دانلود مقاله انرژی زمین گرمایی

بخشی از مقاله

انرژی زمین گرمایی

مرکز زمین( به عمق تقریبی 6400 کیلومتر)که در حدود 4000 درجه سانتیگراد حرارت دارد، به عنوان یک منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتیگراد در اعماق 80 تا 100 کیلومتری از سطح زمین می گردد. بطورمیانگین میزان انتشار این حرارت از سطح زمین که فرایندی مستمر است معادل 82 میلی وات در واحد سطح است که با در نظر گرفتن مساحت کل سطح زمین(10*1/5 متر مربع) ، مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن، برابر با 42 ملیون مگاوات است. در واقع این میزان حرارت غیر عادی، عامل اصلی پدیده های زمین شناسی از جمله فعالیتهای آتشفشانی، ایجاد زمین لرزه ها، پیدایش رشته کوه ها( فعالیتهای کوه زایی) می باشد که کره زمین را به یک سیستم دینامیک تبدیل نموده و پیوسته آن را تحت تغییرات گوناگون قرار می دهد.

قدمت انرژی زمین گرمایی به اندازه عمر زمین است. (geo) به معنی «زمین» و «Thermal» به معنی «گرما» است. بنابراین Geothermal (ژئوترمال) به معنی زمین گرما می باشد.

تاریخچه
این انرژی از ابتدای خلقت مورد استفاده انسان بوده است. بدین ترتیب كه از آن برای شست وشو، پخت وپز، استحمام، كشاورزی و درمان بیماری ها استفاده می شد. اسناد و مدارك موجود ثابت می كند كه ساكنان كشورهایی نظیر چین، ژاپن، ایسلند و نیوزیلند در گذشته های دور از این انرژی استفاده می كردند. در سال ۱۸۲۸ فردی به نام لاردرللو در كشور ایتالیا برای تهیه اسید بوریك از حرارت آب های گرم به جای سوزاندن هیزم استفاده كرد. در سال ۱۹۰۸ در منطقه مذكور نخستین نیروگاه زمین گرمایی به ظرفیت ۲۰ كیلووات راه اندازی شد كه در سال ۱۹۴۰ ظرفیت آن به ۱۲۷ مگاوات افزایش یافت. تا سال

۱۹۵۰ بهره گیری از انرژی زمین گرمایی رشد چندانی نداشت، اما حد فاصل سال های ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۳ به دلیل گران شدن بی سابقه و ناگهانی نفت، همه كشورها به فكر استفاده از انرژی های جایگزین افتادند و به تدریج كشورهایی چون آمریكا، ایسلند، فیلیپین، اندونزی و اغلب كشورهایی كه روی كمربند زمین گرمایی جهانی قرار داشتند بهره برداری از این انرژی را شروع كردند.

آیا تاکنون تخم مرغ آپزی را نصف کرده اید ؟ درون زمین مشابه تخم مرغ است. زرده تخم مرغ بسان هسته زمین است. سفیده تخم مرغ مانند گوشته زمین است. و پوسته تخم مرغ نظیر پوسته زمین است. زیر پوستهٔ زمین و قسمت فوقانی گوشته ، سنگهای مذابی (سنگهای نرم داغی به صورت روان) بنام ماگما وجود دارد. پوسته زمین برروی این گوشته

ماگمایی مذاب شناور است. زمانیکه ماگما از طریق آتشفشان به سطح زمین می رسد ، به آن گدازه می گویند. به ازای هر ۱۰۰ متری که به زیرزمین میروید ، حرارت سنگ ۳ درجه سلزیوس (Celsius) افزایش می یابد. یا به ازای هر ۳۲۸ فوت در زیرزمین ، حرارت ۴/۵ درجه فارنهایت افزوده می شود. بنابراین اگر ۱۰۰۰ فوت به زیرزمین بروید ، درجه حرارت سنگ جهت جوشاندن آب کافی خواهد بود. بعضی اوقات آب در اعماق زمین ، در کنار سنگ گرمی قرار گرفته و به آب جوش یا بخار تبدیل

می شود. درجه حرارت آب گرم می تواند تا ۳۰۰ درجه فارنهایت (۱۴۸ درجه سلزیوس) برسد. این مقدار حرارت بیش از حرارت آب جوش (۲۱۲ درجه فارنهایت یا ۱۰۰ درجه سانتیگراد) است. اگر آب جوش با هوا تماس نداشته باشد ، به بخار تبدیل نمی

شود. زمانیکه آب گرم از طریق شکافهای زمین به بالا می آید به آن چشمه آب گرم می گویند. درتصویر، چشمه آب گرم پارک ملی یلوستون (Yellewstone) دیده می شود. بعضی اوقات آب گرم به محض رسیدن به سطح زمین ، در هوا منفجر شده که به آن آبفشان می گویند. حدود ۱۰۰۰۰ سال قبل ، سرخپوشان قدیمی در شمال آمریکا از چشمه های آب گرم برای آشپزی استفاده می کردند. مناطق اطراف این چشمه ها جزو مناطق بیطرف محسوب می شد. درنتیجه مبارزان قبایل جنگجو می بایست با صلح و دوستی درکنار هم استحمام کنند. تقریباً هریک از چشمه های آب گرم اصلی در ایالت متحده

به نوعی مورد استفاده قبایل بومی آمریکا بوده است. چشمه های آب گرم کالیفرنیا ، مانند آبفشانهای ناحیهٔ ناپا (Napa) ، برای قبایل آن منطقه مهم و مقدس بودند.
در سایر مناطق جهان ، مردم از چشمه های آب گرم برای استراحت و تمدد اعصاب استفاده می کنند. رومیهای قدیم ، مکانهای مخصوصی را برای حمام آب گرم ساخته بودند ، و ژاپنی ها نیز قرنها از چشمه های آب گرم طبیعی برخوردار بوده اند.
امروزه با بهره گیری از فنآوریهای موجود، تنها بخش کوچکی از این منبع سرشار مهار شده و بطور اقتصادی قابل بهره برداری است.
بنابراین انرژی زمین گرمایی، همان انرژی حرارتی قابل استحصال از پوسته جامد زمین است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدیدپذیر منشاء یک انرژی پایدار با فاکتور دسترسی 100% است که بطور شبانه روزی در طول سال قابل بهره برداری است.
از انرژی زمین گرمایی در دو بخش کاربردهای نیروگاهی( غیر مستقیم) و غیر نیروگاهی ( مستقیم) استفاده می شود. تولید برق از منابع زمین گرمایی هم اکنون در22 کشور جهان صورت میگیرد که مجموع قدرت اسمی کل نیروگاههای تولید برق از این انرژی بیش از 8000 مگاوات می باشد. این در حالی است که بیش از 64 کشور جهان نیز با مجموع ظرفیت نصب شده بیش از 15000 مگاوات حرارتی از این منبع انرژی در کاربردهای غیر نیروگاهی بهره برداری می نمایند.
نشانه های انرژی زمین گرمایی
مهمترین نشانه های منابع زمین گرمایی موارد زیر است:

1. سنگ های آتشفشانی جوان جوان تر از یك میلیون سال
2. چشمه های آبگرم
3. بخارفشان یا گازفشان
4. آب فشان
5. نواحی دگرسان شده
6. گل فشان
7. كوه های آتشفشانی فعال
البته ذكر این نكته ضروری است كه برای آغاز بررسی های اكتشافی در یك منطقه زمین گرمایی، بیش از یك نشانه باید در منطقه وجود داشته باشد.
موارد كاربرد انرژی زمین گرمایی پس از انجام بررسی های اكتشافی

و حفر چاه های اكتشافی و تولیدی در میدان زمین گرمایی، مسئله كاربرد انرژی زمین گرمایی مطرح می شود. مهمترین عامل در تعیین نوع كاربرد مخزن زمین گرمایی، درجه حرارت آن است. امروزه منابع زمین گرمایی را بر اساس درجه حرارت به سه دسته كلی حرارت بالا، حرارت متوسط و حرارت پایین تقسیم می كنند. مبنای این تقسیم بندی، درجه حرارت مخزن در عمق یك كیلومتری زمین است. به این ترتیب كه اگر درجه حرارت مخزن در عمق مذكور بیش از ۲OOC باشد آن را حرارت بالا می نامند. درجه حرارت مخازن حرارت متوسط و پایین به ترتیب بین ۱۵۰C و ۲۰۰C و كمتر از ۱۵۰C است. امروزه از مخزن های زمین گرمایی به دو صورت عمده كاربرد غیر مستقیم تولید برق و كاربرد مستقیم انرژی حرارتی استفاده می شود.
تولید برق

به منظور تولید برق از انرژی زمین گرمایی، سیال مخزن آب داغ یا بخار از طریق چاه های حفر شده به سطح زمین هدایت شده و پس از به چرخش درآوردن توربین در نیروگاه، برق تولید می كند. بدیهی است كه از مخازن حرارت بالا بیشتر برای تولید برق استفاده می شود. در حال حاضر ۲۲ كشور جهان به كمك منابع زمین گرمایی خود بیش از MW ۸۲۰۰ برق تولید می كنند. در نیروگاه های زمین گرمایی، انرژی الكتریكی به كمك چرخه های مخصوصی تولید می شود. مهمترین و رایج ترین آنها عبارتند از:

چرخه تبخیر آنی
در این دسته از چرخه های تولید برق، سیال زمین گرمایی پس از خروج از چاه، وارد یك جداكننده شده و بخار حاصل به سمت توربین و آب داغ به سمت چاه های تزریقی و برج خنك كننده روانه می شود. حال، برحسب اینكه عمل جدایش یا تبخیر آنی در یك مرحله یا دو مرحله انجام شود و برحسب

نيروگاه زمين گرمايي مشكين شهر
وجود یا عدم وجود كندانسور، سه نوع چرخه تبخیر آنی وجود دارد: چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای بدون كندانسور، چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای با كندانسور، چرخه تبخیر آنی دومرحله ای.
چرخه دومداره
از این چرخه برای تولید برق از مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین استفاده می شود. حدود ۵۰ درصد مخازن زمین گرمایی شناخته شده جهان درجه حرارتی بین ۱۵۰C تا ۲۰۰C دارند، كه اگر برای تولید برق از آنها از چرخه تبخیر آنی استفاده شود، چرخه مزبور بازده بسیار پایینی خواهد داشت. در این چرخه از سیال عامل برای تولید برق استفاده می شود بدین ترتیب كه آب داغ، سیال عامل را در یك مبدل حرارتی، گرم و به بخار تبدیل می كند. بخار حاصل، توربین را به حركت در آورده، برق تولید می كند. از جمله مزیت های مهم این چرخه، عدم وجود خوردگی یا رسوب گذاری توسط سیال عامل است. در حال حاضر مهمترین كشورهای جهان از نقطه نظر تولید برق از منابع زمین گرمایی، كشورهای آمریكا ۲۲۲۸ مگاوات، فیلیپین ۱۹۰۹ مگاوات، ایتالیا ۷۶۹ مگاوات، مكزیك ۷۵۵ مگاوات و اندونزی ۵۹۰ مگاوات هستند.
كاربرد مستقیم
كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی، بهره برداری بدون واسطه از انرژی زمین گرمایی است. در این حالت، انرژی زمین گرمایی به انرژی الكتریكی تبدیل نمی شود، بلكه فقط از انرژی حرارتی آن استفاده می شود. مخزن های زمین گرمایی كه دمای آنها بین ۶۵C تا ۱۵۰C است برای تولید برق، توجیه اقتصادی ندارد، لذا این گونه مخزن ها برای استفاده مستقیم از انرژی حرارتی، مناسب هستند. مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین، نسبت به مخزن های حرارت بالا گستردگی بیشتری دارند. آب داغ مخزن های حرارت پایین را می توان با دستگاه های حفاری چاه های آب استخراج كرد. یك محقق ایسلندی به نام لیندال به منظور نشان دادن موارد كاربرد انرژی زمین گرمایی، نموداری تهیه كرده است كه در آن موارد مختلف كاربرد سیال زمین گرمایی بر حسب درجه حرارت آن ارائه شده است. همان گونه كه در نمودار لیندال مشخص شده است، موارد بهره برداری مستقیم از انرژی زمین گرمایی را می توان به ۶ رده كلی زیر تقسیم بندی كرد:
1. گرمایش ساختمان ها
2. كشاورزی
3. دامپروری
4. كاربردهای صنعتی
5. درمان بیماری ها
6. سایر
گرمایش ساختمان ها

این مورد متداول ترین كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی است. حدود ۳۷ درصد كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی در سراسر جهان را گرمایش فضاهای مختلف مسكونی، تجاری، اداری و غیره به خود اختصاص می دهد. البته در صورت نامناسب بودن كیفیت آب از نظر شیمیایی، از مبدل حرارتی برای گرمایش استفاده می شود. یكی از مزیت های مهم سیستم های گرمایشی این است كه آب داغ پس از تٲمین حرارت فضاهای مختلف، مجددا به درون مخزن زمین گرمایی تزریق می شود و در نتیجه میزان آلودگی زیست محیطی آن بسیار پایین است.

شایان ذكر آنكه امروزه انواع خاصی از مبدل های حرارتی وجود دارند كه درون چاه های زمین گرمایی تعبیه شده و حرارت آب داغ مخزن را به آب شیرین درون مبدل منتقل می كنند. درجه حرارت آب گرم مورد نیاز برای سیستم های گرمایشی حدود۶۰C یا بالاتر است. امروزه كشورهای ایسلند، فرانسه، مجارستان و ژاپن برای تٲمین حرارت سیستم های گرمایش مركزی خود از انرژی زمین گرمایی استفاده می كنند. به عنوان مثال شهر ۱۵۰هزار نفری ریكیاویك مركز ایسلند تماما به وسیله آب داغ تولیدی از مخزن های زمین گرمایی مجاور شهر تامین می شود.

كشاورزی
عمده ترین كاربرد انرژی زمین گرمایی در زمینه فعالیت های كشاورزی، تامین گرمایش گلخانه ها است. البته در برخی از مناطق سردسیر از حرارت آب داغ مخزن های زمین گرمایی برای گرم كردن خاك های كشاورزی نیز به كار می رود. این نوع كاربرد در كشورهای سردسیر بسیار گسترش دارد. از جمله محصولاتی كه به كمك این انرژی كشت می شوند می توان به خیار، گوجه فرنگی، انواع گل ها، گیاهان خانگی، نهال درختان و انواع كاكتوس ها اشاره كرد. در بین كشورهای جهان مجارستان از نظر استفاده از گلخانه های زمین گرمایی مقام نخست را دارد. برای گرم كردن گلخانه ها معمولا یا آب داغ را از لوله های فلزی عبور می دهند یا اینكه همانند سیستم های گرمایشی خانه ها از پره های رادیاتور استفاده می كنند، یا آب داغ را از درون شبكه متراكمی از لوله ها كه در پشت آنها یك فن قوی وجود دارد، عبور می دهند. علاوه بر مجارستان كشورهایی نظیر ایسلند، چین، یونان، نیوزیلند و روسیه نیز در زمینه گلخانه های زمین گرمایی فعال هستند.

دامپروری
به كمك انرژی زمین گرمایی می توان انواع مختلف آبزیان را نیز پرورش داد. امروزه در سطح جهان از انرژی زمین گرمایی برای پرورش و رشد آبزیانی نظیر میگو، قزل آلا، صدف و همچنین آبزیان آكواریومی استفاده می شود. نظر به اینكه درجه حرارت بهینه برای پرورش انواع مختلف آبزیان برای هر یك از آنها میزان مشخصی است ،با استفاده از انرژی زمین گرمایی می توان درجه حرارت حوضچه های پرورش را در حد مطلوب تامین كرد و آن را در تمام طول سال ثابت نگه داشت. بدین ترتیب می توان مقدار تولید انواع مختلف آبزیان را به میزان قابل توجهی افزایش داد. به عنوان مثال رشد بهینه ماهی قزل آلا در درجه حرارت ۵۱۵ درجه سانتیگراد است.
كشورهایی مانند ایسلند، گرجستان، تركیه، نیوزیلند، ژاپن و چین از جمله كشورهای پیشرو در زمینه استفاده از انرژی زمین گرمایی برای پرورش آبزیان هستند. در حال حاضر ۱۶ كشور از چنین تاسیساتی بهره می گیرند.
كاربردهای صنعتی
این دسته از كاربردهای انرژی زمین گرمایی هنوز مانند سایر مصارف انرژی زمین گرمایی در سطح جهان گستردگی چشمگیری ندارد. با این وجود، در حال حاضر حدود ۱۹ كشور جهان از این انرژی در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می كنند. به عنوان مثال می توان به موارد زیر اشاره كرد:

تولید برات و اسید بوریك از سیال های زمین گرمایی در ایتالیا
استحصال نفت در روسیه پاستوریزه كردن شیر در رومانی تولید چرم در اسلوونی و صربستان تولید گاز دی اكسید كربن در ایسلند و تركیه

تولید كاغذ و قطعات خودرو در مقدونیه تولید خمیر كاغذ، كاغذ و چوب در نیوزیلند.
درمان بیماری ها
این كاربرد نیز بسیار قدیمی بوده و از روزگاران دور اقوامی چون رومی ها، چینی ها، ژاپنی ها، عثمانی ها و ساكنان سایر نواحی كره زمین به منظور استحمام و درمان بیماری های گوناگون از آب های گرم طبیعی زمین استفاده می كردند.
در حال حاضر حدود ۴۵ كشور جهان از چشمه های آب گرم خود برای این منظور استفاده می كنند. در ارتباط با توسعه چنین مراكزی، شواهد و نمونه های متعددی را می توان در سطح جهان معرفی كرد. به عنوان مثال، ژاپنی ها با بهره گیری از بیش از ۲۲۰۰ كانون تفریحی مرتبط با چشمه های آبگرم، سالانه قریب به صد میلیون مهمان و گردشگر را پذیرا هستند.
امروزه از آب های گرم دارای حرارت بیش از ۵۰ درجه سانتیگراد برای درمان بیماری هایی نظیر فشار خون بالا، روماتیسم، بیماری های پوستی و بیماری های دستگاه عصبی استفاده می شود.

ذوب برف جاده ها
به كمك انرژی زمین گرمایی می توان برف یا یخ جاده ها و پیاده روها را نیز ذوب كرد. گسترش این نوع كاربرد نسبت به سایر موارد انرژی زمین گرمایی محدودتر است. امروزه در سراسر جهان به كمك انرژی زمین گرمایی حدود ۵۰۰هزار متر مربع از مسیر پیاده روها و جاده ها گرم می شوند كه بخش اعظم آنها نیز در كشور ایسلند وجود دارند. در حال حاضر به جز كشور ایسلند، كشورهایی چون آرژانتین، آمریكا و ژاپن نیز برای ذوب برف جاده های خود از انرژی زمین گرمایی بهره می گیرند.همان گونه كه پیشتر اشاره شد جنبه های گوناگون كاربرد انرژی زمین گرمایی به سرعت در حال افزایش است و مرتبا به كشورهای بهره مند از این انرژی افزوده می شود. میزان گسترش موارد كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی در سراسر جهان در جدول ذیل آمده است. یادآور می شود كه پمپ های حرارتی زمین گرمایی نوعی سیستم تهویه گرمایش و سرمایش است. همان گونه كه می دانیم، درجه حرارت زیرزمین تا اعماق كم ۲ تا ۱۵ متری تقریبا در تمام طول سال ثابت است. بنابراین با استفاده از این پدیده طبیعی می توان گرمایش و سرمایش منازل را در زمستان و تابستان فراهم كرد. در واقع سازوكار اصلی این سیستم های تهویه، تبادل حرارت با بخش های كم عمق زمین است، بدین معنی كه در فصل تابستان، حرارت را از داخل منازل به زمین منتقل می كنند و در زمستان، حرارت زیرزمین را به داخل فضاهای مسكونی هدایت می كنند.
مزیت های كاربرد انرژی زمین گرمایی
امروزه تولید انرژی به كمك منابع سوخت های فسیلی یا نیروگاه های هسته ای با آلودگی قابل ملاحظه محیط زیست همراه است، ولی انرژی زمین گرمایی علاوه بر تجدیدپذیر بودن در مقایسه با سایر منابع تولید انرژی، آلایندگی كمتری دارد و جزء منابع پاك انرژی به شمار می رود. میزان آلودگی نیروگاه ها یا طرح های كاربرد مستقیم زمین گرمایی، ارتباط مستقیمی با درجه حرارت منبع زمین گرمایی دارد. به این ترتیب كه منابع حرارت بالا نسبت به انواع حرارت پایین، آلودگی بیشتری تولید می كنند و همچنین طرح های كاربرد مستقیم نیز كمتر از نیروگاه های زمین گرمایی، محیط زیست را آلوده می كنند. به طور كلی مزیت های انرژی زمین گرمایی را می توان به دو دسته كلی مزایای زیست محیطی و كاربردی تقسیم بندی كرد.
مزیت های زیست محیطی كاربرد انرژی زمین گرمایی شامل موارد زیر است:
1. عدم آلودگی هوا
2. تولید CO2 كم، تولید H2S پایین و عدم تولید NOx
3. عدم آلودگی منابع آب های زیرزمینی
4. عدم نیاز به زمین وسیع

امروزه به دلیل تزریق سیال خروجی از نیروگاه ها و سایر طرح های كاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی، میزان آلایندگی این قبیل طرح ها به حداقل مقدار خود رسیده است.

مزایای كاربردی
1. صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی
2. طولانی بودن زمان دسترسی

3. گستردگی موارد كاربرد
4. مستقل بودن از شرایط جوی
5. امكان تولید برق به وسیله واحدهای قابل حمل

میزان دی اكسید گوگرد تولید شده در نیروگاه های زمین گرمایی حدود ۸ درصد مقدار تولید شده در نیروگاه های فسیلی است. در خصوص دی اكسید كربن نیز نیروگاه های زمین گرمایی در وضعیت بسیار مناسب تری نسبت به نیروگاه های فسیلی قرار دارند. بدین معنی كه مقدار گاز CO2 تولید شده در نیروگاه های زمین گرمایی به ترتیب معادل ۱۵ درصد نیروگاه های گاز سوز، ۱۰ درصد نیروگاه های نفت سوز و ۸ درصد نیروگاه های زغال سنگ سوز است.
منابع و مآخذ: اینترنت سایتهای:

www.knowclub.net www.aftab.ir www.suna.org.ir