بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهاي بهبود یافته زمینگرمایی با سیال کاري دي اکسید کربن توجه ها را به دلیل مزایاي بیشتر در هنگام تولید توان به خود جلب کرده اند. در این مقاله سیستم هاي بهبود یافته زمین گرمایی فوق بحرانی به وسیله روش هاي عددي با تمرکز بر اثر دبی جرمی سیال، نفوذپذیري در منبع و نوع سیال که آب یا دي اکسید کربن باشد شبیه سازي شده اند.افزایش دبی دي اکسید کربن تزریقی باعث افت بیشتر فشار بین چاه هاي تزریق و برداشت میشود و موجب کاهش دماي سیال خروجی و همچنین عمر سیستم میگردد. با افزایش نفوذپدیري در منبع، سیال راحت تر جریان پیدا میس کند و دچار افت فشار کمتري می شود. شبیه سازي نشان می دهد براي یک عمر مشخص سیستم، افت فشار آب با دبی5 کیلوگرم بر ثانیه دو برابر افت فشار دي اکسید کربن با دبی 10 کیلوگرم بر ثانیه است، اما انرژي استخراج شده آب %11 بیشتر است. سعی شده است این مطالعه مقدمهاي کامل براي مطالعات بیشتر در شبیهسازي و استفاده کاربردي سیستمهاي بهبود یافته زمین گرمایی باشد.
واژههاي کلیدي: سیستم بهبود یافته زمین گرمایی، فوق بحرانی، شبیه سازي، دي اکسید کربن
-1 مقدمه
امروزه اهمیت انرژي هاي نو بر کسی پوشیده نیست. 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 کیلومتري از سطح زمین میگردد. به طورمیانگین میزان انتشار این حرارت از سطح زمین که فرایندي مستمر است معادل 82 میلی وات در واحد سطح است که با در نظر گرفتن مساحت کل سطح زمین مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن، برابر با 42 میلیون مگاوات است. انرژي زمینگرمایی انرژي حرارتی موجود در پوسته جامد زمین میباشد.
این انرژي در امتداد مرزهاي صفحات تکتونیکی، در نواحی شناخته شده آتشفشانی و زلزلهخیز که داراي شکستگیها و گسلهاي فراوانی هستند، از تمرکز بیشتري برخوردار است. انرژي زمینگرمایی در واقع انرژي تجدیدپذیري است که از گرماي ماگماي داغ و تخریب مواد رادیواکتیو موجود در اعماق زمین به دست میآید. از ابتداي قرن حاضر تلاشهاي زیادي به منظور تبدیل این انرژي به برق صورت گرفته است اما انگیزه واقعی بهرهبرداري از این نوع انرژي به بعد از سالهاي 1973-1974 برمیگردد.[1]استفاده مستقیم از انرژي زمینگرمایی به معناي بهرهبرداري بدون واسطه از انرژي حرارتی درون زمین است. در این حالت، انرژي زمینگرمایی به انرژي الکتریکی تبدیل نمیشود بلکه به صورت مستقیم از انرژي حرارتی آن استفاده میگردد.
استفاده غیرمستقیم از انرژي زمین گرمایی همان تولید برق به وسیله گرما و یا بخار خروجی از منابع زمین گرمایی است. به منظور تولید برق از انرژي زمینگرمایی، آبهاي داغ یا بخارات داغ طبیعی از درون چاههاي حفر شده به سطح زمین هدایت میشوند و جهت به چرخش درآوردن توربین مورد استفاده قرار میگیرند.[2]امروزه استفاده از سیال فوق بحرانی در سیستمهاي بهبود یافتهي زمین گرمایی افق تازهاي به روي انرژيهاي نو گشوده است. چرا که این سیستمها داراي انعطاف پذیري بالایی هستند و سیالات گوناگونی را می توان در آنها استفاده نمود. اما در این میان، صرفه اقتصادي سیالات مذکور نیز حائز اهمیت است. در این مطالعه هدف اصلی مقایسه دو سیال متداول در سیستمهاي بهبود یافته زمین گرمایی - آب و دي اکسید کربن - می باشد و در کنار آن سعی شده است به ابهاماتی نظیر میزان گرماي استخراج شده و میزان دبی جرمی مورد نیاز سیال در واحد انرژي برداشت شده نیز پاسخ داد.
-1-1 منابع زمین گرمایی و سیستم هاي بهبود یافته زمین گرمایی
به طور کلی براساس ویژگیهاي زمینشناسی، هیدرولوژیکی و انتقال حرارت، مخازن زمینگرمایی به چهارگروه اصلی مخازن گرمابی، مخازن سنگ داغ خشک، مخازن زمین تحت فشار و مخازن ماگماتیک طبقه بندي میشوند. در صورتی که منبع حاوي آب یا بخار باشد و به دلیل نزدیکی به گدازه ها دماي بالایی داشته باشد به آن ها گرمابی گفته می شودح در صورتی که دما و فشار آن ها تنها به دلیل افزایش عمق رسوبات باشد به آن ها زمین تحت فشار گفته می شود. مخازن سنگ داغ و خشک بر خلاف مخازن گرمابی حاوي سیال نیستند و حرارت موجود در آن ها صرفا به دلیل گرادیان دما در راستاي عمق زمین می باشد. این گونه منابع زمینگرمایی از سنگهاي متراکم داغ و فاقد تخلخل و تراوایی طبیعی تشکیل شدهاند.
در این مخازن به صورت مصنوعی و مکانیکی و با روشهاي آبشکنی و انفجار در منبع شکستگی و تراوایی مصنوعی به وجود میآورند. فراوانی این مخازن به دلیل عدم نیاز به سیال جهت بهره برداري از منابع دیگر بالا تر است اما بهره برداري از آن ها چالش بزرگی است.[3]سیستم هاي بهبود یافته زمین گرمایی روي مخازن سنگ داغ و خشک نصب می شوند . بخار و آب هاي داغ زمین گرمایی تنها بخشی کوچک از منابع زمین گرمایی هستند. شرایطی که بتواند باعث سیرکوله شدن آب به سطح زمین شود تنها در 10درصد از مناطق خشک سطح زمین وجود دارد. قبل از به وجود آمدن این سیستم ها در چاه ها حفر شده با روش هاي ذکر شده شکست به وجود می آید و از یک چاه براي تزریق و برداشت سیال استفاده می شود که به سیستم هاي سنگ داغ و خشک معروف بوده.
به دلیل زمان و سطح تماس کم سیال با منبع، دبی تزریقی محدود است. در سیستم هاي بهبود یافته زمین گرمایی این مشکل بر طرف شده است. در این سیستم ها تعدادي چاه با فاصله 100 تا 300 متر حفر می شوند و ازطریق آبشکنی و انفجار در منبع شکستگی و تراوایی مصنوعی به وجود میآید. سپس سیال از چاه هاي تزریق وارد و با عبور از محیط متخلخل منبع و دریافت گرما به چاه برداشت رسیده و جهت استحصال انرژي از چاه تزریق خارج می شود. به دلیل زمان بیشتر و سطح تماس بالاي سیال و منبع گرماي استخراج شده از این سیستم ها بسیار بیشتر از نیروگاه هاي سنگ داغ خشک سنتی است.[4]
-2-1 سیال فوق بحرانی
نقطه بحرانی یک سیال به وسیله شرایط زیر شناخته می شود. که در انها ب فشار ، ب حجم مولی و 1 دماي مطلق است.با استفاده از این تعریف ها موقعیت ناحیه فوق بحرانی را روي نمودار 1بب می توان مشخص کرد. نمودارهاي 1ب ماده اي دلخواه - به عنوان مثال آب - با نقطه بحرانی بحه در شکل - - 1 نشان داده شده است. ناحیه فوق بحرانی در این نمودار ناحیه بالاي نقطه بحرانی است. در نقطه بحرانی و نزدیکی آن بی ثباتی زیادي در چگالی و انرژي مشاهده می شود. در ناحیه فوق بحرانی سیال رفتاري شبیه به گاز دارد و می تواند پراکنده و متفرق شود اما همانند مایع می تواند مواد را در خود حل کند لذا در این حالت نمی توانیم سیال را به گاز یا مایع نسبت دهیم و آن را حالت جدیدي از ماده معرفی می کنیم.[5]
-2 پژوهش هاي پیشین
در سال 2000 با هدف کشف منابع فوق بحرانی پروژه عظیمی تحت عنوان پروژه حفاري عمیق ایسلند با هدف کشف منابع غیر معمول زمین گرمایی شروع به کار کرد. در این پروژه چاه هاي اکتشاف در سه مرحله تا عمق 5 کیلومتر حفر شدند و با شروع تست چاه ها مشخص شد سیال با درجه حرارت خروجی برابر از چاههاي فوق بحرانی نسبت به چاههاي معمولی زمین گرمایی دو مزیت دارند. آنتالپی بالا که توان تولیدي بالاتر در واحد جرم را تضمین می کند و فشار بالا که چگالی سیال را بالا نگه می دارد و باعث داشتن دبی جرمی بالاتري می شود. خواص شیمیایی و فیزیکی سیال استخراجی تکنولوژي مورد استفاده در تولید توان را تعیین می کند. با کشف هر منبع زمین گرمایی و در مراحل تست نیاز به مدل سازي منابع بیش از پیش به چشم می خورد. در صنایع استخراج نفت و زمین گرمایی جهت تعیین فاکتورهایی مانند تخلخل منبع، ضریب سطح و تراکم پذیري تست هاي فشار و دبی جرمی انجام می شوند. صحت انجام این تست ها همواره در گرو انجام مدلسازي صحیح از منبع می باشد.[6]
