انرژی زمین گرمایی

زمین گرمایی به چه معناست؟ منظور از ژئوترمال چیست؟ انرژی زمین گرمایی چیست؟ آیا تا به حال چنین سوالاتی از خود پرسیده اید؟؟؟

یکی از موضوعات نسبتا جدید در حوزه انرژی های تجدید پذیر، انرژی زمین گرمایی است. عبارت زمین گرمایی ترجمه واژه انگلیسی Geothermal است و در فارسی به صورت ژئوترمال نیز به کار می رود. انرژی زمین گرمایی به زبان ساده انرژی ناشی از گرمای درون زمین است. در این مقاله ضمن تعریف و اشاره به موارد استفاده از انرژی زمین گرمایی، فواید و مضرات آن بیان شده و در نهایت به کاربردهای انرژی زمین گرمایی پرداخته شده است.

ضمن درخواست از شما برای مطالعه این مقاله به مدت تقریبی 3 دقیقه، بابت به اشتراک گذاری این مطالب با ذکر منبع کمال تشکر را داریم.

انرژی زمین گرمایی چیست؟

انرژی زمین گرمایی به انرژی حرارتی درون زمین اطلاق می‌شود. انرژی زمین گرمایی تجدید پذیر است، زیرا همواره انتقال گرمای زمین به آب در حال انجام است. برای پاسخ به سوال انرژی زمین گرمایی حاصل چیست؟ می توان گفت منشا انرژی ژئوترمال، هسته زمین به عمق حدود 6500 کیلومتر است. هسته زمین از یک هسته داخلی (مرکز آهنی) و یک هسته خارجی از جنس ماگمای بسیار داغ تشکیل شده است. در ماگما به دلیل فروپاشی ذرات رادیواکتیو دما بسیار بالا باقی می‌ ماند. هسته بیرونی توسط گوشته‌ای متشکل از ماگما و سنگ با ضخامت 3000 کیلومتر احاطه شده است. پوسته به لایه‌ای از زمین که قاره‌ها و کف اقیانوس‌ها را در خود جای داده، گفته می‌شود. ضخامت پوسته در قاره‌ها 25 تا 55 کیلومتر بوده و در زیر اقیانوس‌ها 5 تا 8 کیلومتر است. پوسته از صفحات تکتونیکی تشکیل شده و با نزدیک شدن ماگما به لبه این صفحات، آتشفشان‌ ها شکل می‌گیرند. در عمق مشخصی سنگ‌ها و آب، گرمای ماگما را به خود جذب می‌کنند. این نواحی به عنوان منابع زمین گرمایی مشخص می‌شوند. بنابراین با حفر چاه و پمپاژ این آب گرم به سطح زمین می‌توان از انرژی ژئوترمال استفاده کرد. منابع انرژی زمین گرمایی را می‌توان براساس ویژگی‌های حرارتی در چند دسته طبقه‌بندی نمود.

فضای داخلی زمین (پروژه NEED)

منابع انرژی زمین گرمایی چیست؟

• منبع انرژی هیدروترمال: میدان‌ های زمین گرمایی شناخته شده‌‌ ای است که حاوی آب با دمای بالا در فاز‌های بخار، مایع و مخلوطی از مایع و بخار می‌باشد.
• منبع انرژی تحت فشار (ژئوفشار): این منابع حاوی آب مایع داغ در دمای 150 درجه سانتی‌گراد تا 180 درجه سانتی‌گراد در فشارهای بسیار بالا (تا 600 بار) هستند. مایع موجود در این مخازن پر از رسوب، حاوی متان و سطوح بالایی از ذرات جامد حل شده است. بنابراین سیال موجود بسیار خورنده بوده و برداشت و نگهداری آن بسیار دشوار است.

موارد استفاده از انرژی زمین گرمایی

• منبع انرژی ماگمایی: که به آن‌ها سنگ مذاب نیز گفته می‌شود. معمولا در زیر آتشفشان‌های فعال در دمای بالای 650 درجه سانتی‌گراد قرار دارند.
• سیستم زمین گرمایی پیشرفته: که به آن‌ها سیستم‌ های زمین گرمایی سنگ داغ و خشک نیز گفته می‌شود، جز منابع انرژی زمین گرمایی طبیعی دسته‌بندی نمی‌شود. در این روش مطابق شکل زیر، آب با فشار بالا به سازه سنگی تزریق می‌شود و به صورت بخار داغ باز می‌گردد. این سیستم شامل حفاری چاه‌های تزریقی و تولیدی در عمق 3 تا 5 کیلومتری سطح زمین است. دمای سنگ داغ در این عمق می‌تواند حدود 250 درجه سانتی‌گراد باشد.

بهره برداری از سیستم های زمین گرمایی پیشرفته

از میان این چهار دسته از منابع زمین گرمایی، در حال حاضر تنها منابع هیدروترمال مورد بهره‌برداری قرار گرفته است. تخمین زده می‌شود که سه مورد دیگر دارای پتانسیل‌های انرژی عظیمی باشند، اما فناوری‌های کنونی اجازه استحصال انرژی از این منابع را نمی‌دهد. کیفیت و عمر یک منبع هیدروترمال را می‌توان با تزریق مجدد سیال که انرژی خود را از دست داده است افزایش داد. امکان دارد تزریق مجدد نیز به حفظ فشار مخزن کمک کند. عدم دفع سیال زمین گرمایی از سطح زمین خطر بالقوه آلودگی آب رودخانه‌ها و دریاچه‌ها و همچنین آلودگی هوا را در پی دارد. تزریق مجدد آب زمین گرمایی یک الزام قانونی در ایالات متحده است. یک منبع زمین گرمایی حاوی آب با دمای بالاتر از دمای محیط است. یکی از طبقه‌ بندی‌های رایج منابع زمین گرمایی براساس دمای منبع است.

• منبع با دمای زیاد (بالاتر از 150 درجه سانتی‌گراد)
• منبع با دمای متوسط (90 تا 150 درجه سانتی‌گراد)
• منبع با دمای پایین (کمتر از 90 درجه سانتی‌گراد)

وضعیت آب زمین گرمایی در مخزن ممکن است بخار فوق گرم یا اشباع (بخار خشک)، مخلوط بخار اشباع و مایع و نیز مایع فشرده باشد. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، با افزایش مقادیر بخار به دلیل بالا بودن آنتالپی و اگزرژی (پتانسیل کار) کیفیت افزایش خواهد یافت. با این حال بیشتر منابع زمین گرمایی جهان به صورت مایع هستند. چشمه‌های آب گرم در کالیفرنیا و سایر مکان‌ها یکی از نمونه‌های نادر منابع بخار است. متناسب با فشاری که روی سیستم تولید وجود دارد، سیستم‌های استفاده کننده از مایع را می‌توان به صورت آب نمک یا مخلوط بخار آب نمک تولید کرد. اگر فشار به زیر فشار اشباع در آن دما کاهش یابد، مقداری از ذرات آب نمک قابل مشاهده خواهد بود و یک مخلوط دو فازی ایجاد می‌شود. اگر فشار بالاتر از فشار اشباع باقی بماند، سیال تک فاز باقی خواهد ماند.

ارتباط کیفیت، فاز و دما در منابع انرژی زمین گرمایی

کاربرد انرژی زمین گرمایی چیست؟

گزینه‌های مختلفی برای استفاده از انرژی حرارتی تولید شده از سیستم‌ های انرژی زمین گرمایی مانند تولید برق، گرمایش و سرمایش محیط و پمپ‌های حرارتی ژئوترمال وجود دارد. سایر کاربردهای انرژی زمین گرمایی شامل رشد گیاهان و محصولات گلخانه‌ای، خشک کردن الوار، میوه‌ها و سبزیجات، آبگرم، نمک زدایی و پرورش ماهی است. مردم باستان از این منبع انرژی تجدید پذیر، برای گرم کردن و حمام کردن استفاده می‌کردند. تولید برق از انرژی زمین گرمایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. فناوری تولید برق از منابع ژئوترمال به خوبی به اثبات رسیده است و نیروگاه‌ های زمین گرمایی متعددی در سراسر جهان فعال هستند. دمای منبع باید حدود 150 درجه سانتی‌گراد یا بیشتر برای تولید توان اقتصادی باشد. با این وجود یک نیروگاه ژئوترمال در شمال نوادا از منبع مایع 120 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌کرده است. تولید برق از انرژی زمین گرمایی با دمای پایین‌تر امکان‌پذیر است و برخی از طرح‌های جدید در دستور کار است. اما توجیه اقتصادی چنین سرمایه‌ گذاری‌هایی به دلیل راندمان بسیار پایین دشوار می‌شود. دمای آب زمین گرمایی باید بالاتر از 95 درجه سانتی‌گراد برای خنک‌سازی جذبی با ضریب عملکرد مناسب باشد. برای گرم کردن، می‌توان از دمای بالاتر از 50 درجه سانتی‌گراد استفاده کرد.