از گرماي درون
زميني كه زير پاي ما قرار دارد، منبع بسيار عظيم انرژي است. اين انرژي كه به صورت حرارت از اعماق زمين به سطح آن هدايت مي شود در صورت توسعه فناوري استخراج آن، به تنهايي قادر خواهد بود كليه نيازهاي انرژي امروز و آينده بشر را تامين كند. طبق محاسبه ها، مشخص شده است كه انرژي حرارتي ذخيره شده در 11 كيلومتر فوقاني پوسته زمين معادل پنجاه هزار برابر كل انرژي به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. پس اين منبع عظيم انرژي مي تواند در آينده جايگزين قابل اطميناني براي انرژي حاصل از سوخت هاي فسيلي باشد. البته بديهي است كه بهره برداري گسترده از ذخاير انرژي زمين گرمايي، مستلزم توسعه بيشتر در زمينه تكنيك هاي اكتشاف و استخراج آن است.
انرژي زمين گرمايي چيست؟
اصطلاح زمين گرمايي ترجمه واژه Geothermal است كه ريشه يوناني داشته و از كلمات Geo به معناي زمين و Therme به معني حرارت تشكيل شده است. در حقيقت انرژي زمين گرمايي، انرژي اي است كه از سيال آب داغ يا بخارداغ موجود در اعماق زمين به دست مي آيد.
اين انرژي در مخزن زمين گرمايي متمركز شده است كه براي دسترسي به آن در محل مخزن، چاهي عميق حفر مي كنند. سيال خروجي از چاه، عامل انتقال انرژي از مخزن به سطح زمين است. البته عمق مخزن زمين گرمايي نبايد بيش از سه هزار متر باشد زيرا بهره برداري از انرژي آن با فناوري كنوني بشر توجيه اقتصادي ندارد. با افزايش عمق زمين درجه حرارت افزايش مي يابد. اين افزايش حرارت را شيب حرارتي مي نامند. تمام منابع انرژي زمين گرمايي در نقاطي واقع شده اند كه از شيب حرارتي بالايي برخوردارند.
تاريخچه
اين انرژي از ابتداي خلقت مورد استفاده انسان بوده است. بدين ترتيب كه از آن براي شست وشو، پخت وپز، استحمام، كشاورزي و درمان بيماري ها استفاده مي شد. اسناد و مدارك موجود ثابت مي كند كه ساكنان كشورهايي نظير چين، ژاپن، ايسلند و نيوزيلند در گذشته هاي دور از اين انرژي استفاده مي كردند. در سال 1828 فردي به نام لاردرللو در كشور ايتاليا براي تهيه اسيد بوريك از حرارت آب هاي گرم به جاي سوزاندن هيزم استفاده كرد. در سال 1908 در منطقه مذكور نخستين نيروگاه زمين گرمايي به ظرفيت 20 كيلووات راه اندازي شد كه در سال 1940 ظرفيت آن به 127 مگاوات افزايش يافت. تا سال 1950 بهره گيري از انرژي زمين گرمايي رشد چنداني نداشت، اما حد فاصل سال هاي 1950 تا 1973 به دليل گران شدن بي سابقه و ناگهاني نفت، همه كشورها به فكر استفاده از انرژي هاي جايگزين افتادند و به تدريج كشورهايي چون آمريكا، ايسلند، فيليپين، اندونزي و اغلب كشورهايي كه روي كمربند زمين گرمايي جهاني قرار داشتند بهره برداري از اين انرژي را شروع كردند.
نشانه هاي انرژي زمين گرمايي
مهمترين نشانه هاي منابع زمين گرمايي موارد زير است:
1. سنگ هاي آتشفشاني جوان جوان تر از يك ميليون سال
2. چشمه هاي آبگرم
3. بخارفشان يا گازفشان
4. آب فشان
5. نواحي دگرسان شده
6. گل فشان
7. كوه هاي آتشفشاني فعال
البته ذكر اين نكته ضروري است كه براي آغاز بررسي هاي اكتشافي در يك منطقه زمين گرمايي، بيش از يك نشانه بايد در منطقه وجود داشته باشد.
موارد كاربرد انرژي زمين گرمايي
پس از انجام بررسي هاي اكتشافي و حفر چاه هاي اكتشافي و توليدي در ميدان زمين گرمايي، مسئله كاربرد انرژي زمين گرمايي مطرح مي شود. مهمترين عامل در تعيين نوع كاربرد مخزن زمين گرمايي، درجه حرارت آن است. امروزه منابع زمين گرمايي را بر اساس درجه حرارت به سه دسته كلي حرارت بالا، حرارت متوسط و حرارت پايين تقسيم مي كنند. مبناي اين تقسيم بندي، درجه حرارت مخزن در عمق يك كيلومتري زمين است. به اين ترتيب كه اگر درجه حرارت مخزن در عمق مذكور بيش از 2OOC باشد آن را حرارت بالا مي نامند. درجه حرارت مخازن حرارت متوسط و پايين به ترتيب بين 150C و 200C و كمتر از 150C است. امروزه از مخزن هاي زمين گرمايي به دو صورت عمده كاربرد غير مستقيم توليد برق و كاربرد مستقيم انرژي حرارتي استفاده مي شود.
توليد برق
به منظور توليد برق از انرژي زمين گرمايي، سيال مخزن آب داغ يا بخار از طريق چاه هاي حفر شده به سطح زمين هدايت شده و پس از به چرخش درآوردن توربين در نيروگاه، برق توليد مي كند. بديهي است كه از مخازن حرارت بالا بيشتر براي توليد برق استفاده مي شود. در حال حاضر 22 كشور جهان به كمك منابع زمين گرمايي خود بيش از MW 8200 برق توليد مي كنند. در نيروگاه هاي زمين گرمايي، انرژي الكتريكي به كمك چرخه هاي مخصوصي توليد مي شود. مهمترين و رايج ترين آنها عبارتند از:
چرخه تبخير آني
در اين دسته از چرخه هاي توليد برق، سيال زمين گرمايي پس از خروج از چاه، وارد يك جداكننده شده و بخار حاصل به سمت توربين و آب داغ به سمت چاه هاي تزريقي و برج خنك كننده روانه مي شود. حال، برحسب اينكه عمل جدايش يا تبخير آني در يك مرحله يا دو مرحله انجام شود و برحسب وجود يا عدم وجود كندانسور، سه نوع چرخه تبخير آني وجود دارد: چرخه تبخير آني يك مرحله اي بدون كندانسور، چرخه تبخير آني يك مرحله اي با كندانسور، چرخه تبخير آني دومرحله اي.
چرخه دومداره
از اين چرخه براي توليد برق از مخزن هاي زمين گرمايي حرارت پايين استفاده مي شود. حدود 50 درصد مخازن زمين گرمايي شناخته شده جهان درجه حرارتي بين 150C تا 200C دارند، كه اگر براي توليد برق از آنها از چرخه تبخير آني استفاده شود، چرخه مزبور بازده بسيار پاييني خواهد داشت. در اين چرخه از سيال عامل براي توليد برق استفاده مي شود بدين ترتيب كه آب داغ، سيال عامل را در يك مبدل حرارتي، گرم و به بخار تبديل مي كند. بخار حاصل، توربين را به حركت در آورده، برق توليد مي كند. از جمله مزيت هاي مهم اين چرخه، عدم وجود خوردگي يا رسوب گذاري توسط سيال عامل است. در حال حاضر مهمترين كشورهاي جهان از نقطه نظر توليد برق از منابع زمين گرمايي، كشورهاي آمريكا 2228 مگاوات، فيليپين 1909 مگاوات، ايتاليا 769 مگاوات، مكزيك 755 مگاوات و اندونزي 590 مگاوات هستند.
كاربرد مستقيم
كاربرد مستقيم انرژي زمين گرمايي، بهره برداري بدون واسطه از انرژي زمين گرمايي است. در اين حالت، انرژي زمين گرمايي به انرژي الكتريكي تبديل نمي شود، بلكه فقط از انرژي حرارتي آن استفاده مي شود. مخزن هاي زمين گرمايي كه دماي آنها بين 65C تا 150C است براي توليد برق، توجيه اقتصادي ندارد، لذا اين گونه مخزن ها براي استفاده مستقيم از انرژي حرارتي، مناسب هستند. مخزن هاي زمين گرمايي حرارت پايين، نسبت به مخزن هاي حرارت بالا گستردگي بيشتري دارند. آب داغ مخزن هاي حرارت پايين را مي توان با دستگاه هاي حفاري چاه هاي آب استخراج كرد. يك محقق ايسلندي به نام ليندال به منظور نشان دادن موارد كاربرد انرژي زمين گرمايي، نموداري تهيه كرده است كه در آن موارد مختلف كاربرد سيال زمين گرمايي بر حسب درجه حرارت آن ارائه شده است. همان گونه كه در نمودار ليندال مشخص شده است، موارد بهره برداري مستقيم از انرژي زمين گرمايي را مي توان به 6 رده كلي زير تقسيم بندي كرد:
1. گرمايش ساختمان ها
2. كشاورزي
3. دامپروري
4. كاربردهاي صنعتي
5. درمان بيماري ها
6. ساير
گرمايش ساختمان ها
اين مورد متداول ترين كاربرد مستقيم انرژي زمين گرمايي است. حدود 37 درصد كاربرد مستقيم انرژي زمين گرمايي در سراسر جهان را گرمايش فضاهاي مختلف مسكوني، تجاري، اداري و غيره به خود اختصاص مي دهد. البته در صورت نامناسب بودن كيفيت آب از نظر شيميايي، از مبدل حرارتي براي گرمايش استفاده مي شود. يكي از مزيت هاي مهم سيستم هاي گرمايشي اين است كه آب داغ پس از ت?مين حرارت فضاهاي مختلف، مجددا به درون مخزن زمين گرمايي تزريق مي شود و در نتيجه ميزان آلودگي زيست محيطي آن بسيار پايين است.
شايان ذكر آنكه امروزه انواع خاصي از مبدل هاي حرارتي وجود دارند كه درون چاه هاي زمين گرمايي تعبيه شده و حرارت آب داغ مخزن را به آب شيرين درون مبدل منتقل مي كنند. درجه حرارت آب گرم مورد نياز براي سيستم هاي گرمايشي حدود60C يا بالاتر است. امروزه كشورهاي ايسلند، فرانسه، مجارستان و ژاپن براي ت?مين حرارت سيستم هاي گرمايش مركزي خود از انرژي زمين گرمايي استفاده مي كنند. به عنوان مثال شهر 150هزار نفري ريكياويك مركز ايسلند تماما به وسيله آب داغ توليدي از مخزن هاي زمين گرمايي مجاور شهر تامين مي شود.
كشاورزي
عمده ترين كاربرد انرژي زمين گرمايي در زمينه فعاليت هاي كشاورزي، تامين گرمايش گلخانه ها است. البته در برخي از مناطق سردسير از حرارت آب داغ مخزن هاي زمين گرمايي براي گرم كردن خاك هاي كشاورزي نيز به كار مي رود. اين نوع كاربرد در كشورهاي سردسير بسيار گسترش دارد. از جمله محصولاتي كه به كمك اين انرژي كشت مي شوند مي توان به خيار، گوجه فرنگي، انواع گل ها، گياهان خانگي، نهال درختان و انواع كاكتوس ها اشاره كرد. در بين كشورهاي جهان مجارستان از نظر استفاده از گلخانه هاي زمين گرمايي مقام نخست را دارد. براي گرم كردن گلخانه ها معمولا يا آب داغ را از لوله هاي فلزي عبور مي دهند يا اينكه همانند سيستم هاي گرمايشي خانه ها از پره هاي رادياتور استفاده مي كنند، يا آب داغ را از درون شبكه متراكمي از لوله ها كه در پشت آنها يك فن قوي وجود دارد، عبور مي دهند. علاوه بر مجارستان كشورهايي نظير ايسلند، چين، يونان، نيوزيلند و روسيه نيز در زمينه گلخانه هاي زمين گرمايي فعال هستند.
دامپروري
به كمك انرژي زمين گرمايي مي توان انواع مختلف آبزيان را نيز پرورش داد. امروزه در سطح جهان از انرژي زمين گرمايي براي پرورش و رشد آبزياني نظير ميگو، قزل آلا، صدف و همچنين آبزيان آكواريومي استفاده مي شود. نظر به اينكه درجه حرارت بهينه براي پرورش انواع مختلف آبزيان براي هر يك از آنها ميزان مشخصي است ،با استفاده از انرژي زمين گرمايي مي توان درجه حرارت حوضچه هاي پرورش را در حد مطلوب تامين كرد و آن را در تمام طول سال ثابت نگه داشت. بدين ترتيب مي توان مقدار توليد انواع مختلف آبزيان را به ميزان قابل توجهي افزايش داد. به عنوان مثال رشد بهينه ماهي قزل آلا در درجه حرارت 515 درجه سانتيگراد است.
كشورهايي مانند ايسلند، گرجستان، تركيه، نيوزيلند، ژاپن و چين از جمله كشورهاي پيشرو در زمينه استفاده از انرژي زمين گرمايي براي پرورش آبزيان هستند. در حال حاضر 16 كشور از چنين تاسيساتي بهره مي گيرند.
كاربردهاي صنعتي
اين دسته از كاربردهاي انرژي زمين گرمايي هنوز مانند ساير مصارف انرژي زمين گرمايي در سطح جهان گستردگي چشمگيري ندارد. با اين وجود، در حال حاضر حدود 19 كشور جهان از اين انرژي در فرآيندهاي مختلف صنعتي استفاده مي كنند. به عنوان مثال مي توان به موارد زير اشاره كرد:
توليد برات و اسيد بوريك از سيال هاي زمين گرمايي در ايتاليا
استحصال نفت در روسيه
پاستوريزه كردن شير در روماني
توليد چرم در اسلووني و صربستان
توليد گاز دي اكسيد كربن در ايسلند و تركيه
توليد كاغذ و قطعات خودرو در مقدونيه
توليد خمير كاغذ، كاغذ و چوب در نيوزيلند
درمان بيماري ها
اين كاربرد نيز بسيار قديمي بوده و از روزگاران دور اقوامي چون رومي ها، چيني ها، ژاپني ها، عثماني ها و ساكنان ساير نواحي كره زمين به منظور استحمام و درمان بيماري هاي گوناگون از آب هاي گرم طبيعي زمين استفاده مي كردند.
در حال حاضر حدود 45 كشور جهان از چشمه هاي آب گرم خود براي اين منظور استفاده مي كنند. در ارتباط با توسعه چنين مراكزي، شواهد و نمونه هاي متعددي را مي توان در سطح جهان معرفي كرد. به عنوان مثال، ژاپني ها با بهره گيري از بيش از 2200 كانون تفريحي مرتبط با چشمه هاي آبگرم، سالانه قريب به صد ميليون مهمان و گردشگر را پذيرا هستند.
امروزه از آب هاي گرم داراي حرارت بيش از 50 درجه سانتيگراد براي درمان بيماري هايي نظير فشار خون بالا، روماتيسم، بيماري هاي پوستي و بيماري هاي دستگاه عصبي استفاده مي شود.
ذوب برف جاده ها
به كمك انرژي زمين گرمايي مي توان برف يا يخ جاده ها و پياده روها را نيز ذوب كرد. گسترش اين نوع كاربرد نسبت به ساير موارد انرژي زمين گرمايي محدودتر است. امروزه در سراسر جهان به كمك انرژي زمين گرمايي حدود 500هزار متر مربع از مسير پياده روها و جاده ها گرم مي شوند كه بخش اعظم آنها نيز در كشور ايسلند وجود دارند. در حال حاضر به جز كشور ايسلند، كشورهايي چون آرژانتين، آمريكا و ژاپن نيز براي ذوب برف جاده هاي خود از انرژي زمين گرمايي بهره مي گيرند.همان گونه كه پيشتر اشاره شد جنبه هاي گوناگون كاربرد انرژي زمين گرمايي به سرعت در حال افزايش است و مرتبا به كشورهاي بهره مند از اين انرژي افزوده مي شود. ميزان گسترش موارد كاربرد مستقيم انرژي زمين گرمايي در سراسر جهان در جدول ذيل آمده است. يادآور مي شود كه پمپ هاي حرارتي زمين گرمايي نوعي سيستم تهويه گرمايش و سرمايش است. همان گونه كه مي دانيم، درجه حرارت زيرزمين تا اعماق كم 2 تا 15 متري تقريبا در تمام طول سال ثابت است. بنابراين با استفاده از اين پديده طبيعي مي توان گرمايش و سرمايش منازل را در زمستان و تابستان فراهم كرد. در واقع سازوكار اصلي اين سيستم هاي تهويه، تبادل حرارت با بخش هاي كم عمق زمين است، بدين معني كه در فصل تابستان، حرارت را از داخل منازل به زمين منتقل مي كنند و در زمستان، حرارت زيرزمين را به داخل فضاهاي مسكوني هدايت مي كنند.
مزيت هاي كاربرد انرژي زمين گرمايي
امروزه توليد انرژي به كمك منابع سوخت هاي فسيلي يا نيروگاه هاي هسته اي با آلودگي قابل ملاحظه محيط زيست همراه است، ولي انرژي زمين گرمايي علاوه بر تجديدپذير بودن در مقايسه با ساير منابع توليد انرژي، آلايندگي كمتري دارد و جزء منابع پاك انرژي به شمار مي رود. ميزان آلودگي نيروگاه ها يا طرح هاي كاربرد مستقيم زمين گرمايي، ارتباط مستقيمي با درجه حرارت منبع زمين گرمايي دارد. به اين ترتيب كه منابع حرارت بالا نسبت به انواع حرارت پايين، آلودگي بيشتري توليد مي كنند و همچنين طرح هاي كاربرد مستقيم نيز كمتر از نيروگاه هاي زمين گرمايي، محيط زيست را آلوده مي كنند. به طور كلي مزيت هاي انرژي زمين گرمايي را مي توان به دو دسته كلي مزاياي زيست محيطي و كاربردي تقسيم بندي كرد.
مزيت هاي زيست محيطي كاربرد انرژي زمين گرمايي شامل موارد زير است:
1. عدم آلودگي هوا
2. توليد CO2 كم، توليد H2S پايين و عدم توليد NOx
3. عدم آلودگي منابع آب هاي زيرزميني
4. عدم نياز به زمين وسيع
امروزه به دليل تزريق سيال خروجي از نيروگاه ها و ساير طرح هاي كاربرد مستقيم انرژي زمين گرمايي، ميزان آلايندگي اين قبيل طرح ها به حداقل مقدار خود رسيده است.
مزاياي كاربردي
1. صرفه جويي در مصرف سوخت هاي فسيلي
2. طولاني بودن زمان دسترسي
3. گستردگي موارد كاربرد
4. مستقل بودن از شرايط جوي
5. امكان توليد برق به وسيله واحدهاي قابل حمل
ميزان دي اكسيد گوگرد توليد شده در نيروگاه هاي زمين گرمايي حدود 8 درصد مقدار توليد شده در نيروگاه هاي فسيلي است. در خصوص دي اكسيد كربن نيز نيروگاه هاي زمين گرمايي در وضعيت بسيار مناسب تري نسبت به نيروگاه هاي فسيلي قرار دارند. بدين معني كه مقدار گاز CO2 توليد شده در نيروگاه هاي زمين گرمايي به ترتيب معادل 15 درصد نيروگاه هاي گاز سوز، 10 درصد نيروگاه هاي نفت سوز و 8 درصد نيروگاه هاي زغال سنگ سوز است.
منبع: روزنامه شرق