تولید انرژی از گرمای اعماق زمین

امروزه در جهان تولید انرژی از منابع غیر فسیلی به مسئله ای مهم و حیاطی تبدیل شده . مهم ترین دلیل آن هم به پایان رسیدن ذخایر نفت و گاز در آینده نه چندان دور است . یکی از راه حل های جسورانه این چالش جهانی ، استفاده از انرژی گرمایی اعماق زمین است .

انرژی گرمایی زمین‌ ( Geothermal energy ) به انرژی حرارتی که دراعماق پوستهٔ زمین وجود دارد، گفته می‌شود. ازاین انرژی اغلب در جهت تولید الکتریسیته استفاده می شود ، که در اصطلاح به آن چرخه تولید انرژی الکتریکی از گرمای زمین اطلاق می شود .

فناوری های مورد استفاده در طرح‌های تولید برق از انرژی زمین‌ گرمایی شامل : نیروگاه‌های بخار خشک، نیروگاه‌های تبدیل بخار سیال و نیروگاه چرخه دوگانه است.

بزرگترین مزیت انرژی زمین گرمایی نسبت به سایر انرژیهای تجدید پذیر این است که محدود به فصل، زمان وشرایط خاصی نبوده و بدون وقفه قابل بهره‌برداری می‌باشد.

همچنین قیمت تمام شده برق در نیروگاه‌های زمین گرمایی با قیمت برق تولیدی از سایر نیروگاه‌های متعارف(فسیلی) قابل رقابت بوده و حتی از انواع دیگر انرژیهای تجدید پذیر به مراتب ارزانتر است.

مرکز زمین (به عمق تقریبی ۶۴۰۰ کیلومتر) که در حدود ۴۰۰۰ درجهٔ سانتیگراد حرارت دارد، به‌عنوان یک منبع گرمایی عظیم 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 ( مترمربع ) ، که با درنظرگرفتن مساحت کل سطح زمین، مجموع کل دفع حرارت از سطح آن برابر با ۴۲ میلیون مگاوات است.

در واقع تولید این میزان حرارت ، عامل اصلی پدیده‌های زمین‌شناسی ازجمله فعالیت‌های آتشفشانی، ایجاد زمین‌لرزه‌ها، پیدایش رشته‌کوه‌ها و جابجایی صفحات قاره ای 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 یا هر دو می‌توان این حرارت را به سطح زمین انتقال داد. از این انرژی گرمایی می‌توان در کاربردهای متفاوت ازجمله تولید برق استفاده کرد. امروزه ۸۵ تا ۹۰ درصد منازلِ کشورایسلند برای تأمین گرما و آب گرم مورد نیاز خود، از انرژی گرمایی زمین استفاده می‌کنند.

وجود کوه‌های آتشفشانی در سراسر جهان نیاکان ما را از این حقیقت آگاه ساخت که برخی نقاط درونی زمین حرارت بالایی دارند . اوج این آگاهی در قرن‌های ۱۶ و ۱۷ میلادی بود، یعنی زمانی که اولین معادن تا عمق چند صد متری سطح زمین حفر گردیدند و بشر بر اساس ادراکات فیزیکی ساده‌ای فهمید که دمای زمین با افزایش عمق آن زیاد می‌شود .

طبق شواهد نخستین اندازه‌گیری‌های دمای زمین به وسیله دماسنج در سال ۱۷۴۰ در معدنی نزدیک به ناحیه -بلفورت – در کشور فرانسه انجام شد. در سال ۱۸۷۰ با روش‌های پیشرفته علمی نوع رفتار حرارتی زمین مورد مطالعه قرارگرفت. به دنبال آن در سال ۱۹۰۴، نخستین بار در شهر – لاردرلوی – ایتالیا از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق استفاده شد.

تا سال ۱۹۵۰ بهره‌گیری از انرژی زمین گرمایی رشد چندانی نداشت، اما درحد فاصل سال‌های ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۳ به دلیل گران شدن بی‌سابقه و ناگهانی نفت در بازار جهانی ، همه کشورها به فکر استفاده از انرژی‌های جایگزین افتادند.

انرژی زمین گرمایی به پنج صورت در طبیعت یافت می‌شود

۱- منابع آب داغ

منابع آب داغ (آب گرمایی یا هیدروترمال) منابع آبی هستند که در زیر زمین داغ شده، سپس به سطح زمین انتقال پیدا می‌کنند که در میان انواع منابع زمین گرمایی این منابع امروزه دارای بیشترین کاربرد هستند. این نوع منابع زمین گرمایی خود به سه گروه تقسیم می‌شوند:

منابع با دمای بالاتر از۱۵۰ درجه سیلسیوس که مناسب برای تولید برق با تکنیک‌های معمولی هستند

منابع با دمای بین ۱۰۰ الی ۱۵۰ درجه سیلسیوس که مناسب برای تولید برق با تکنیک‌های پیشرفته‌تر باینری هستند

منابع با دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سیلسیوس و مناسب برای کاربردهای مستقیم و درمانی

۲-منابع بخار خشک

منابعی با درجه حرارت بسیار بالا که از آن‌ها بخار خشک یا آمیزه‌ای از بخار و آب با درجه حرارت بسیار بالا به دست می‌آید که برای تولید برق ،این منابع دارای بهترین شرایط هستند، اما این منابع در مناطق محدودی یافت می‌شوند

۳-منابع تحت فشار زمین

منابع عظیمی هستند که از آب شور تشکیل یافته‌اند و از نظر شرایط کلی به درجه اشباع رسیده‌اند و در لایه‌های میان صخره‌های اعماق زمین به صورت محبوس وجود دارند. این منابع عمدتاً 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.

۴-منابع تخته سنگ‌های خشکِ داغ

تخته سنگ‌های بسیار عظیم با منشأ آتشفشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و بافت سخت دارند. به سیستم‌های بهره‌برداری از این منابع سامانه‌های زمین گرمایی پیشرفته (Enhanced Geothermal Systems) و به اختصار _EGS _گفته می‌شود.

از آنجا که در همه جای کره زمین در اعماق ، گرما با شدت‌های مختلف وجود دارد و تنها محدودیت ، نبود منابع آب می‌باشد لذا با کمک این سیستم می‌توان رشد چشمگیری را در گسترش و پیشرفت انرژ‍ی زمین گرمایی رقم زد.

در این سیستم بهره‌برداری به این صورت می‌باشد که با حفر چاه‌های بسیار عمیق (با عمق ۴ تا ۶ کیلومتر) به لایه‌های داغ زمین دسترسی پیدا کرده، سپس آب با فشار بالا به چاه تزریق شده که در اثر این فشار هیدرولیکی در سنگ شکاف ایجاد می‌شود. همین کار برای چاه دیگر نیز انجام می‌شود و بین دو چاه ارتباط برقرار می‌گردد.

بدین صورت آب هنگام عبور از شکاف‌های ایجاد شده، حرارت را از سنگ‌های داغ دریافت و از یکی از چاهها خارج و وارد چرخه نیروگاه می‌شود.

۵-منابع ماگمایی ( گدازه ای )

این منابع در واقع ایده‌آل‌ترین حالت ممکن از 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 محدودیت‌های فنی موجود، فعلاً از این منابع عظیم بهره برداری نمی‌شود .

در ایران از سال ۱۳۵۴ مطالعات گسترده‌ای برای شناسایی پتانسیل‌های منابع انرژی زمین گرمایی توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده‌ای به وسعت ۲۶۰ هزار کیلومتر مربع آغاز گردید.

نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق ساوالان(سبلان)،مشکین 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.