منابع انرژی های تجدیدپذیر در اطراف ما به وفور یافت می شود. حتی در زیر پای ما هم منبع عظیمی از انرژی نهفته است. در اعماق زمین، دما می تواند هزاران درجه بالاتر از آنچه در سطح احساس می کنیم باشد و این انرژی می تواند به طرق مختلف مهار و مورد استفاده قرار گیرد. در این مقاله، به معرفی انرژی زمین گرمایی یا ژئوترمال و مزایا و معایب و چالش های بهره برداری از آن می پردازیم، با ما در وبلاگ آداک، شرکت سازنده تابلو برق صنعتی در ایران همراه باشید.

انرژی زمین گرمایی از کجا می آید؟

انرژی ژئوترمال از گرمای زیر سطح زمین ناشی می‌شود که از شکل‌گیری اولیه سیاره و همچنین فروپاشی مداوم مواد رادیواکتیو در سنگ‌ها ناشی می‌شود. این گرما باعث می‌شود فعالیت‌های آتشفشانی و سنگ‌های مذاب جاری شوند، مرزهای صفحات تکتونیکی جابجا شوند و حتی آب‌فشان قدیمی وفادار در پارک ملی یلوستون فوران کند. انرژی زئوترمال یک منبع انرژی تجدید پذیر است زیرا گرما به طور مداوم در اعماق زمین تولید می شود.

مزایای انرژی زمین گرمایی چیست؟

انرژی ژئوترمال بر خلاف سوزاندن سوخت های فسیلی که دی اکسید کربن آزاد می کند، انتشار گازهای مضر بسیار کمی تولید می کند. انرژی ژئوترمال همچنین “بار پایه” است، به این معنی که در تمام طول سال و در تمام اوقات روز کار می کند. از نظر بهره وری انرژی، پروژه های انرژی زمین گرمایی قادر به تولید گیگاوات برق بدون تلفات زیاد هستند. در سال گذشته، انرژی ژئوترمال 3.673 گیگاوات برق بر اساس NREL تولید کرده است.

انواع مخازن زمین گرمایی

انواع مختلفی از مخازن زمین گرمایی زیر پای ما وجود دارد، از دمای بالا تا دمای بسیار پایین، همه با کاربردهای منحصر به فرد شامل:

مخازن با دمای بالا

بخار را می توان مستقیماً از مخازن با دمای بالا برای تأمین انرژی نیروگاه های بزرگ زمین گرمایی برداشت کرد. به طور کلی، یک مخزن ژئوترمال با دمای بالا معمولاً بیش از 150 درجه سانتیگراد است و در نزدیکی مناطق آتشفشانی فعال یافت می شود.

مخازن دمای متوسط

از مخازن ژئوترمال دمای متوسط می توان برای تولید بخار برای به حرکت درآوردن توربین ها استفاده کرد، البته با عملکرد پایین تر از مخازن با دمای بالا. این مخازن معمولاً بین 100 تا 150 درجه سانتیگراد هستند.

مخازن با دمای پایین

مخازن ژئوترمال بین 30 تا 100 درجه سانتی گراد به عنوان دمای پایین طبقه بندی می شوند و اغلب برای فرآیندهای صنعتی و سیستم های گرمایش مستقیم استفاده می شوند.

مخازن با دمای بسیار پایین

این مخازن تقریباً در همه جای زمین یافت می شوند و برای سیستم های پمپ حرارتی زمین گرمایی در مقیاس کوچک استفاده می شوند.

استفاده از انرژی ژئوترمال در نقاط مختلف جهان

انرژی زمین گرمایی را می توان با درجات مختلف سهولت در سراسر جهان تولید کرد. در کشورهایی مانند ایالات متحده، برای رسیدن به گرمای زمین گرمایی باید از حفاری استفاده شود. با این حال، در ایسلند، منابع گرمای ژئوترمال فراوان و دسترسی آسان است. بر اساس گزارش وزارت انرژی ایالات متحده و آزمایشگاه های ملی آن، ایالات متحده بیشترین مقدار انرژی زمین گرمایی را در بین کشورهای دیگر تولید می کند.

انرژی زمین گرمایی چگونه کار می کند؟

اصل اساسی هر سیستم انرژی ژئوترمال این است که انرژی حرارتی از هسته زمین می تواند در سطح زمین گرفته و استفاده شود. از طریق یک مبدل حرارتی، آب یا بخار می توانند این انرژی گرمایی را به سطح زمین منتقل کنند. پس از رسیدن به سطح، آب یا گرما می تواند برای اهداف مختلف از جمله گرمایش و سرمایش ساختمان ها استفاده شود.

روش های استفاده از انرژی زمین گرمایی

چندین فناوری زمین گرمایی توسعه یافته اند که از گرمای زمین برای موارد نهایی مختلف استفاده می کنند. معمولاً استفاده از انرژی زمین گرمایی برای تولید گرما یا برق در یکی از مقیاس‌های ممکن استفاده می‌شود.

سه روش اصلی برای استفاده از انرژی زمین گرمایی وجود دارد:

گرمایش مستقیم

گرمایش مستقیم (همچنین به عنوان استفاده مستقیم شناخته می شود) سیستم های ژئوترمال شامل استفاده مستقیم از گرمای پوسته زمین برای گرم کردن و خنک کردن آب و هوا است. فرهنگ های باستانی در روم و چین از چشمه های آب گرم طبیعی برای پخت و پز، گرم کردن، حمام کردن و غیره استفاده می کردند. امروزه در برخی مکان ها هنوز از چشمه های آب گرم برای حمام استفاده می شود. امروزه از چشمه های آب گرم طبیعی برای گرم کردن مستقیم ساختمان ها استفاده می شود. ساختمان‌های تجاری و حتی کل جوامع می‌توانند به سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای تکیه کنند که آب گرم شده طبیعی را از ساختمان‌ها برای تولید هوای گرم لوله می‌کنند.

علاوه بر این، گرمایش زمین گرمایی مستقیم در برخی از فرآیندهای صنعتی کاربرد دارد. به عنوان مثال، فرآیند پاستوریزاسیون شیر اغلب از حرارت مستقیم از منابع زمین گرمایی استفاده می کند.

تولید برق

از منابع ژئوترمال می توان برای تولید برق نیز استفاده کرد. نیروگاه های زمین گرمایی حلقه بسته G از آب یا بخار با دمای بالا از اعماق زمین برای چرخاندن توربین هایی که برق تولید می کنند استفاده می کنند. این نیروگاه ها باید در جایی ساخته شوند که مخازن زمین گرمایی بالا و متوسط وجود دارد. در ایالات متحده، این مخازن اغلب در ایالت های غربی مانند کالیفرنیا، آیداهو، نوادا، یوتا و آریزونا یافت می شوند.

پمپ های حرارتی

در مقابل گرمایش مستقیم، ما همچنین می توانیم از انرژی زمین گرمایی برای گرم کردن (و خنک کردن) ساختمان ها به طور غیرمستقیم استفاده کنیم. از مخازن زمین گرمایی با دمای بسیار پایین برای گرم کردن یا خنک کردن ساختمان ها استفاده کنید. پمپ های حرارتی بر این واقعیت تکیه دارند که دمای زمین در چند فوت زیر سطح کم و بیش در دمای ثابتی در تمام طول سال است، به این معنی که می توان از آن برای گرم کردن یا خنک کردن هوا استفاده کرد.

انواع مختلف نیروگاه های زمین گرمایی

همه نیروگاه های ژئوترمال بر اساس یک اصل اساسی کار می کنند: آنها از بخار برای چرخاندن توربین ها استفاده می کنند که برق تولید می کنند. سه نوع اصلی نیروگاه های زمین گرمایی وجود دارد: بخار خشک، بخار فلاش و سیکل دودویی.

نیروگاه های زمین گرمایی کاملاً بخار (dry steam)

یک نیروگاه زمین گرمایی بخار خشک از بخار استخراج شده از مخازن زیرزمینی از طریق یک چاه تولید برای چرخاندن توربین ها استفاده می کند. پس از چرخاندن توربین ها و تولید الکتریسیته، بخار به آب متراکم می شود و از طریق یک چاه تزریق به داخل زمین پمپ می شود. این نوع نیروگاه زمین گرمایی به نیروگاه بخار خشک معروف است. زیرا آبی که از داخل زمین استخراج می شود به صورت گاز است و هیچ آب مایعی مستقیماً از چاه تولیدی خارج نمی شود. اولین نیروگاه زمین گرمایی یک تاسیسات بخار خشک در لاردرلو ایتالیا بود.

نیروگاه های زمین گرمایی بخار تک مرحله ای (Single Flash Backpressure)

یک نیروگاه ژئوترمال بخار فلاش از بخار مستقیم زمین برای تولید برق استفاده نمی کند. در عوض، آب گرم را با فشار بالا در زیر زمین از طریق چاه تولیدی خود به داخل یک فلاش تانک که در فشار بسیار کمتری نگه داشته می شود، به سطح پمپ می کند. به دلیل فشار کم فلاش تانک، داغ و پرفشار به سرعت در مخزن تبدیل به بخار می شود که به «فلش زدن» معروف است. سپس از این بخار برای چرخاندن توربین ها و تولید برق استفاده می شود. مانند یک کارخانه بخار خشک، بخار به آب متراکم می شود و پس از استفاده از آن برای چرخاندن توربین ها، از طریق یک چاه تزریق به زمین بازگردانده می شود.

نیروگاه های زمین گرمایی دوفازی (Steam Flash)

یک نیروگاه ژئوترمال چرخه دودویی از آب در دماهای پایین تری نسبت به نیروگاه های بخار فلاش استفاده می کند که معمولاً بین 107 تا 182 درجه سانتی گراد است. به جای استفاده مستقیم از آب و بخار، نیروگاه های چرخه دوتایی از گرمای مخازن زیرزمینی برای گرم کردن سیال دوم با نقطه جوش کم استفاده می کنند که به عنوان سیال کار شناخته می شود. هنگامی که سیال عامل بخار می شود، برای چرخاندن توربین و تولید برق استفاده می شود.

مانند نیروگاه های بخار خشک و بخار فلاش، آب پس از استفاده برای گرم کردن سیال کار، از طریق یک چاه تزریقی به زمین بازگردانده می شود.

سیستم های زمین گرمایی پیشرفته

این سیستم (همچنین به عنوان EGS شناخته می شود) نوعی پروژه ژئوترمال است که از حفاری و شکستگی با سیال ژئوترمال برای تامین نقدینگی و نفوذپذیری در مناطق دارای سنگ های زیرزمینی خشک موجود استفاده می کند. سپس آب از طریق یک چاه تزریق پمپ می شود که گرما از آن می تواند جذب شود تا به بخار تبدیل شود که یک توربین را تامین می کند. برخلاف سوخت هایی مانند گاز طبیعی، این فرآیند هیچ گاز گلخانه ای یا انتشار مضر تولید نمی کند. با این حال می تواند منجر به افزایش فعالیت لرزه ای شود.

منبع: adakbn