انرژی زمین‌گرمایی

انرژی زمین گرمایی (Geothermal Energy) انرژی تجدید پذیری است كه از حرارت قابل استخراج  ناشی از گرمای تودهای مذاب و تخریب مواد رادیو اكتیو موجود در اعماق زمین بدست می آید . این منبع انرژی برخلاف سایر انرژی های تجدید پذیر خورشیدی ،بادی ،امواج وغیره ،منشا یك انرژی پیوسته بشمار می آید و می توان بطور مدام و در تمامی ۲۴ ساعت شبانه روز از آن برق یاانرژی حرارتی تولید كرد در صورتی كه اغلب منابع انرژی های نو ،فصلی ووابسته به زمان و شرایط خاص می باشند. سابقه استفاده از انرژی زمین گرمایی به زمانهای بسیار دور برمیگردد . در زمانهای قدیم از این انرژی ،كه عمدتا به صورت چشمه های طبیعی اب یا بخار داغ به سطح زمین می آید ،به عنوان حمامهای آب گرم مداوای امراض ، استحمام، پخت وپز، گرمایش محیط و آبگرم برای كشاورزی استفاده می شد . اولین استفاده از انرژی زمین گرمایی در سال  ۱۸۲۷ در لاردرلو توسط یک فرانسوی به نام فرانسوا ژاک دو لاردرل  (François Jacques de Larderel) در كشور ایتالیا صورت گرفت . وی با گرمایش دیگ های حاوی گل  آتشفشان توسط بخار، روشی برای استخراج اسید بوریک ازآن ها اختراع نمود و لذا آن منطقه به افتخار او لاردرلو نام گرفت. بهره برداری از بخار طبیعی حاصله از انرژی زمین گرمایی جهت تولید برق نیز ، اولین بار در سال ۱۹۰۴  درهمان لاردرلو ایتالیا صورت پذیرفت  ، ظرفیت نیروگاه لاردرلو  در سال ۱۹۱۴ به  ۵٫۸ مگاوات رسید . در اواخر جنگ جهانی دوم ،نیروگاه تخریب شد ، ولی پس از جنگ آن را باسازی كردند و توسعه دادند ،بطوریكه در سال ۱۹۸۱ تولید آن به ۳۶۰ مگاوات  رسید.
نظرات بسیاری در مورد منبع حرارتی انرژی زمین گرمایی وجود دارند . مهمترین آنها یك نظریه تجزیه مواد رادیو كتیو موجود در پوسته زمین نظیر اورانیم ،گالیم وتوریم می باشد ،كه هر چند  گرمای حاصل از تلاشی انها به تنهایی ناچیز به نظر می آید ولی پژوهشگران جهانی انباشته شدن حرات حاصل از این تلاشی را در طی ملیونها سال ،یكی از عوامل اصلی منشا ء حرراتی زمین می دانند . نظریه دیگر ،وجود توده‌های مذاب دراعماق زمین و نفوذ آنها به لایه های فوقانی پوسته زمین را به عنوان منبع حرراتی انرژی زمین گرمایی مطرح می‌ نماید . هسته زمین همچنان درحال سرد شدن است و حرارت آن در اثر خاصیت رسانا یی و از طریق جریانهای همرفتی به لایه های سنگی درسطوح بالاتر زمین می رسد. بر اثر این انتقال حرارت ،برخی ازسنگهای موجود درلایه های با لاترزمین ذوب می شوند و تشكیل مواد مذابی می دهند، كه موسوم به ماگما می باشند.ماگما به دلیل سبكی نسبت به سنگهای در بر گیرنده آن به آرامی به سمت پوسته زمین حركت می‌نماید و بدین ترتیب حرارت را از عمق به سطوح بالاتر زمین منتقل می كند. در تایید نظریه وجود توده مذاب در داخل زمین شاهد می باشیم كه هر چه به عمق زمین بیشتر فرو می رویم دما افزایش بیشتری  می یابد . دما درلایه های بالایی هسته زمین به طور متوسط به ازای هر ۱۰۰ متر عمق  ۳ درجه سانتیگراد افزایش دارد و براساس  شناخت امروزی حدود ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد ، و در مركزآن بیش از ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد می باشد.
.ایران ازجمله كشورهایی است كه به علت قرار گرفتن دركمربند آتشفشانی وزلزله ،دارای منابع مهم وپتانسیل زمین گرمایی نسبتابالایی است

پس از بررسیهای انجام شده توسط وزارت نیرو  كه با مشاوره برخی شركت های  ایتالیایی  صورت پذیرفته است ،نواحی زمین گرمایی سبلان ،دماوند ماكو،خوی وسهند درشمال ومناطق تفتان درجنوب،به عنوان منابع غنی انرژی گرمایی دركشورتشخیص داده شده اند.مطابق بررسیهای انجام یافته،بیشترین ناهنجاریهای حرارتی زمین گرمایی مشاهده شده در مناطق دماوند ،نونال در شمال و بایجان در شرق ناحیه آتشفشان دماوند تمركزیافنه اند.از پتانسیل حرارتی منطق دماوند،بر پایه مطالعات انجام شده ،می توان با حفر چاههای عمیق زمین گرمایی به منظور تولید برق وازطریق حفرچاههای كم عمق واستفاده ازآب داغ، برای گرمایش شهرهایی مانند دماوند،لاریجان،آب اسك،بایجان و آبادی های متعددی كه در ناحیه قرار دارند ، بهره گرفت. پتانسیل حرارتی مخزن زمین گرمایی منطقه دماوند در حدود  ۱۰۱۸× ۵٫۱۱ ژول تخمین زده می شود . منابع واقع در منطقه سبلان و شمال شرقی آذربایجان ، دارای درجه حرارت قابل استفاده ای بین ۱۴۰ تا ۲۶۰ درجه سانتی گراد می باشند. از جمله منابعی كه دراین منطقه بسیار مناسب جهت استفاده برای تولید برق تشخیص داده شده اند ، منابعی در نواحی مشكین شهربا متوسط درجه حرارت حدود ۲۴۰ درجه سانتیگراد و پتانسیل ذخیره گرمایی درحدود  ۱۰۱۸× ۱۴٫۴۸ ژول می باشند. هم اكنون یك نیروگاه ۱۰۰ مگاواتی در منطقه مشكین شهر در دست احداث می باشد. در مناطق ماكو و خوی در شمال غربی آذربایجان ، منابعی با درجه حرارت های بین ۱۴۰ تا ۲۴۰ درجه سانتیگراد مشاهده گردیده اند. علاوه بر مناطق مستعد انرژی زمین گرمایی در شمال و شمال غرب ایران ، براساس مطالعات انجام گرفته توسط مركز تحقیقات نیرو ، با توجه به موقعیت ایران از نظر صفحات زمین ساختی ، زمین ساخت لرزه ای، كانونهای لرزه ، آتشفشان های كواترنر، گسلهای فعال و آبگرم ها وتطبیق موقعیت آنها نسبت به هم،۹ منطقه دیگرازكشورنیزبرای اكتشافات مقدماتی ‌پیشنهاد گردیده اند. در شكل  زیر محدوده جغرافیایی این مناطق مشخص شده است.

انرژی زمین گرمایی براساس ویژگیهای زمین شناسی، هیدرولیكی و انتقال حرارت مخازن زمین گرمایی به چهار گروه اصلی تقسیم میشود كه عبارت  از هیدروترمال، تحت فشار، تخته سنگهای خشك و داغ ، و توده های مذاب می باشند.

منابع هیدروترمال

به آبهای داغ وبخاراتی كه در قسمتهای باعمق كم یا متوسط پوسته زمین(۴۵۰۰-۱۰۰متر) درون گسلها یا خلل وفرج سنگهای متخلل قرارگرفته اند،منابع هیدورترمال می گویند.این منابع بیش از ۹۰ درصد مخازن زمین گرمایی كشف شده جهان را تشكیل می دهند و در حال حاضرتنها منابعی هستند كه ازآنها استفاده تجاری می شود.منابع زمین گرمایی واقع در دماوند، خوی و ماكو نیزازاین نوع می باشند.ازانرژی سیال داغ این نوع منابع زمین گرمایی می توان بطورمستقیم برای كاربردهای حرارتی و بطور غیر مستقیم در تولید برق بهره گیری كرد. شماتیك زیر روند تشكیل یك حوزه نمونه زمین گرمایی هیدروترمال را نشان می دهد. انرژی درونی ماگما از طریق سنگ آذرین درونی  راهی به بیرون آن پیدا می كنند، دراثرتماس با سنگهای داغ ویا در اثرمخلوط شدن با گازها و بخارهای ناشی ازماگما گرم می شوند آب داغ سپس به سمت سطح زمین حركت می كند و به قسمت متخلل و نفوذ پذیری كه بالای سنگ آذرین قراردارد ومنبع نامیده می شود نفوذ می كند. در بالای منبع سنگهای پوششی غیر قابل نفوذی قرار دارند كه باعث محصور شدن آب داغ در داخل منبع می گردند. سنگهای پوششی بالای منبع در  بعضی نقاط دارای شكاف می باشند  كه مانند منافذ یك بویلرعظیم زیرزمینی‌عمل می‌نمایند ودرسطح زمین به صورت چشمه های آب گرم ظاهرمی شوند. با حفر چاه می توان سیال هیدروترمال را استخراج نمود و برای تولید انرژی الکتریکی مورداستفاده قراردارد.

منابع لایه های تحت فشار

منابع لایه های تحت فشار،سفره های آب داغ حاوی گازمتان می‌باشند كه درعمق ۳تا ۶ كیلومتری سطح زمین تحت فشار بالا در لایه های رسوبی حبس شده اند . شكل زیر شمایی از یك مخزن زمین گرمایی در حوضه های رسوبی را نمایش می دهد.

روند تشكیل چنین منبعی با ته نشین شدن حجم عظیمی ازموادرسوبی،اعم از شیمیایی و غیره در طی دوره رسوبگذاری دریك حوضه رسوبی،آغازمی شود.با افزایش ضخامت رسوبات بتدریج بستر حوضه شروع به فرونشینی می كندو با افزایش عمق رسوبات ته نشین شده درجه حرارت و فشار آنها افزایش می یابد. به این ترتیب آبهایی كه درابتدا دارای تركیب شیمیایی مشابه با آبهای حوضه رسوبی می شوند همزمان با این دگرگونی ها مقادر زیادی گاز متان و سولفید هیدروژن نیزایجاد می شوند كه خود عامل ازدیاد فشار می گردند . علیرغم آنكه دمای این منابع بین ۹۰ تا ۲۰۰درجه تخمین زده می شود اما در عمل به ندرت پیش آمده تا دمای بخاری كه تا كنون كشف شده به ۱۵۰ برسد. گستره این ذخایر هنوز شناخته نشده است ولی بطور بالقوه بسیار خوش اتیه می باشد زیرا در صورت استخراج آنها امكان استفاده از سه نوع انرژی مختلف یعنی انرژی حرارتی ناشی از سیالات گرم شده،انرژی هیدرولیك ناشی از فشارهای بالای حبس شده و انرژی شیمیایی ناشی از سوخت گاز متان محلول فراهم می باشد. هم اكنون طرحهایی جهت تولید برق با استفاده از احتراق متان و گرمای آب تحت فشار در دست بررسی است.

سنگهای خشك و داغ

سنگهای خشك و داغ، كه منابع پتروترومال نیز نامیده می شوند بزرگترین منبع انرژی زمین گرمایی محسوب می گردند. این منابع در اعماق پوسته زمین قرار دارند و بیشتر در مناطق خشك و داغ یا مناطقی كه حاوی مقدار بسیار كمی آب می باشند یافت می شوند و در عمل تمام نشدنی هستند.سنگهای آذرین كه درعمق زیاد زمین قراردارند نسبت به سنگهای سطح زمین كه به شدت هوازده و دارای درز و شكاف هستند سنگهای خشك محسوب می شوند. دمای این منابع حدود۱۵۰ تا ۲۹۰ درجه سانتیگراد می باشند. به عنوان مثال در عمق ۶كیلومتری پوسته زمین، سنگهای دارای تخلل و نفوذ پذیری كم دارای درجه حرارتی حدود ۲۰۰درجه سانتیگراد وفشاری معادل ۱۶۵۰ بارمی باشند.باید توجه داشت این درجه حرارت مخصوص مناطقی است كه شیب حرارتی (افزایش درجه حرارت به ازای افزایش‌عمق) آنها معمولی می‌باشد درنواحی دارای شیب حرارتی زیاد، درجه حرارت بسیار بیشتر از۲۰۰۰درجه سانتیگراد است. سنگهای خشك وداغ موجود دراعماق زمین از طریق حفاری قابل دسترسی واستفاده می‌باشند. ایده كلی برای استفاده ازانرژی سنگهای داغ و خشك به منظورتولید برق ، ایجاد یك سفره زمین گرمایی مصنوعی می باشد. برای ایجاد این سفره ابتدا دو چاه با عمق۴۰۰۰الی  ۵۰۰۰ متر در داخل سنگهای داغ حفاری می گردد و سپس با‌ روشهای انفجارهسته‌ای یا فشارهیدرولیكی تركهایی درداخل سنگهای داغ ایجاد می گردد و بدین ترتیب این دوچاه به یكدیگرمرتبط می‌شوند ودرنتیجه سیستم تبادل حرارتی بزرگی درداخل سنگها ایجاد می‌شود.حال ازطریق یكی‌ازچاهها آب سردبه داخل زمین تزریق می‌شود كه پس ازجذب حرارت ازسنگها به صورت آب داغ یا بخار گرم از طریق چاه دیگر به سطح زمین برگشت داده می شود در سطح زمین با هدایت بخار گرم به سمت توربین، در نهایت انرژی الكتریكی تولید می گردد.البته ممكن است بخار و یا آب داغ،سیال  دیگری را كه دارای نقطه جوش پایینتری است را بخار نماید و در نهایت سیال ثانویه، توربین را به گردش درآورده  و تولید برق كند.

توده های مذاب

توده های مذاب دارای درجه حرارتی بین ۷۰۰الی ۱۲۰۰درجه سانتی گراد می باشند و محفظه‌های حاوی آنها بسیارگسترده ودارای انرژی حرارتی زیادی می باشند. برپایه رخدادهای زمین شناسی، ماگما كه عمق قابل دسترسی به منابع آن بین ۳۰۰۰تا ۱۰۰۰۰متر تخمین زده می شود، انتظارمی‌رود   بهره برداری از انرژی آنها بسیار مشكل‌ترازسایرمنابع‌انرژی زمین گرمایی باشد و برای بهره برداری ازاین منابع تا كنون اقدام موثری بعمل نیامده است. مشكلات و مسائل مهمی كه درمورد طرح استخراج انرژی از این نوع منابع مطرح است عبارتند از :

  • مشكلات حفاری درسنگهای نیمه مذاب كه دمای آنها بیشتر از ۸۰۰درجه سانتیگراد است.
  • نحوه آماده سازی و ساخت لوله جدار ته چاه به منظور استحصال حرارت.
  • تعیین موقعیت دقیق توده های ماگمایی در حال سرد شدن .
استفاده از انرژی زمین گرمایی برای تولید نیروی برق

در بین انرژی های تجدید پذیر،انرژی زمین گرمایی درسطح جهانی مرتبه بالایی را بخود برای تولید انرژی الكتریكی اختصاص داده است.منابع زمین گرمایی معمولاً برای تولید بار پایه استفاده می شوند و تنها در شرایط خاصی به منظور تولید بار پیك مورد استفاده قرار می گیرند. تولید كنندگان اصلی برق از انرژی زمین گرمایی در حال حاضر كشور های آمریكا ،فیلیپین ،مكزیك ،ایتالیا و ژاپن می باشند.

روشهای‌مختلفی‌جهت تبدیل‌انرژی زمین گرمایی به‌انرژی الكتریكی وجود دارند،كه می توان به عنوان مثال از سیستم های بخار خشك و بخار انبساط آنی كه جزء روشهای قدیمی می باشند و نیز سیستم های سیكل دو مداره و جریان كلی كه روشهای جدیدتری هستند و از امتیازات قابل توجهی برخوردارمی‌باشند نام بردعوامل وپارامترهای مختلفی درانتخاب نوع و ظرفیت نیروگاه زمین گرمایی تعیین كننده می باشند، كه در زیر تشریح می شوند:

  • میزان املاح و مواد شیمیایی محلول در سیال مخزن زمین گرمایی
  • دمای مخزن در زمان طراحی و در طول سالهای بهره برداری مخزن (زیرا دمای مخزن در طول زمان بهره برداری پیوسته در حال كاهش است)
  • وسعت و مقدار ذخیره قابل استحصال مخزن (در تعیین ظرفیت نیروگاه زمین گرمایی بسیار حائز اهمیت است)

توسعه دهندگان میادین انرژی زمین گرمایی ترجیح می دهند برای تولید برق از واحدهای پیش ساخته كوچك استفاده نمایند. مزیت این روش آن است كه اگر در حین بهره برداری مخزن، افت تولید یا تغییردرسایرمشخصات مخزن نظیردرجه حرارت، فشار،غلظت و نوع املاح سیال و ..رخ دهد ومنبع مذكور قابل بهره برداری اقتصادی نباشد به آسانی می توان واحد پیش ساخته را به محل دیگری منتقل كرد. همچنین از این واحدهای كوچك پیش ساخته می توان برای آزمایشهای اولیه و تعیین مشخصات قبل از انجام عملیات پرهزینه توسعه، برآورد فنی واقتصادی و برگشت سرمایه در میدان را می توان با این واحدهای كوچك انجام داد و اقدامات لازم را پیش بینی نمود.

انرژی زمین‌گرمایی در ایران

در ایران از سال ۱۳۵۴ مطالعات گسترده‌ای برای شناسایی پتانسیل‌های منبع انرژی زمین گرمایی توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده‌ای به وسعت ۲۶۰ هزار کیلومتر مربع آغاز شد. نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان،مشگين شهر، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر ۳۱ هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره‌برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب هستند. در همین راستا برنامه اکتشاف، مشتمل بر بررسیهای زمین‌شناسی، ژئوفیزیک و ژئوشیمیایی برنامه‌ریزی شد. سایر مناطقی از ایران که دارای ذخایر انرژی زمین گرمایی می باشند عبارتند از:

منطقه تفتان و بزمان ، منطقه طبس ، منطقه شیراز، منطقه مرکزی ایران ، منطقه غرب ، منطقه ای شامل: مشهد، نیشابور، سبزوار، قوچان، بجنورد و گرگان به خاطر کانونهای زلزله و وجود گسلهای رباط و قره بیل و میامی و… ، منطقه جنوب ، و منطقه شرق شامل: زابل، خاش، سیرجان و زاهدان

در ایران کاربردهای مستقیم از این انرژی زمین گرمایی به استفاده‌هایی نظیر استخرهای شنا و حمام منجر شده‌است. نیروگاه زمین‌گرمایی مشگین‌شهر با ظرفیت تولید ۵۵ مگاوات، نخستین نیروگاه با بهره‌گیری از انرژی زمین‌گرمایی در ایران است که در ناحیه‌ای به وسعت ۵ کیلومتر مربع در مجاورت روستای موئيل در دامنه‌های کوه آتشفشانی سبلان مشرف به جنوب شهرستان مشگین‌شهر واقع در استان اردبیل قرار دارد. در این نیروگاه آب از طریق لوله به زیر زمین تزریق می‌شود و با گرمای ۲۵۰ تا ۵۰۰ درجه، به بخار تبدیل می شود و سپس این بخار به سطح زمین آمده و توربین بخار را به گردش درمی‌آورد. براساس مطالعات   سازمان انرژی‌های نو ایران ، منطقه مشگین‌شهر بهترین نقطه برای استفاده از ظرفیت انرژی زمین‌گرمایی در کشور است به طوری که مهمترین هدف این دفتر، ساخت و راه‌اندازی نیروگاه زمین‌گرمایی به ظرفیت اسمی ۱۰۰ مگاوات در این منطقه‌است. بر اساس مطالعات صورت گرفته، دامنه‌های سبلان در مشگین‌شهر قابلیت ساخت نیروگاه برق تا ۴۰۰ مگاوات را دارد.

 

 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *