انرژی زمینگرمایی چیست: نحوه تولید، استخراج و کاربردها
انرژی زمینگرمایی چیست: به انرژی گرماییِ نهفته در عمق زمین، انرژی زمینگرمایی می‌گوییم. هسته‌ی زمین، توده‌ی فشرده و بسیار داغی است که دمای آن تا ۵۲۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. جالب است بدانیم که دمای سطح خورشید نیز حدود ۵۸۰۰ درجه سانتی‌گراد است. پس، گویی زمین نیز در دل خود خورشید کوچکی دارد که پیوسته انرژی و گرمای عظیمی تولید می‌کند. به لایه‌ی بعد از هسته زمین، گوشته می‌گوییم و بالاترین لایه که همان سطح زمین است، پوسته نام دارد. دمای زیاد هسته زمین، به گوشته و از آنجا به پوسته زمین سرایت می‌کند. انسان می‌تواند با حفر چاه‌های عمیق در مناطق خاصی از زمین آب و بخار داغ را از مخازن زیرزمینی استخراج کند و از گرمای آن بهره ببرد و حتی برق تولید کند.
به برقی که از گرمای زمین تولید می‌شود، برق زمینگرمایی می‌گوییم. انرژی زمینگرمایی در زمره انرژی‌های پایدار و تجدیدپذیر است و در مقایسه با سوخت‌های فسیلی، آلودگی بسیار کمتری تولید می‌کند. لذا با ساخت نیروگاه‌های برق زمینگرمایی به‌جای نیروگاه‌های سوخت فسیلی می‌توانیم بخش قابل‌توجهی از آلودگی هوا را کاهش دهیم. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که انرژی زمینگرمایی چیست و چونه تولید می‌شود و انرژی زمینگرمایی چه کاربردهایی دارد.
انرژی زمینگرمایی چیست؟
احتمالا شما نیز تاکنون درباره چشمه‌های آب گرم در نقاط مختلف کشورمان مطالبی شنیده‌اید؛ چشمه‌هایی که حتی در سردترین روزهای سال نیز داغ هستند. اما آیا تاکنون از خود پرسیده‌ایم که آب این چشمه‌ها چرا و چگونه گرم می‌شود؟ چرا آب برخی از چشمه‌ها در تمام طول سال گرم است؟ یا اصلا چرا بعضی از چشمه‌ها همواره گرم و بعضی دیگر پیوسته خنک هستند؟ علتش انرژی زمینگرمایی (geothermal) است. به انرژی گرماییِ نشأت گرفته از هسته داغ زمین که به مخازن آب زیرزمینی را گرم می‌کند، انرژی زمینگرمایی می‌گویند.
پس، منبع انرژی زمینگرمایی، گرمای هسته زمین است. هسته زمین توده فشرده و بسیار داغی است که پیوسته گرما تولید می‌کند. گرمای هسته زمین به لایه‌های بالاتر یعنی گوشته و سپس به پوسته سرایت می‌کند. چنین گرمای شدیدی مخازن آب‌زیرزمینی را داغ می‌کند. هرچه عمق مخازن آب زیرزمینی بیشتر باشد، دمای آنها نیز بیشتر اما هرچه عمق آنها کمتر باشد، دمای‌شان کمتر خواهدبود. پس، علت داغ بودن دائمیِ چشمه‌های آب گرم، راه داشتن آنها به مناطق عمیق‌تر زمین است. بالعکس، هرچه عمق مخازن آب زیرزمینی کمتر باشد، چشمه‌هایی که از آن مخازن می‌جوشند خنک‌تر خواهندبود.
مروری بر لایه‌های زمین
گفتیم که زمین سه لایه اصلی دارد که از درون به بیرون عبارتند از:
- هسته
- گوشته
- پوسته
هسته زمین متشکل از نیکل و آهن، دو بخش درونی و بیرونی دارد. لایه‌ی بیرونی هسته، به حالت مایع و ضخامت آن حدود ۲۲۰۰ کیلومتر است. اما بخش داخلی هسته، جامد است زیرا فشار شدید ناشی از وزن خود زمین و جو زمین، آهن موجود در هسته را می‌فشارد و اجازه نمی‌دهد که ذوب شود و به حالت مایع درآید.
سنگ‌های موجود در مرز گوشته و پوسته‌ی زمین در اثر گرمای شدید هسته، ذوب و به تفتال (ماگما) تبدیل می‌شوند. گاهی تفتال‌ها از طریق شکاف‌ها و حفره‌های ایجادشده در پوسته زمین به بیرون راه پیدا می‌کنند که اصطلاحا به آن آتش‌فشان می‌گوییم.
منبع انرژی زمینگرمایی چیست؟
گرمای شدید هسته به لایه بالاتر یعنی گوشته نیز منتقل می‌شود. گوشته عمدتا حاوی سنگ و تفتال است. بالاترین لایه زمین یعنی پوسته عملاً مثل عایق عمل می‌کند. گاهی فشار متقابل لایه‌های پوسته زمین و یا رانش آنها شکاف‌هایی ایجاد می‌کند و سبب می‌شود تا تفتال‌های موجود در گوشته از طریق مجراها و شکاف‌ها به‌شکل گدازه از پوسته زمین به بیرون تراوش کنند.
شدت گرما به حدی است که حتی سنگ‌های موجود در مرز بین گوشته و پوسته زمین را ذوب می‌کند که گاهی به شکل آتش‌فشان و گدازه‌های آتش‌فشانی به بیرون زمین راه می‌یابد.
انرژی زمینگرمایی چگونه تولید می‌شود؟
نخست باید چاه‌هایی به عمق حداقل ۱.۵ کیلومتر حفر شود تا به منابع زمینگرمایی برسند. منابع زمینگرمایی یا به‌صورت طبیعی بشکل حرارت و سنگ و آب گرم و یا بوسیله سامانه‌های زمینگرمایی استخراج می‌شود. سامانه‌ها مذکور منابع زمینگرمایی را بهبود می‌دهند و یا ایجاد می‌کند و برای این منظور از فرآیندی موسوم به شبیه‌سازی هیدرولیک بهره می‌برند. این منابع زمینگرمایی چه طبیعی و چه بهبودیافته، توربین‌ها را می‌چرخانند و ژنراتورهای متصل به توربین، برق تولید می‌کنند.
کاربرد انرژی زمینگرمایی چیست؟
انسان‌ها از گذشته‌های بسیار دور از چشمه‌های آب گرم بهره می‌بردند و هنوز هم از این چشمه‌ها استفاده می‌کنند و حتی استحمام در آن‌را برای درمان برخی از امراض مفید می‌دانند. در عصر حاضر نیز تولید برق یکی از مهم‌ترین کاربردهای انرژی زمینگرمایی است. همانطور که از گرمای خورشید برق خورشیدی می‌گیریم، با گرمای زمین هم می‌توانیم برق زمینگرمایی تولید کنیم. یعنی در واقع، انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنیم.
اما کاربردهای انرژی زمینگرمایی به تولید برق محدود نیست. بخشی از بخار و آب داغی که در نیروگاه‌های برق زمینگرمایی تولید می‌شود را می‌توان برای مقاصد دیگر هم به کار برد. برای مثال، می‌توان آن‌را برای سامانه‌های گرمایشی محلی، تولید برق در مقیاس کوچک، برای گرم کردن گلخانه‌ها و در سامانه‌های ذوب برف‌های جاده‌ای به کار برد.
بعضی از کاربردهای انرژی زمینگرمایی را می‌توان چنین برشمرد:
- شست‌وشو در چشمه‌های آب گرم بویژه با هدف درمان برخی از بیماری‌ها
- استفاده از حرارت چشمه‌های آب‌گرم برای گرمایش و پخت‌وپز در جوامع قدیمی یا بسیار سنتی
- استفاده از انرژی زمینگرمایی در نیروگاه‌ها برای تولید برق
- به‌کارگیری پمپ‌ها و سامانه‌های گرمایشی و حتی سرمایشیِ محلی که ساختمان‌های متعدد را با استفاده از انرژی زمین‌گرماییِ همان منطقه در زمستان گرم و در تابستان خنک می‌کنند
- استفاده از انرژی زمینگرمایی برای خشک کردن میوه‌ها، استخراج طلا و پاستوریزه کردن شیر
نحوه استخراج انرژی زمینگرمایی
در این بخش توضیح می‌دهیم که انرژی زمینگرمایی چگونه استخراج می‌شود. رایج‌ترین روش استخراج انرژی زمینگرمایی دسترسی به مخازن طبیعی آب‌های گرم زیرزمینی است. اما همه مناطق زمین مخزن آب گرم زیرزمینی ندارند. بیشتر مخازن آب‌های گرم زیرزمینی در مناطق آتش‌فشانی یا چشمه‌های آب گرم و آب‌فشان‌های گرم کشف می‌شوند. دمای منابع آب و بخار گرم زیرزمینی باید حداقل بین ۱۵۰ تا ۳۷۰ درجه سانتی‌گراد باشد تا بتوان از آن برق تولید کرد.
انرژی زمینگرمایی را به طرق مختلفی به کار می‌بریم. یکی از رایج‌ترین شیوه‌های استخراج استفاده از پمپ‌های بزرگ صنعتی است. با کمک این سامانه‌ها می‌توان آب و حتی فضای داخلی ساختمان‌ها را گرم کرد. انرژی زمینگرمایی کارآمد و پاک است.
نکات کوتاه:
- منشأ و منبع انرژی زمینگرمایی، گرمای داخل زمین است.
- برای جست‌وجوی مخازن زمینگرمایی ، نزدیک به پوسته زمین «چاه‌های اکتشاف» حفر می‌شوند.
- پس از اکتشاف، برای انتقال آب و بخار داغ به سطح زمین، «چاه‌های تولید» حفر می‌شوند که برای تولید برق گرمازمنی به کار می‌روند.
- چاه‌های دیگر موسوم به «چاه‌های بازگشت» نیز باید حفر شوند تا آب و مایعات زمینگرمایی را پس از استفاده، مجددا به مخازن زمینگرمایی در دل زمین بازگرداند.
- انرژی زمینگرمایی در زمره انرژی‌های تجدیدپذیر است زیرا هسته زمین همواره گرما تولید می‌کند و گرمای آن در شرایط معمول پایان نمی‌یابد.
انرژی زمینگرمایی در ایران
نخستین نیروگاه زمینگرمایی غرب آسیا را جمهوری اسلامی ایران ساخته است. اولین نیروگاه زمینگرمایی ایران، موسوم به سبلان در مشگین‌شهر استان اردبیل قرار دارد.
در مرحله نخست حفاری اکتشافی، اولین چاه اکتشاف منبع زمینگرمایی مشگین‌شهر سال ۱۳۸۱ تا عمق ۳۲۰۰ متری زمین حفر شد و پس از دسترسی به منبع زمینگرمایی با دمای حدود ۲۴۰ درجه سانتی‌گراد، چاه‌های دوم و سوم نیز همان سال حفر شدند.
مرحله دوم حفاری بهمن ۱۳۸۸ آغاز و اردیبهشت ۱۳۹۰ پایان یافت. در این مرحله ۶ حلقه چاه اکتشافی در کل به عمق ۱۶۸۴۰ متر حفر شد. از مجموع ۱۱ حلقه چاهی که در آن مقاطع حفر شد ۷ حلقه چاه اکتشافی به مخازن زمینگرمایی رسیدند.
آیا انرژی زمینگرمایی تجدیدپذیر است؟
بله، انرژی زمینگرمایی تجدیدپذیر است، زیرا هسته زمین پیوسته گرما تولید می‌کند. انرژی‌های تجدیدپذیر آن‌هایی هستند که منبع‌شان پیوسته بازسازی می‌شود و از بین نمی‌رود. برای مثال، انرژی خورشیدی نیز تجدیدپذیر است، زیرا خورشید تا میلیاردها سال می‌تواند هم‌جوشی هسته‌ای را ادامه دهد و نتیجتاً گرما تولید کند.
بعضی از ویژگی‌های انرژی زمینگرمایی
- انرژی زمینگرمایی تجدیدپذیر، پایدار و تقریبا پاک است.
- انرژی زمینگرمایی با محیط زیست سازگار است و میزان دی‌اکسید کربنی که منتشر می‌کنند، تنها یک‌ششم نیروگاهی است که با گاز طبیعی کار می‌کند.
- هزینه نیروگاه زمینگرمایی ۸۰ درصد ارزان‌تر از نیروگاه‌های سوخت فسیلی است.
- تولید انرژی فقط در مرزهای صفحات زمین‌ساختی میسر است. ضمنا برخی مناطق پس از چند دهه استفاده ممکن است خنک شوند و دیگر نتوان از آنجا انرژی زمینگرمایی استحصال کرد.
- نیروگاه‌های برق زمینگرمایی سولفید هیدروژن منتشر می‌کنند که بوی آن شبیه تخم‌مرغ گندیده است. برخی از سیالات زمینگرمایی نیز مقدار کمی مواد سمی دارند که باید درست مدیریت شوند.
مزایا و معایب انرژی زمینگرمایی چیست
انرژی زمینگرمایی نیز مانند سایر گونه‌های انرژی، مزایا و معایبی دارد که به بعضی از آنها اشاره می‌شود:
مزایا
- سازگار با محیط زیست: انرژی زمینگرمایی، تجدیدپذیر و تقریبا پاک است. انتشار گازهای کربنی آن کمتر است و در مقایسه با نیروگاه‌های سوخت فسیلی به ازای تولید هر مگاوات‌ساعت برق، ۹۹ درصد دی‌اکسید کربن کمتری تولید می‌کند. ضمنا استخراج آب داغ و تولید برق در نیروگاه‌های زمینگرمایی، آلودگی صوتی ندارد. البته نیروگاه‌های زمینگرمایی نیز آلودگی‌هایی هرچند بسیار کمتر، به بار می‌آورند که در بخش معایب به آن اشاره می‌کنیم.
- تجدیدپذیر: انرژی زمینگرمایی مثل انرژی بادی و خورشیدی تجدیدپذیر است زیرا مخازن داغ زیر زمین بطور طبیعی پیوسته بازسازی می‌شوند. طبق برآوردها مخازن زمینگرمایی احتمالا تا میلیاردها سال ظرفیت دارند. اما سوخت‌های فسیلی خیلی زودتر پایان خواهندیافت. لذا انرژی زمینگرمایی هم تجدیدپذیر و هم پایدار است.
- پایدار: برخلاف انرژی خورشیدی و بادی که گاهی در دسترس نیستند، انرژی زمینگرمایی همیشه در دسترس و لذا پایدار است.
- ظرفیت فراوان: مصرف انرژی در دنیا بسیار بیشتر از منابع بالقوه‌ی انرژی زمینگرمایی است اما امید می‌رود با پژوهش‌ها و پیشرفت‌های جاری، منابع زمینگرمایی قابل استفاده افزایش یابند.
- گرمایش و سرمایش: بکمک تمهیداتی می‌توان با استفاده از انرژی زمینگرمایی، علاوه بر گرم کردن ساختمان‌ها در زمستان، آنها را در تابستان خنک نگه داشت. جهت استفاده موثر از انرژی زمینگرمایی برای تولید برق، دمای آب باید بیش از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد باشد تا بخار حاصل از آن بتواند توربین‌ها را بچرخاند. از سوی دیگر، می‌توان از اختلاف دمای بین سطح و عمق زمین نیز بهره برد. چون عمق زمین در برابر تغییرات فصلیِ سطح زمین، مقاوم‌تر است، مثل سینک/منبع حرارتی با پمپ حرارتی زمینگرمایی عمل می‌کند.
- اطمینان‌پذیر: محاسبه دقیق میزان انرژی زمینگرمایی ساده است، زیرا برخلاف بعضی از انواع انرژی مثل انرژی خورشیدی و بادی، نوسان ندارد.
- پیشرفت سریع: فناوری‌ها و طرح‌های جدیدی در جریانند تا صنعت انرژی زمینگرمایی ارتقا و رشد یابد.
معایب
- محدودیت مکانی: شما نمی‌توانید از هر نقطه زمین که خواستید انرژی زمینگرمایی استخراج کنید. نیروگاه‌های زمینگرمایی باید در اماکنی ساخته شوند که منابع زمینگرمایی در آن اماکن در دسترس باشند.
- گازهای سمی: نیروگاه‌های زمینگرمایی به خودی‌ِ خود گاز گلخانه‌ای متساعد نمی‌کنند اما در عمق زمین گازهای گلخانه‌ای فراوانی وجود دارند که وقتی برای استخراج انرژی زمینگرمایی، چاه‌های عمیق حفر می‌شود، بعضی از آنها به بیرون نشت می‌کنند و در جو زمین پراکنده می‌شوند. هنگام استخراج انرژی زمینگرمایی گاهی مخازن حاوی فلزات سمیِ سنگین مثل قلع، آرسنیک و بور کشف می‌شوند.
- آسیب‌پذیری در برابر زلزله: با حفاری در زمینِ زیر نیروگاه، ساختار آن شکننده‌تر می‌شود. در بعضی نیروگاه‌ها برای افزایش بهره‌وری، آب را با فشار به پوسته زمین تزریق می‌کنند تا با ایجاد شکاف در آن، بهره‌برداری از منابع انرژی زمینگرمایی را افزایش دهند. آسیب‌پذیری چنین نیروگاه‌هایی در برابر زلزله بیشتر است. اما چون اکثر نیروگاه‌های زمینگرمایی از مناطق مسکونی پرجمعیت دور هستند، پیامدهای احتمالی ناشی از زمین‌لرزه نسبتا ناچیز است.
- بی‌ثبات شدن زمین: حفر چاه در پوسته ممکن است سطح زمین را ناپایدار کند. در نیروگاه‌های زمینگرمایی سنتی، باید در دل سنگ‌های داغ زیرزمینی حفاری صورت بگیرد، زیرا مخازن آب یا بخار داغ معمولا در دل این سنگ‌ها هستند. با حفاری در سنگ‌های داغ زیرزمینی، نوعی انفجار طبیعی در آنها رخ می‌دهد و آب بشکل بخار پرفشار آزاد می‌شود. حفاری زمین‌لرزه ایجاد نمی‌کند، اما آزادشدن انفجارگونه بخار و سپس بازگشت آب مستعمل به مخازن آب داغ زیرزمینی ممکن است خطوط انفجار را ناپایدار کند و به وقوع زمین‌لرزه‌های محلی منجر شود.
- هزینه اولیه زیاد: ایجاد هر ۱ مگاوات نیروگاه زمینگرمایی حدود ۲ تا ۷ میلیون دلار هزینه دارد. اما در درازمدت انرژی باصرفه‌ای است و هرچه زمان می‌گذرد، هزینه‌های اولیه خود را جبران می‌کند. حفر چاه برای دسترسی به مخازن آب زیرزمینی، پرهزینه است. نصب سامانه گرمایش و سرمایش زمینگرمایی از حفر چاه‌های اکتشافی هم پرهزینه‌تر است. برای مثال، هزینه نصب هر پمپ حرارتی شاید حدود ۱۰,۰۰۰ تا ۲۰,۰۰۰ دلار باشد.
- چالش پایدارسازی انرژی: اگر می‌خواهیم انرژی زمینگرمایی پایدار بماند، باید پیوسته در مخازن زیرزمینی آب کافی وجود داشته باشد تا پس از گرم شدن، از طریق لوله‌های عمیق از زمین استخراج شود. برای این منظور، آب داغی که از عمق زمین استخراج می‌شود، پس از تبدیل به بخار و دمیدن به توربین باید مجددا به آب تبدیل شود و با پمپ به مخازن خالیِ زیر زمین بازگردانده شود. پس منابع انرژی زمینگرمایی باید درست مدیریت شوند تا پایدار بمانند، وگرنه روزی پایان می‌پذیرند که چه‌بسا تبعات زیست‌محیطی سخت و خطرناکی داشته باشد.
- خشک شدن منابع: اگر مخازن آب داغ زیرزمینی درست مدیریت نشوند، شاید روزی خشک شوند و یا بخار آنها پس از سال‌ها پایان یابد. پس در کل انرژی زمینگرمایی باید با احتیاط مصرف و درست مدیریت شود.
جمع‌بندی
در این مطلب توضیح دادیم که انرژی زمینگرمایی چیست. به انرژی گرمایی نهفته در لایه‌های زیرین زمین، انرژی زمینگرمایی (ژئوترمال) می‌گوییم. گرمای درونی زمین از گرمای هسته زمین ناشی می‌شود. هسته زمین، توده داغ و فشرده‌ای از مواد مذاب است. گرمای هسته به لایه‌های بالاتر یعنی گوشته و سپس پوسته منتقل می‌شود و مخازن آب زیرزمینی موجود در پوسته را داغ می‌کند. کارشناسان ابتدا با حفر چاه‌های اکتشافی، محل دقیق مخازن آب‌های داغ زیرزمینی را می‌یابند و سپس با حفر چاه‌های دائمیِ استخراجی، آب داغ را بالا می‌کشند و بخار داغ حاصل از آن را سمتِ توربین‌های نیروگاه هدایت می‌کنند. بخار داغ با فشار به پره‌های توربین برمی‌خورد و توربین را می‌چرخاند. مولد یا ژنراتوری که به محور توربین متصل است، انرژی مکانیکیِ چرخشی توربین را به انرژی مکانیکی و سپس انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل و نتیجتاً برق تولید می‌کند.
عنوان: انرژی زمینگرمایی چیست
موضوع: انرژی زمینگرمایی چیست، کاربرد انرژی زمینگرمایی، ویژگی‌های انرژی زمینگرمایی، نحوه استخراج انرژی زمینگرمایی
