انرژی زمین گرمایی و کاربردهای آن در ایران

بطور کلی استفاده‌های مستقیم از انرژی زمین‌گرمایی را میتوان در چند گروه طبقه بندی کرد  که در هر گروه کاربردهای مختلفی وجود دارد که با توجه به شرایط اقتصادی، اجتماعی، جغرافیایی و اکولوژیکی هر منطقه  مواردی خاصی قابل استفاده می باشد:

-      تامین گرمایش ساختمان‎ها (District heating)

-      کاربردهای کشاورزی (Agricultural applications)

-      کاربردهای صنعتی (Industrial applications)

-      استحمام و آبدرمانی (Bathing and balneology)

-      ذوب برف و یخ (Snow and ice melting)

-      پمپ حرارتی زمین‌گرمایی (Geothermal heat pump)

استفاده حرارتی از انرژی زمین‌گرمایی در مقایسه با تولید برق از ابعاد گسترده تری در سطح جهان برخوردار می‌باشد. بدلیل اهمیت روز افزون این کاربردها، در این نوشتار سعی شده تا با دسته بندی آنها اطلاعاتی اولیه در ارتباط با استفاده حرارتی ارائه گردد. لذا هریک از موارد استفاده مستقیم از انرژی زمین‌گرمایی، در ذیل  با تفصیل بیشتری مورد بررسی قرار میگیرد. استفاده هــای گرمـایشی

استفاده‌‌های گرمایشی ازمنابع آبگرم پس از جاذبه‌های گردشگری و آبدرمانی سنتی، قدیمیترین و رایج ترین نوع استفاده از این منابع است. تأمین گرمایش ساختمانها به صورت مستقل و منفرد(Space heating) و یا بطور محلی و منطقه‎ای (District heating) انجام می‎گیرد. آب گرم مورد نیاز با دمایی حدوداً  Cْ 60 یا بیشتر جهت تأمین حرارت یک سیستم گرمایش منطقه‎ای از یک یا چند چاه حفر شده در یک مخزن زمین‌گرمایی تأمین می‎گردد. آبهای زمین‌گرمایی از درون یک مبدل حرارتی عبور نموده و از این طریق حرارت آنها به آب سرد منتقل می‌گردد. سپس این آب گرم شده به منازل و ساختمانها لوله کشی شده و با استفاده از یک رادیاتور معمولی حرارت لازم  جهت گرمایش ساختمان تامین می شود.

استفاده حرارتی از انرژی زمین‌گرمایی به معنای بهره‌برداری از انرژی حرارتی درون زمین است در این حالت، انرژی زمین‌گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل نمی‎شود بلکه به صورت مستقیم از انرژی حرارتی آن استفاده می گردد. بطور کلی مخازن زمین‌گرمایی که دمای آنها کمتر از 150 درجه سانتیگراد هستند برای تبدیل به انرژی الکتریکی دارای توجیه اقتصادی بالایی نیستند. لذا این گونه مخازن زمین‌گرمایی جهت بهره‌گیری مستقیم از انرژی حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند که برخی از این موارد عبارتنداز: تامین گرمایش ساختمانها (گرمایش ناحیه‎ای)، ایجاد استخرهای شنا، مراکز استحمام و حمامهای آبدرمانی، استفاده‎های کشاورزی (عمدتاً در گرمایش گلخانه‎ها و دامداریها)، پرورش آبزیان (فراهم کردن گرمای حوضچه‎ها و کانالهای پرورش ماهی)، فرآیندهای صنعتی و پمپ‌های حرارتی(برای گرمایش و تبرید).

به طور کلی، درجه حرارت سیال زمین‌گرمایی مورد نیاز برای استفاده حرارتی به مراتب کمتر از میزان مورد نیاز برای تولید الکتریسته میباشد ولی نرخ استحصال حرارت در این حالت بمراتب بیشتر از  تولید الکتریسته است. 

محیط زیست کره زمین در سالهای 1960 میلادی نسبت به امروز بسیار سالمتر بوده است. متأسفانه با پیشرفت سریع علوم و تکنولوژی، بشر توجهی به عواقب آلاینده‌های حاصل از پیشرفت صنایع به ویژه تولید کننده‌های انرژی نکرده است. در این راستا می توان انرژی زمین گرمایی را نسبت به سایر انرژی‌ها کم آلاینده‌تر دانست. انرژی زمین‌گرمایی امروزه یکی از تمیزترین انرژی‌های مورد استفاده در جهان است. استفاده از این منبع انرژی با انتشار اتمسفری کم، دارای اثرات سودمندی بر محیط زیست می باشد. به حقیقت باید قبول کرد که تا به امروز انرژیی شناخته نشده است که کاربرد مستقیم و غیرمستقیم آن به این میزان دارای آلودگی زیست محیطی ناچیزی باشد. البته همانگونه که اشاره شد بهره‌برداری از انرژی زمین گرمایی نیز از آلودگیهای زیست محیطی مبرا نیست ولی میزان این آلودگیها نسبت به منابع انرژی دیگر بسیار ناچیز است.میزان اثرات مخرب زیست محیطی تولید نیرو از انرژی زمین‌گرمایی وابسته به حجم و مقدار بهره‌برداری از سیال موجود در مخزن است[. شرایط و مقررات زیست محیطی براساس قوانین موجود در هر کشور تفسیر می‌گردد لذا دایرکنندگان نیروگاه‌های  زمین‌گرمایی موظف به رعایت قوانین کشور خود می‌باشند. در برخی کشورها رعایت دستورالعمل‌های زیست محیطی بسیار جدی است و راه‌گریزی برای سرمایه‌گذاران وجود ندارد. سازمانهای تولید انرژی قبل از هر اقدامی باید تغییرات زیست محیطی را به دقت مورد ارزیابی قرار دهند و قوانین مربوط به آن را بطور کامل رعایت نمایند. به‌طوری ‌که گفته شد در برخی کشورها بی توجهی به مسائل زیست محیطی موجب توقف کامل پروژه از سوی مسئولین شده است. در هر پروژه زمین‌گرمایی حفاریهای اکتشافی و توسعه‌ای از قبیل حفر چاه‌های کم ژرفا برای اندازه‌گیری شیب حرارتی و یا حفاری چاه‌های عمیق، موجب اندکی آلودگی در محیط می گردد. نصب و برقراری دکل‌های حفاری و دسترسی به آنها مستلزم تسطیح راه، ساخت سکوهای حفاری، انبار، محل سکونت کارکنان وغیره می‌باشد و لازم است درتسطیح راه‌ها امکان حمل تجهیزات سنگین با تریلر‌های بزرگ را در نظر گرفت. جهت نصب دکل‌های متحرک مستقر بر روی تراکهای کوچک (که قادر به حفاری چاه‌های  300 تا 700 متری می‌باشند) محلی در حدود 300 تا 500 مترمربع زمین مورد نیاز است. برای حفاریهای عمیق بالاتر از 2000 متر نیاز به محلی به مساحت 1200 تا 1500 متر مربع می‌باشد. در عملیات تسطیح، آماده سازی محل و اصلاح پستی و بلندها توجه به حفظ طبیعت موجود و سلامت گیاهان و جانوران موجود الزامی است. در مواردی که حفاری چاه مواجه با سفره های آبی ‌شود لازم است در آن لایه لوله جداری گذاشته شود تا از نفوذ مواد گل حفاری به آبهای زیرزمینی جلوگیری شود. درصورت فوران چاه زمین‌گرمایی آلودگی آبهای سطحی و زیرزمینی دور از انتظار نیست لذا نصب فورانگیر در حفاریهای زمین گرمایی الزامی است. در طول زمان حفاری و زمان آزمایش چاه ممکن است گازهای ناخوشایند و بدبو به هوا پخش گردد که لازم است اقدامات لازم در خصوص کاهش میزان این گازها صورت گیرد. مواد گل حفاری ترکیبی از بنتونیت و سایر مواد افزودنی زیان بخش برای محیط زیست می‌باشند، لذا پس از اتمام کار باید گل حفاری از سیال جداسازی شده و دو باره به مصرف برسد. اما مواد جامد (گل حفاری) و خرده سنگ های خارج شده از چاه باید در چاله مخصوصی جمع‌آوری ‌شود.

حداقل 80 کشور به طور بالقوه علاقمند به توسعه انرژی زمین‌گرمایی هستند که در حال حاضر از بین آنها، حدود 50 کشور از این انرژی استفاده می‎کنند. یک بررسی جهانی  نشان داده است که رقم کل سرمایه‎گذاریها در انرژی زمین‌گرمایی طی سالهای 1973 تا 1992 به رقمی حدود 22 میلیارد دلار بالغ گردیده است. در طی دو دهه 70 و 80، تعداد 30 کشور هر کدام بیش از 20 میلیون دلار، 12 کشور بیش از 200 میلیون دلار و 5 کشور بیش از 1 میلیارد دلار در این راه سرمایه‎گذاری کردند. در طی یک دهه یعنی از سال 1973 تا سال 1982  سرمایه‎گذاری دولتی به حدود 6/4 میلیارد دلار و سرمایه‎گذاری بخش خصوصی به 3 میلیادر دلار بالغ گردیده است.

در این بخش از وبلاگ قصد دارم اطلاعاتی در مورد آلودگیهای زیست محیطی نیروگاههای زمین گرمایی در اختیار دوستان قرار دهم. البته باید این نکته را یادآوری نمایم که انرژی زمین گرمایی جزء انرژیهای نو میباشد و تصور کلی بر این است که انرژیهای نو فاقد آلودگیهای زیست محیطی میباشند. ولی برداشت صحیح این است که این نو انرژیها در مقایشه با انرژیهای نو دارای آلودگیهای زیست محیطی ناچیزی میباشند و هنوزمقداری آلاینده به شکلهای مختلف وارد محیط میکنند. وظیفه مخصصین و توسعه دهندگان این نوع انرژیها است که این میزان ناچیز آلایندهها را هم کنترل کنند.  بطور کلی اثرات زیست محیطی پروژه های زمین گرمایی را میتوان بصورت زیر خلاصه کرد:

 - آلودگیهای هوا

- آلودگی آبهای سطحی و زیر زمینی

- آلودگی صوتی

- اثرات بر پوشش گیاهی

-  اثرات بر جامعه جانوری

- اثرات بر زمین شناسی سطحی و خاک

- اثرات اجتماعی و اقتصادی

- ........

در آینده انشالله به بررسی هر کدام از موارد فوق پرداخته و  اثرات زیست محیطی توسعه منابع زمین گرمایی را با دیگر انرژیهای نو و سوخت های فسیلی مقایسه خواهم نمود.  

در این مطالعه برای تهیه نقشه مناطق پتانسیل دار انرژی زمین گرمایی در ایران از سیستم اطلاعات جغرافیایی (ساج) بعنوان نرم افزار پشتیبان تصمیم گیری استفاده شده است. هدف از این مطالعه تعیین مناطق پتانسیل دار انرژی زمین گرمایی در ایران بعنوان پایه مطالعات تکمیلی جهت اکتشاف و بهره برداری از انرژی طبیعی، پاک و سازگار با محیط زیست برای نیل به اهداف توسعه پایدار در برنامه چهارم کشور می باشد. پس از بررسی مطالعات انجام شده در کشورهای صاحب تکنولوژی اکتشاف و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی، شواهد و مظاهر طبیعی سطحی که نشانگر وجود انرژی زمین گرمایی در اعماق بوده و می توانند به عنوان شاخص در مکانیابی مناطق دارای پتانسیل دار باشند تعیین گردیدند. سپس اطلاعات و داده های موجود در کشور با دادهای مورد نیاز تطبیق داده شده و مدل مفهومی مکانیابی انرژی زمین گرمایی تهیه گردید. برای تعیین مناطق پتانسیل دار لایه های اطلاعاتی در سه گروه بصورت موضوعی شامل
زمین شناسی، ژئوشیمی و ژئوفیزیک طبقه بندی شدند. سپس این لایه ها با برنامه نویسی در محیط ساج با توجه به میزان اهمیت آنها در شناسایی منابع انرژی زمین گرمایی با هم  تلفیق شده و مناطق دارای پتانسیل مشخص گردیدند.   با اجرای مدل ساج برای اکتشاف منابع زمین گرمایی در نهایت 18 منطقه دارای پتانسیل انرژی زمین گرمایی در ایران مشخص گردید. این مناطق جهت انجام مطالعات اکتشافی تفصیلی برای شناسایی و تعیین میزان دقیق انرژی قابل استحصال پیشنهاد می گردد.

برای دیدن اصل مقاله به این آدرس مراجعه نمایید

 http://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/SGW/2007/yousefi.pdf

کاربردهای انرژی زمین‌گرمایی بطور کلی به دو بخش عمده طبقه بندی می‎گردد.

-       تولید برق

-       استفاده مستقیم از انرژی حرارتی 

تولید برق
به منظور تولید برق از انرژی زمین‌گرمایی، آبهای داغ یا بخارات داغ طبیعی از درون چاه‌های حفر شده به سطح زمین هدایت شده و جهت به چرخش درآوردن توربین مورد استفاده قرار می‎گیرند. آب داغ یا بخار داغ در نیروگاه‌های زمین‌گرمایی با گردش توربین‌های خاص و مولدهای مربوطه باعث تولید برق می‎گردد. برخلاف نیروگاه‌های سوخت فسیلی هیچ ماده سوختی در نیروگاه‌های زمین‌گرمایی بکار برده نمی‎شود. ایتالیا اولین کشوری بود که در سال 1904میلادی توانست از انرژی زمین‌گرمایی نیروی برق تولید کند. چنانکه در میدان زمین‌گرمایی در ناحیه لاردرلو ایتالیا در سال 1940نیروی برقی بالغ بر 137مگاوات الکتریکی تولید می‎شد که در جریان جنگ جهانی دوم آماج بمباران هوایی قرار گرفت و از بین رفت.این نیروگاه پس از جنگ بازسازی شده و مورد بهره‌برداری مجدد قرار گرفت به‌ طوری‌که در سال 1975 ظرفیت آن بالغ بر 380 مگاوات الکتریکی گردید. پس از جنگ جهانی دوم کشور زلاندنو اولین کشوری بود که در سال 1958از دو واحد نیروگاه برق که بوسیله بخار آب داغ منابع زمین‌گرمایی تغذیه می‎شدند بطور اقتصادی بهره‌برداری کرد.در سال 1960ایالات متحده آمریکا در ناحیه بیگ گیزرز واقع در 150کیلومتری شمال سانفرانسیسکو در آمریکا از بخار خشک میدان زمین‌گرمایی نیروی برق تولید کرد. سپس در مدت 17 سال بیشتر کشورهای جهان از این انرژی برق استحصال کردند. 

بطور کلی براساس ویژگیهای زمین شناسی، هیدرولوژیکی و انتقال حرارت، مخازن زمین‌گرمایی بـه چـهارگـروه اصـلی طبـقه بـندی مـی‎شونـد.

 1-مـخازن گـرمـابی

۲- مخازن سنگ داغ خش

۳- مخازن زمین تحت فشار

۴- مخازن ماگماتیک

از آنجائیکه پیدایش مخازن زمین‌گرمایی یک پدیده طبیعی است، لذا هریک از انواع اصلی فوق به انواع فرعی تری نیز تقسیم می‎شوند. در این کتاب تنها به شرح عمده‎ترین آنها خواهد ‎شد. مخازن گرمابی Hydrotermal  ویژگی این سیستم وجود سنگهایی با تراوایی و تخلخل بالاست و اکثر سیستم های جهان که برای استفاده از انرژی زمین‌گرمایی مورد اکتشاف و بهره‌برداری قرارگرفته اند از این نوع می‎باشند. نیروی کنوکسیونی در این قبیل سیستم‎ها بدون شک از اهمیت بالایی برخوردار بوده و گرم شدن آب در اعماق غالباً به نفوذ ماگما ارتباط داده می‎شود، در نتیجه این امکان وجود دارد که بخشی از آب در حال چرخش نیز از سرد شدن ماگما تامین گردد. منبع حرارتی در این گونه سیستم ها حرارت تودة نفوذی ماگمایی در عمق کم می‎باشد. بطور کلی این قبیل سیستم‎های چرخشی غالباً با آتشفشانها و یا ولکانیسم های جوان همراه می‎باشند. مخازن گرمابی که یکی از عمده ترین ذخایر زمین‌گرمایی دنیا را تشکیل می‎دهند و به دو نوع مخزن فرعی آب بالنده (مخزن با برتری آب) و مخزن با بخار بالنده (مخزن با برتری بخار) تقسیم می‌شوند. 

 1) مـخازن گـرمـابی

1- 1- مخازن با آب بالنده (Water dominated)

مخازن با آب بالنده را بطور معمول مخازن آب داغ می‎نامند.  این مخازن که ترکیبی از آب و بخار است در آن درصد آب موجود در مخزن به مراتب بیش از درصد بخار موجود میباشد لذا بخش قابل توجهی از حجم مخزن توسط آب داغ اشغال شده است. در حال حاضر بیشتر مخازن زمین‌گرمایی از این نوع هستند ولی هزینه استخراج و بهره‌برداری از این مخازن بمراتب بیشتر از مخازن با برتری بخار (بخار بالنده) می‌باشد. طبق اطلاعات موجود بیش از 90 درصد مخازن زمین‌گرمایی کشف شده جهان از این نوع هستند. چون دمای آب ذخیره شده در این منابع از 25 تا 310  درجه سانتیگراد متغیر است. موارد کاربرد سیال استخراج شده از این مخازن نیز متفاوت می‌باشد. چنانکه از انرژی سیال داغ این نوع منابع زمین‌گرمایی می‎توان بطور مستقیم برای کاربردهای حرارتی و بطور غیر مستقیم در تولید نیروی برق بهره‎گیری کرد. مخازن آب داغ بطور معمول بوسیله آبهای سطحی و بارشهای جوی مجاور منطقه زمین‌گرمایی تغذیه می‎شوند، بعبارت دیگر آبهای سطحی و آب بارشهای جوی بتدریج در ژرفای زمین نفوذ کرده و منابع مذکور را تشکیل داده‎اند. دمای این مخازن به نوع و کیفیت سرچشمه حرارتی، رسانایی گرمایی سنگ مخزن، رسانایی سنگهای اطراف، ضخامت و نوع سنگ پوششی  بستگی دارد.

این هم یک عکس از همکلاسی های من در آزمایشگاه Energy Resource Engineering در دانشگاه کیوشو در شهر فوکواوکا در جنوب ژاپن

به تعیبری ساده، انرژی حرارتی موجود در زیر پوسته زمین، انرژی زمین‌گرمایی نامیده می‎شود. در حقیقت زمین منبع عظیمی از انرژی حرارتی است که این حرارت به طریقه‎های متفاوتی از جمله فورانهای آتشفشانی، آبهای موجود در سیستمهای زمین‌گرمایی و یا بواسطه خاصـیت رسـانایی (Heat flow) از بخش‌های درونی به سطح زمین هدایت می‎شود. حرارت زمین از مجموعه‎ای آتشین که بیش از 4 میلیارد سال پیش شکل گرفته و رفته رفته روبه انجماد گذاشته و هم اکنون نیز در حال سرد شدن است، سرچشمه می‎گیرد. هر چه به اعماق زمین نزدیکتر می‌شویم ، حرارت آن افزایش می‎یابد بطوری‌که این حرارت در هسته زمین به بیش از 5000 درجه سانتیگراد می‎رسد.

حرارت به طور مداوم از هسته زمین به خارج آن جریان می‎یابد و به لایه های سنگی در سطوح بالاتر منتقل میگردد. هنگامیکه حرارت و فشار کافی وجود داشته باشد برخی از سنگها ذوب شده و تشکیل مواد مذاب را می‎دهند که بدلیل سبکی آنها نسبت به سنگهای در برگیرنده به آرامی به سمت پوستة زمین حرکت کرده و حرارت را از عمق به سطح منتقل می‎نمایند. گاهی اوقات مواد مذاب به سطح زمین آمده و بر روی آن جاری می‎شوند که آن را گدازه می‎نامند. لیکن در اکثر موارد، مواد مذاب در زیر پوسته زمین باقی مانده و سبب گرم کردن سنگها و آبهای جوی نفوذی اطراف خود- گاه تا 370 درجه سانتیگراد می‌شود. مقداری از این آبهای زمین‌گرمایی داغ از طریق گسلها و شکافهای زیرزمـین به سطح راه یـافته و به صـورت چشمه‌هــای آب داغ وآبفشانهــا  (Geysers) ظاهر می‎شوند. لیکن بخش اعظم این آبها در داخل شکافها و فضاهای خالی موجود در سنگهای متخلخل پوسته محبوس شده و ذخیره‌ای طبیعی از آب داغ را فراهم می‎آ‎ورد که منبع زمین‌گرمایی یا سیستم زمین‌گرمایی نام دارد

ابتدایی‎ترین سرچشمه حرارتی زمـین در نتیجه تلاشی عناصر رادیو اکتیو(Radioactive decay) پتاسیم، توریم و سایر عناصری است که در پوسته زمین وجود دارند. اگرچه گرمای حاصل از تلاشی عناصر رادیواکتیو به تنهایی ناچیز به نظر می‏آید ولی پژوهشگران جهانی انباشته شدن حرارت حاصل از این تلاشی را- در طی میلیونها سال- یکی از عوامل اصلی منشأ حرارتی زمین می‌دانند. از دیگر عوامل تأمین حرارت منابع زمین‌گرمایی، نفوذ توده‎های مذاب آذرین (Magma) بـه لایـه‎های فوقانی پوسته زمین است که در نتـیجه فروریختن ثقلی (Gravitational collapse) طبـقات زمین در راستای برخورد کناره‎های قاره‎ای صورت می گیرد. این فرایند سرچشمه حرارتی عمیق پوسته زمین را بوجود می‌آورد. بعبارت دیگر مواد مذاب با استفاده از خاصیت رسانایی (Condution) و انتقال حرارت از طریق جریانهای همرفتی (Convection) به لایه‎های فوقانی زمین رسیده و حرارت لازم برای مخازن زمین‌گرمایی را تامین می‎کنند. بر پایه مطالعات و برآوردهای انجام شده مقدار حرارتی که بطور مداوم از داخل قشر زمین به اتمسفر نفوذ کرده و پخش می‎شود بالغ بر MWt 10⁷×3 (مگاوات حرارتی) است. با وجود این چنانچه میزان حرارت پخش شده در واحد سطح زمین را محاسبه کنیم به این نتیجه خواهیم رسید که بخش ناچیزی از حرارت داخل زمین در اتمسفر پخش می‎شود که در حقیقت نسبت به حرارت موجود در درون زمین بسیار ناچیز و غیر قابل مقایسه است بهره‏گیری از منابع گرمابی زمانی اقتصادی است که ذخایردارای حرارت کافی بوده و در ژرفای کم واقع شده باشند.

اکثر این منابع در کناره‎ها ویا در محدودة پهنه‎های زمین ساخت(Plate tectonic)  قرار گرفته‏اند که ضخامت قشر رویی کره زمین در آنجا نازک شده است. این منابع زمین‌گرمایی، حرارت خود را از توده مذاب ویا جامد سنگهای زیرین قشر کره زمین و بوسیله رسانایی از طریق جریانهای همرفتی  ناشی از گردش طبیعی آبهای زیرزمینی دریافت می‎کنند.  از بررسی آنومالیهای منابع زمین‌گرمایی و مطالعات ژئوشیمیایی چنین نتیجه گرفته شده است که آبهای سطحی و زیرزمینی با نفوذ به لایه‌های  عمیق زمین، حرارت سنگهای داغ را به منابع کم ژرفا یا به سطح زمین انتقال می‎دهند. این گردش حرارت بطور طبیعی در نتیجه اختلاف وزن مخصوص سیال گرم و سرد در داخل زمین انجام می‎شود.

یکی از عوامل اقتصادی مهم در بهره‎گیری از منابع زمین‌گرمایی، دسترسی به ذخایر با دمای بالا است که البته در ژرفای زیاد واقع شده‏اند. اما با تکنولوژی موجود حفر چاه‌های با ژرفای زیاد برای تولید انرژی زمین‌گرمایی اقتصادی نیست به‌طوری‌که در حال حاضرتنها آن قسمت ازمنابع زمین‌گرمایی که در ژرفای حدود 3000 متر واقع شده‎‏اند قابل بهره‌برداری بوده و اقتصادی می‎باشند Dickson and Faneli., 1995] [.