انرژی زمین گرمایی

مرکز زمین (به عمق تقریبی ۶۴۰۰ کیلومتر) که در حدود ۴۰۰۰ درجهٔ سانتیگراد حرارت دارد، به‌عنوان یک منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت ۶۵۰ تا ۱۲۰۰ درجهٔ سانتیگراد در اعماق ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتری از سطح زمین می‌گردد. به‌طور میانگین، میزان انتشار این حرارت از سطح زمین، که فرایندی مستمر است، معادل ۸۲ میلی‌وات در واحد سطح است که با درنظرگرفتن مساحت کل سطح زمین، مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن برابر با ۴۲ میلیون مگاوات است. درواقع این میزان حرارت غیرعادی، عامل اصلی پدیده‌های زمین‌شناسی ازجمله فعالیت‌های آتشفشانی، ایجاد زمین‌لرزه‌ها، پیدایش رشته‌کوه‌ها (فعالیتهای کوه‌زایی) و همچنین جابجایی صفحات تکتونیکی می‌باشد که کرهٔ زمین را به یک سیستم دینامیک تبدیل نموده و پیوسته آن را تحت تغییرات گوناگون قرار می‌دهد. به‌وسیلهٔ یک سیال مانند بخار یا آب داغ یا هر دو می‌توان این حرارت را به سطح زمین انتقال داد. از این انرژی گرمایی در سطح زمین می‌توان در کاربردهای متفاوت ازجمله تولید برق استفاده کرد. امروزه ۸۵ تا ۹۰ درصد منازلِ ایسلند برای تأمین گرما و آب گرم مورد نیاز خود، از انرژی زمین‌گرمایی استفاده می‌کنند.

انرژی زمین گرمایی

بشر تاکنون موفق به دستیابی مستقیم به حرارت هسته‌ی زمین نشده ولی در استفاده از مراکز انرژی پرحرارت موجود در اعماق نزدیکتر به سطح زمین موفق بوده است. هر چه به اعماق زمین نزدیکتر می‌شویم، حرارت آن افزایش می‌یابد؛ به طوری‌که این حرارت در هسته‌ی زمین به بیش از پنج هزار درجه سانتیگراد می‌رسد.

این حرارت به روشهای متفاوتی از جمله فورانهای آتشفشانی، آبهای موجود در درون زمین و یا بواسطه‌ی خاصیت رسانایی از بخشهایی از زمین به سطح آن هدایت می‌شود. به آبهای داغ و بخاراتی که در قسمتهای با عمق کم یا متوسط پوسته زمین (۴۵۰۰-۱۰۰متر) و یا در درون گسلها یا خلل و فرج سنگهای متخلخل قرار گرفته‌اند، منابع زمین گرمایی می‌گویند. این منابع بیش از ۹۰ درصد منابع انرژی زمین گرمایی را تشکیل می‌دهند.

از انرژی «سیال داغ» این نوع از منابع، می‌توان بطور مستقیم برای کاربردهای حرارتی (و بطور غیرمستقیم) در تولید برق استفاده کرد.

قرار گیری ایران در مرزهای تکتونیکی از نیروهای عظیم نهفته در کالبد ایران حکایت دارد. قرارگرفتن در کمربند تکتونیکی حاشیه‌ی صفحات باعث شده است که گستره‌ی ایران از لحاظ زمین ساختاری بسیار فعال باشد.

معمولاً وقتی راجع به منابع ژئوترمال سخن می‌گوییم، منظور بخشی از منابع ژئوترمال است که قابل دسترسی باشد؛ بدین معنا که کل انرژی حرارتی ذخیره شده بین سطح زمین و عمق معینی در پوسته‌ی آن که مقدار تقریبی آن با توجه به میانگین سالیانه‌ی دمای محل؛ مورد استفاده برای تامین انرژی قرار می‌گیرد.

انواع نیروگاه‌های زمین گرمایی

یکی از انواع دسته‌بندی نیروگاه‌های زمین‌گرمایی بدین‌صورت است که بر اساس نوع سیال خروجی از چاه‌های تولیدی و نیز تجهیزات مورداستفاده در سیکل نیروگاه آن‌ها را دسته‌بندی نمود. بر این اساس نیروگاه‌های زمین‌گرمایی به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:

۱- نیروگاه‌های که سیال خروجی از چاه بخار باشد.

۲- نیروگاه‌های که سیال خروجی از چاه بخار و مایع داغ باشد.

۳- نیروگاه‌های که سیال خروجی از چاه مایع داغ باشد.

همان‌گونه که ذکر شد این نوع دسته‌بندی بر اساس سیال خروجی از چاه تقسیم‌بندی شده است و هر نوع از نیروگاه‌های مذکور بر اساس تجهیزات در نظر گرفته‌شده در سیکل نیروگاه با نیروگاه‌های دیگر متفاوت می‌باشند که توضیحات آن ارائه خواهد شد.

۱- نیروگاه با سیال کاملاً بخار (Dry Steam)

در این نوع نیروگاه‌ها سیال خروجی از چاه‌های تولیدی (Production Wells) کاملاً بخار بوده و می‌توان بخار آن را مستقیم به توربین (Turbine) منتقل نمود تا با فشار سیال، ضمن به حرکت درآوردن توربین با استفاده از ژنراتور (Generator) تولید برق انجام گیرد. 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. در انتها می‌توان از مایع گرم خروجی از توربین برای استفاده‌های مستقیم (حرارتی) زمین‌گرمایی (Geothermal Direct Uses) استفاده نمود یا آن‌ها به داخل چاه‌های تزریق منتقل نمود.

۲- نیروگاه با سیال دوفازی (Steam Flash)

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

۲-۱- نیروگاه بخار تک‌مرحله‌ای با خروجی اتمسفر (Single Flash Backpressure)

در این نوع نیروگاه، سیال خروجی از چاه‌های تولیدی، توسط خطوط انتقال لوله به داخل مخزن تفکیک‌کننده (Separator) هدایت می‌شوند. در مخزن تفکیک‌کننده به دلیل افت فشار، قسمتی از سیال به بخار تبدیل‌شده و از قسمت خروجی بخار مخزن خارج می‌شود و به داخل توربین هدایت می‌شود. در این نیروگاه خروجی توربین به فضا منتقل می‌شود. درنتیجه میزان تولید توان در توربین و تولید برق در ژنراتور به فشار سیال و فشار جو بستگی خواهد داشت.

در صد ظرفیت نصب‌شده این نوع نیروگاه‌ها به نسبت سایر نیروگاه‌های زمین‌گرمایی ۱%، میزان انرژی تولیدی ۴% و تعداد واحدهای نیروگاهی ۵% هست.

۲-۲- نیروگاه بخار تک‌مرحله‌ای با کندانسور (Single Flash Condensing)

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 کندانسور منتقل می‌شود تا توسط آب سردی که توسط برج خنک کن (Cooling Tower) تأمین شده و با پمپ به داخل کندانسور (Condenser) هدایت می‌شود، فشار بعد از توربین کاهش یافته تا ضمن افزایش راندمان نیروگاه، میزان تولید برق افزایش یابد.

در صد ظرفیت نصب‌شده این نوع نیروگاه‌ها به نسبت سایر نیروگاه‌های زمین‌گرمایی ۴۱%، میزان انرژی تولیدی ۴۲% و تعداد واحدهای نیروگاهی ۲۷% هست.

۲-۳- نیروگاه بخار دومرحله‌ای (Double Flash Condensing)

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 و بخار تولید شده در مخزن تفکیک‌کننده دوم را به داخل قسمت‌های کم فشار توربین فرستاده تا بتوان میزان توان تولیدی در توربین و درنتیجه میزان تولید برق در ژنراتور را افزایش داد.

در صد ظرفیت نصب‌شده این نوع نیروگاه‌ها به نسبت سایر نیروگاه‌های زمین‌گرمایی ۲۰%، میزان انرژی تولیدی ۲۱% و تعداد واحدهای نیروگاهی ۱۲% هست.

۳- نیروگاه با سیال کاملاً مایع داغ (Binary)

در این نوع نیروگاه‌های زمین‌گرمایی سیال خروجی از چاه‌های زمین‌گرمایی به‌صورت مایع داغ و فاقد هرگونه بخار هست. در این حالت می‌توان با استفاده از یک مبدل حرارتی (Heat Exchanger) حرارت موجود در سیال زمین‌گرمایی را به سیال دیگری مانند ایزوپنتان، ایزوبوتان و سایر مواد دیگری که با حداقل حرارت می‌توانند به بخار تبدیل شوند، منتقل نمود و با انتقال بخار ایزوبوتان یا دیگر سیالات مشابه به‌وسیله لوله به توربین، نسبت به تولید توان و سپس تولید برق در ژنراتور اقدام نمود. نام دیگر این نوع نیروگاه‌های زمین‌گرمایی، نیروگاه‌های دو سیاله نیز هست.

در صد ظرفیت نصب‌شده این نوع نیروگاه‌ها به نسبت سایر نیروگاه‌های زمین‌گرمایی ۱۱%، میزان انرژی تولیدی ۹% و تعداد واحدهای نیروگاهی ۴۴% هست.

مزایا و معایب استفاده از انرژی گرمایی برای تولید الکتریسیته:

مزایا:

۱- تمیز بودن: در این روش همانند نیروگاه بادی وخورشیدی، نیازی به سوخت نیست، بنابراین سوخت‌های فسیلی حفظ می‌شوند و هیچگونه دودی وارد هوا نمی‌شود.

۲- بدون مشکل بودن برای منطقه: فضای کمتری برای احداث نیروگاه نیاز دارد و عوارضی چون ایجاد تونل، چاله‌های روباز، کپه‌های آشغال یا نشت نفت و روغن را به دنبال ندارد.

۳- قابل اطمینان بودن: نیروگاه می‌تواند در طول سال فعال باشد و به دلیل قرار گرفتن روی منبع سوخت، مشکلات مربوط به قطع نیروی محرکه در نتیجهٔ بدی هوا، بلایای طبیعی یا تنش‌های سیاسی را ندارد.

۴- تجدید پذیری و دائمی بودن

۵- صرفه جویی ارزی: هزینه‌ای برای ورود سوخت از کشور خارج نمی‌شود و نگرانی‌های ناشی از افزایش هزینهٔ سوخت وجود نخواهد داشت.

۶- کمک به رشد کشورهای در حال توسعه: نصب آن در مکان‌های دور افتاده می‌تواند، استاندارد و کیفیت زندگی را با آوردن نیروی برق بالا ببرد. با توجه به فوایدی که برشمردیم، انرژی زمین گرمایی به رشد کشورهای در حال توسعه بدون آلودگی کمک می‌کند.

معایب:

۱- مناطق مناسب براي استفاده از انرژي حرارتي بسيار محدود است. اگر انرژي حرارتي زمين در يك منطقه به مقدار زيادي مصرف شود، اين منبع انرژي ديگر تجديدپذير نخواهد بود و به عبارتي دماي زمين در آن ناحيه كاهش مي‌يابد.

۲- حفاري‌‌هاي بعمل آمده براي بيرون كشيدن حرارت زمين عمدتاً با خارج شدن گازهاي سمي آمونيوم، بخار جيوه، ارستيك و ايزوتوپ‌هاي راديو اكتيو همراه است. ساخت چنين نيروگاه‌هايي گران بوده و در مواردي خاص مقرون به ساخت هستند.

۳- بخار آب در اين منابع بسيار پر سر و صدا و خطرناك است. در ضمن بعضي از لايه‌‌هاي زمين از گرانيت بوده و به سختي قابل حفاري هستند، بنابراين هزينه توليد انرژي را بالا خواهند برد.

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 یک شرکت مشاور ایتالیایی 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.