکنیک‌های اکتشاف و استخراج آن است.

جهت مطالعه بیشتر : انرژی برق-آبی و نحوه تولید آن چگونه است ؟

انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال) چیست؟

ژئوترمال از کلمه ی یونانی »ژئو« به معنی زمین، و »ترمال« به معنی گرما و گرمایی گرفته شده است. بنابراین، انرژی ژئوترمال به معنای انرژی زمین گرمایی یا انرژی با منشا درونی زمین است. این انرژی، به شکل گرمای محسوس، از بخش درونی زمین منشا می گیرد. در سنگ‌ها و آب‌های موجود در شکاف‌ها و منافذ داخل سنگ در پوسته‌ی زمین وجود دارد. مشاهدات به عمل آمده از معادن عمیق و چاه‌های حفاری شده نشان می‌دهد؛ درجه‌ی حرارت سنگ‌ها بطور پیوسته با عمق زمین افزایش می‌یابد. هر چند نرخ افزایش درجه ی حرارت ثابت نیست. با این روند، درجه حرارت در قسمت بالایی جبه به مقادیر بالایی می رسد و سنگ ها در این قسمت به نقطه ی ذوب خود نزدیک می شوند.

تاریخچه انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال)

شايد نخستين اندازه‌گيری‌ها بوسيله‌ی دماسنج درسال ۱۷۴۰میلادی و در معدنی نزديك Belfort در كشور فرانسه انجام پذيرفت. در سال ۱۸۷۰ از روش‌های علمی پيشرفت‌های جهت مطالعه‌ی نوع رفتار حرارتی زمين استفاده می‌شد. اما با ورود به قرن بيستم وكشف نقشی كه حرارت راديوژنيك (حرارت ناشی از زوال مواد راديواكتيو ) ايفا می‌كند. پرده از راز پديده‌هايی همچون موازنه حرارتی و تاريخچه‌ی حرارتی زمين برداشته شد. در واقع تمامی مدل‌های پيشرفته حرارتی زمين براساس حرارت توليد شده در اثر زوال ايزوتوپ‌های راديواكتيو اورانيوم، توريم، پتاسيم كه با عمر طولانى در اعماق زمين يافت می‌شود، پايه ريزی شده‌اند.

در دهه‌ ۱۹۸۰ ميلادی دريافته شد. هيچ موازن‌های بين حرارت توليدی ناشی از زوال مواد راديواكتيو در اعماق زمين و حرارت منتشر شده از سطح آن به محيط اطراف برقرار نيست. سياره زمين به آهستگی در حال سرد شدن است. در اوايل قرن نوزدهم، استخراج سيالات ژئوترمال با هدف بهره برداری از پتانسيل انرژی حرارتی آنها صورت می‌پذيرفت. در آن زمان، يك كارخانه شيميايی در كشور ايتاليا در ناحیه‌ای كه هم اكنون لاردرلو ناميده می‌شود. راه‌اندازی گرديد تا از آب‌های داغی كه بطور طبيعى يا از طريق چاه‌های كم عمقی که مخصوصأ برای اين كار حفر می‌شدند.به بيرون جريان می‌افتند، اسيد بوريك توليد كند.

در سال ۱۸۲۷ استخراج بخارات طبيعی آب با هدف بهره‌برداری از انرژی مكانی آغاز شد. از بخار آب ژئوترمال برای بالا بردن مايعات در بالابر‌های گازی قديمی و همچنين بعدها درپمپ‌های رفت و برگشتی گريز از مركز و جرثقيل‌هايی که به نوعی با عمليات حفاری در ارتباط بوده يا درصنايع محلی توليد اسيدبور يك كاربرد داشتند، استفاده می‌شد.

مقالات : مزایا و معایب منابع تولید پراکنده متصل به شبکه چیست ؟

نشانه های انرژی زمین گرمایی

مهم‌ترین نشانه های منابع زمین گرمایی مواردزیراست:
الف – سنگ‌های آتشفشانی جوان‌تر از یك میلیون سال
ب – چشمه‌های آبگرم
ج – بخارفشان یا گازفشان
د – آبفشان
ر – نواحی دگرسان شده
س – گِل فشان
ش – كوه‌های آتشفشانی فعال
البته ذكر این نكته ضروری است. برای آغاز بررسی‌های اكتشافی در یك منطقه زمین گرمایی، بیش از یك نشانه باید درمنطقه وجود داشته باشد.

چگونگی انتقال گرمای زمین به سطح زمین

گرما از هسته‌ی زمین بطور پیوسته به طرف خارج حرکت می‌کند. مواد مذاب و استفاده ازخاصیت رسانایی (Conduction) و انتقال حرارت از طریق جریان‌های همرفتی ( Convection ) به لایه‌های فوقانی زمین رسیده و حرارت لازم برای مخازن زمین گرمایی را تامین می‌کنند. وقتی درجه حرارت و فشار به اندازه کافی بالا باشد؛ بعضی از سنگ‌های جبه ذوب می‌شوند و ماگما به وجود می آید. سپس به دلیل سبکی و تراکم کمتر نسبت به سنگ های مجاور، ماگما به طرف بالا منتقل می‌شود. گرما را در جریان حرکت، به طرف پوسته‌ی زمین حمل می‌کند.

گاهی اوقات، ماگمای داغ به سطح زمین می‌رسد و گدازه را به‌وجود می‌آورد . اما بیشتر اوقــات، ماگما در زیرسطح زمین باقی می‌ماند و سنگ‌ها و آب‌های مجاور را گرم می‌کند. این آب‌ها بیشتر منشاء سطحی دارند و حاصل آب بارانی هستند که به اعماق زمین نفوذ کرده است. بعضی از این آب‌های داغ از طریق گسل‌ها و شکست‌های زمین به طرف بالا حرکت می‌کنند و به سطح زمین می رسند. به عنوان چشمه‌های آب گرم و آبفشان شناخته می‌شوند. اما بیشتر این آب‌ها در اعماق زمین، در شکاف‌ها و سنگ‌های متخلخل محبوس می‌مانند و منابع زمین گرمایی را به وجود می‌آورند.

نرم افزار ها : محیط نرم افزار ETAP چگونه است؟

مکان های مناسب جهت بهره برداری از انرژی زمین گرمایی

مناطق دارای چشمه‌های آب گرم و آبفشان‌ها، اولین مناطقی هستند. در آن‌ها انرژی زمین گرمایی مورد بهره‌برداری قرار گرفته و توسعه یافته است. در حال حاضر، تقریبا تمام نیروی الکتریسیته حاصل از انرژی زمین گرمایی از چنین مکان‌هایی به دست می‌آید. در بعضی نواحی، درجه حرارت سنگ‌ها ممکن است به ۳۰۰ درجه‌ی سانتی گراد برسد و مقادیر عظیمی انرژی گرمایی فراهم کند.بنابراین،انرژی زمین گرمایی درمکان‌هایی که فرایندهای زمین شناسی اجازه داده‌اند ماگما تا نزدیکی سطح زمین بالا بیاید، یا به‌صورت گدازه جریان یابد، می‌تواند تشکیل شود.

ماگما نیز در سه منطقه می تواند به سطح زمین نزدیک شود :
۱ –محل برخورد صفحات : صفحات قاره‌ای و اقیانوسی (فرورانش) مثال حلقه‌ی آتش دور اقیانوس آرام.
۲ -مراکز گسترش : محلی که صفحات قاره‌ای از هم دور می‌شوند نظیر ایسلند و دره‌ی کافتی آفریقا
۳ -نقاط داغ زمین : نقاطی که ماگما را پیوسته از جبه به طرف سطح زمین می‌فرستند و ردیفی از آتشفشان را تشکیل می دهند.

انرژی تجدید پذیر : چگونه از خورشید برق تولید می‌شود؟

انواع منابع زمین گرمایی

بطورکلی می توان منابع زمین گرمایی رادر پنج گروه عمده تقسیم بندی کرد که شامل موارد زیر است:
۱.منابع آب داغ (سیستم های هیدروترمال)

منابع آبی هستند که در زیر زمین داغ می‌شوند و سپس به سطح زمین انتقال پیدا می‌کنند، امروزه دارای بیشترین استفاده هستند. در سيستم زمين گرمائی هيدروترمال اساس كار مشابه صنعت نفت می‌باشد. بدين معنی كه در مناطقی از زمين مخازن آب داغی وجود دارد كه می‌بايست اكتشاف و استخراج گردد. آب داغ استخراج شده بسته به كيفيت منبع و دمای آب و فشار مخزن مي‌تواند جهت توليدبرق يا كاربرد‌های گرمايشی استفاده شود.

این نوع منابع زمین گرمایی به سه گروه تقسيم‌بندی می‌شوند  الف – دسته اول : مخازن دما بالا با دماي بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتی گراد ومناسب برای توليد برق با‌تكنيك‌های معمولی می‌باشد.
ب -دسته دوم : مخازن با دمای بين ۱۰۰ تا ۱۵۰درجه سانتی گراد كه مناسب برای توليد برق با تكنيك‌های پيشرفته‌تر باینری هستند.
ج -دسته سوم : مخازن دما پائين با دمای كمتر از ۱۰۰ درجه سانتی گراد كه برای كاربرد‌های مستقيم مناسب می‌باشند.

۲.منابع بخار خشک 

منابعی با درجه حرارت بسیار بالا هستند. از آنها بخار خشک و یا آمیزه‌ای از بخار وآب بادرجه حرارت بسیار بالا استحصال می‌شود. به جهت تولید برق این منابع دارای آرمانی ترین شرایط هستند،اما متاسفانه این منابع در دنیا نادرند. بزرگترین سیستم زمین گرمایی فعال در دنیا که از منابع بخار خشک بهره می‌گیرد، نیروگاه زمین گرمایی با نام Geysers است و در کالیفرنیا، شمال سانفرانسیسکو واقع است.

اولین چاه تولید در این نیروگاه در سال ۱۹۲۴ حفر گردید و تا سال ۱۹۹۰ میلادی ، ۲۶ نیروگاه با ظرفیت بیش از ۲۰۰۰ مگاوات ساخته شد. و در حال حاضر این نیروگاه عظیم دارای ظرفیتی بالغ بر ۸۵۰ مگاوات بوده و حدود ۷۰ درصد از برق کالیفرنیای شمالی را تامین می‌کند. این نیروگاه از یک سیستم خنک کننده آب برای ایجاد وکیومی جهت کشیدن بخار به سمت توربین استفاده میکند تا راندمان سیستم را در تولید برق بالاتر برد. اما این فرایند حدود ۶۰ تا ۸۰ درصد از بخار رابه محیط داده و نمی‌تواند آنرا دوباره به زمین تزریق نماید.

عمده ترین نگرانی در مورد این سیستم های باز مانند geysers خارج شدن گاز سمی سولفیدهیدروژن از آن است. مشکل دیگر تجمع نمک در لوله‌هاست که باعث بسته شدن آن‌ها می‌شود. باید دوباره توسط چاه های دیگری به زمین تزریق گردد. با استفاده از سیستمهای حلقه بسته مانند سیکل باینری، هیچ گونه گازی از نیروگاه متصاعد نمی‌شود و هرچه به سطح زمین آورده شده دوباره به درون زمین برمی‌گردد.

۳.منابع تحت فشار

منابع عظیمی هستند که از آب شور (brine) تشکیل یافته‌اند. از نظر شرایط کلی به درجه اشباع رسیده‌اند و در لایه‌های میان صخره‌های اعماق زمین به صورت محبوس وجود دارند. این منابع عمدتا حاوی گاز متان محلول هستند و در عمق ۳ تا ۶ کیلومتری از سطح زمین یافت می‌شوند و درجه حرارت آنها بین ۹۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد تخمین زده می‌شوند. اما غالبا دارای درجه حرارتی پایین تر از ۱۵۰ درجه هستند. این نوع منابع به طور بالقوه بسیار خوش آتیه هستند زیرا از این ذخایر امکان استخراج سه نوع انرژی که شامل انرژی حرارتی از سیال گرم شده، انرژی هیدرولیک ناشی از فضای بالای حبس شده و انرژی شیمیایی ناشی از سوخت گاز متان محلول وجود دارد.

نرم افزار : محیط نرم افزار PSCAD به چه صورت می‌باشد ؟

۴.تخته سنگ‌های خشک داغ

تخته سنگ‌های بسیار عظیم با منبع آتش فشانی هستند که  در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و فیزیک سخت دارند. به سيستم‌های بهره برداری از این منابع سیستم‌های زمين‌گرمايی توسعه‌يافتهGeothermal Enhanced Systems كه به اختصار EGS گفته می‌شود. از آنجا كه درهمه جای كره زمين در اعماق گرما با شدت‌های مختلف وجود دارد و تنها محدوديت موجود عدم وجود منابع آب می‌باشد لذا با كمك اين سيستم می‌توان رشد قابل توجه‌ای را در توسعه انرژی زمين گرمائی برقرار كرد.

سيستم بهره برداری به اين صورت مي باشد كه با حفر چاه‌های بسيار عميق (با عمق ۴ تا ۶ هزار متر ) به لایه‌های داغ زمين دسترسی پيدا كرده. سپس آب با فشار بالا به چاه تزريق شده كه در اثر اين فشار هيدروليكی در سنگ شكافت ايجاد می‌شود. همين كار برای چاه توليد ( Production Well )نيز انجام می‌شود و بين دو چاه ارتباط برقرار می‌گردد. بدين صورت آب در حين عبور از شكاف‌های ايجاد شده حرارت را از سنگ‌های داغ دريافت و از چاه توليد خارج و وارد سيكل نيروگاه می‌شود. درجه حرارت آب حاصل از این منابع بین ۱۳۵ تا ۱۸۰ درجه سانتی گراد بوده و در این حالت امکان افزایش بازده نیروگاه تا ۱۵ درصد وجود دارد.

۵.موادمذاب

این منابع که به نام گدازه‌ها میشناسیم.در واقع ایده آل ترین حالت ممکن برای منابع زمین گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین ۷۰۰ تا ۲ هزار درجه سانتی گراد است. با توجه به درجه حرارت بالای این مخازن و محدودیت‌ های فنی موجود، امروزه از این منابع عظیم استفاده نمی‌شود.

مطالعه بیشتر مقالات : مقدار هارمونیک دوم در جریان‌های هجومی ترانسفورماتورها- آنالیز آن

مزایای استفاده از انرژی زمین گرمایی

الف – تمیزبودن : در این روش همانند نیروگاه بادی و خورشیدی، نیازی به سوخت نیست، بنابراین سوخت‌های فسیلی حفظ می‌ شوند و هیچگونه آلودگی وارد هوا نمی شود.
ب – بدون مشکل بودن برای منطقه : فضای کمتری برای احداث نیروگاه نیاز دارد و عوارضی چون ایجاد تونل، چاله‌های روباز، کپه های آشغال و یا نشت نفت و روغن را به دنبال ندارد.

ج – قابل اطمینان بودن (پدافند غیر عامل) : نیروگاه‌های زمین گرمایی می‌توانند در طول سال فعال باشد. به دلیل قرار گرفتن روی منبع سوخت، مشکلات مربوط به قطع نیروی محرکه در نتیجه ی بدی هوا، بلاهای طبیعی و یا تنش‌های سیاسی را ندارد.

د – تجدید پذیری و دائمی بودن
ذ – صرفه جویی ارزی : هزینه‌ای برای واردات سوخت از کشور خارج نمی‌شود. نگرانی‌های ناشی از افزایش هزینه‌ی سوخت وجود نخواهد داشت.
ر – ایجاد تنوع در سبد انرژی کشور
ز – توسعه فرهنگی، اجتماعی و اقتصادی مناطق محروم
ژ – کمک به رشد کشور‌های در حال توسعه : نصب آن درمکان های دور افتاده می تواند؛ استاندارد و کیفیت زندگی را با آوردن نیروی برق بالا ببرد.

سجاد