قسمت اول – بهره‌برداري
در اين نوشتار كاربردهاي گوناگون انرژي زمين گرمايي به طور اجمال مورد بررسي‌قرار مي‌گيرد. به دليل گستردگي موارد مزبور سعي شده است كه تا حدامكان مهمترين كاربردهاي انرژي زمين گرمايي مطرح شود.
پس از انجام مطالعات اكتشافي و نيز حفر چاههاي اكتشافي و توليدي در يك ميدان‌زمين گرمايي، نوبت به استفاده از مخزن يا مخازن زمين گرمايي مربوط، مي‌رسد. درواقع درجه حرارت منبع زمين گرمايي، تعيين كننده نوع كابرد آن است. امروزه منابع‌زمين‌گرمايي را بر اساس درجه حرارت مخزن به سه دسته كلي حرارت بالا، متوسط وپايين تقسيم مي‌كنند. مبناي اين تقسيم بندي، درجه حرارت مخزن در عمق يك كيلومتري‌زمين است. به اين ترتيب كه اگر درجه حرارت مخزن در عمق مزبور بيش از 200 درجه‌سانتيگراد باشد آن را حرارت بالا مي‌نامند. درجه حرارت مخازن حرارت متوسط و پايين‌به ترتيب بين 150 تا 200 و كمتر از 150 درجه سانتيگراد است.
امروزه از مخازن زمين گرمايي به دو صورت عمده توليد برق و كاربرد مستقيم انرژي‌حرارتي استفاده مي‌شود.
توليد برق
به منظور توليد برق از انرژي‌زمين‌گرمايي، سيال مخزن (آب داغ يا بخار) ازطريق چاههاي حفر شده به سطح زمين‌هدايت و پس از به چرخش در آوردن توربين‌در نيروگاه، برق توليد مي‌شود.
بديهي است كه از مخازن حرارت بالا، بيشتر براي توليد برق استفاده مي‌شود.سيكلهاي توليد برق نيروگاههاي زمين‌گرمايي مختص اين قبيل نيروگاههابوده و با سيكلهاي توليد برق نيروگاههاي‌متعارف فرق مي‌كنند.
ايتاليا نخستين كشوري بود كه در سال1904 توانست از انرژي زمين گرمايي، برق‌توليد كند. در سال 1930 نيروگاه زمين‌گرمايي‌لاردرللو اين كشور بالغ بر 137 مگاوات برق‌توليد مي‌كرد. در جريان جنگ دوم جهاني اين‌نيروگاه منهدم شد و ظرفيت توليد آن پس ازبازسازي در سال 1957 به بيش از 380مگاوات رسيد. در سال 1958 كشور نيوزلندبراي نخستين بار به كمك آب داغ خروجي ازمخازن زمين گرمايي، برق توليد كرد.
تا اواخر دهه 50 ميلادي توليد برق ازمنابع زمين گرمايي به كندي رشد مي‌كرد ولي به تدريج با افزايش قيمت سوختهاي فسيلي،كشورهاي گوناگون تمايل بيشتري به سمت‌انرژيهاي تجديدپذير از خود نشان دادند.درحال حاضر 22 كشور جهان به كمك انرژي‌زمين گرمايي متجاوز از هشت هزار مگاوات برق توليد مي‌كنند كه در مقايسه با ساير انواع‌انرژيهاي تجديدپذير، رقم قابل توجهي‌است.
مخازن زمين گرمايي به دو دسته عمده‌مخازن بخار بالنده و آب بالنده تقسيم‌مي‌شوند كه به ترتيب حاوي بخار و آب داغ‌است. تعداد مخازن بخار بالنده در جهان‌بسيار كم است در حالي كه مخازن آب بالنده‌بسيار فراوانترند.
توليد برق از انرژي زمين گرمايي به‌كمك سيكلهاي ويژه‌اي صورت مي‌گيرد كه در ادامه به آنها اشاره مي‌شود.
سيكلهاي توليد برق از منابع زمين گرمايي
– سيكل توليد برق از مخازن بخار بالنده
در اين سيكل، بخار خروجي از چاه ابتدابه منظور جداسازي ذرات سنگ آن وارد يك‌فيلتر شده و سپس مستقيما به سمت توربين‌هدايت مي‌شود. در گذشته بخار خروجي ازتوربين در هواي آزاد رها مي‌شد كه امروزه‌براي افزايش كارايي سيكل و نيز حفظمحيطزيست، بخار خروجي به داخل يك كندانسور هدايت و سپس آب داغ توليد شده‌مجددٹ به درون مخزن تزريق مي‌شود. ميزان‌كارايي اين سيكل حدود 50 درصد است.
– سيكلهاي توليد برق از مخازن آب داغ‌بالنده
در اين دسته سيكلهاي توليد برق، سيال‌زمين گرمايي پس از خروج از چاه، وارد يك جداكننده شده و بخار حاصل، به سمت‌توربين و آب داغ، به سمت چاههاي تزريقي وبرج خنك كننده، روانه مي‌شود. حال، برحسب اين كه عمل جدايش يا تبخير آني دريك مرحله يا دو مرحله انجام شود و برحسب وجود يا عدم وجود كندانسور، سه نوع
سيكل تبخير آني وجود دارد.
– سيكل تبخير آني يك مرحله‌اي بدون‌كندانسور
در اين سيكل، بخار پس از انجام كار درتوربين در هواي آزاد رها مي‌شود. اين سيكل‌علاوه بر اين كه محيط زيست را آلوده مي‌كند،از بازده كمي نيز برخوردار است. امروزه
به جاي اين سيكل از انواع سيكلهاي باكندانسور استفاده مي‌شود. البته از اين سيكل‌همچنان در نيروگاههاي سرچاهي كه اغلب‌داراي ظرفيت پاييني بوده و معمولا براي‌آزمايش چاهها بكار مي‌روند، استفاده‌مي‌شود.
– سيكل تبخير آني يك مرحله‌اي باكندانسور
در اين سيكل، سيال زمين گرمايي پس‌از عبور از جداكننده به بخار خشك اشباع،تبديل مي‌شود. آب داغ باقي مانده در دستگاه‌به وسيله خطوط لوله به منبع آبهاي زائدمنتقل شده و از آن جا به زمين، تزريق‌مي‌شود. بخار خشك، بخش كوچكي از سيال خروجي چاه است كه معمولا با فشاري كمتر ازهشت بار (bar) وارد توربين شده و پس ازخروج از توربين با آب خنك كن در كندانسورتماس مستقيم، مخلوط شده و قسمتي از آن‌توسط پمپ كندانسور – برج خنك كننده،گردش مي‌كند و بخشي از آن از طريق‌چاههاي تزريقي به زمين تزريق مي‌شود.
– سيكل تبخير آني دو مرحله‌اي
در سيكل دو مرحله‌اي، آب داغ و بخارطي دو مرحله از يكديگر جدا مي‌شوند. در اين‌سيكل، دو دستگاه جداكننده فشار قوي و فشارضعيف وجود دارد. توربيني كه در اين سيكل‌بكار مي‌رود نيز داراي دو طبقه فشارقوي وفشار ضعيف است. بخار خروجي از جداكننده،ابتدا به سمت بخش فشارقوي توربين وآب‌داغ خروجي به سمت جداكننده دوم‌هدايت مي‌شود. سپس بخار خروجي ازجداكننده دوم به همراه بخار خروجي از طبقه‌فشارقوي به سمت طبقه فشار ضعيف توربين‌هدايت مي‌شود. در نهايت آب خروجي ازجداكننده دوم به زمين، تزريق شده و بخارخروجي از توربين به سمت كندانسور هدايت مي‌شود.
– سيكل دو مداره
از اين سيكل براي توليد برق از مخازن‌زمين گرمايي حرارت پايين، استفاده مي‌شود.حدود 50 درصد مخازن زمين گرمايي داراي‌درجه حرارتي بين 150 تا 200 درجه سانتيگراد است كه اگر براي توليد برق از آنهااز سيكل تبخير آني استفاده شود، سيكل‌مزبور بازده بسيار پاييني خواهد داشت.بنابراين به منظور رفع اين مشكل از سيكل‌دومداره استفاده مي‌شود.
در اين سيكل از سيال زمين گرمايي به‌عنوان منبع حرارت در يك سيكل بسته استفاده مي‌شود كه اين حرارت باعث تبخيرسيال عامل مي‌شود. مهمترين ويژگي سيال‌عامل، پايين بودن نقطه جوش آن است.سيالهاي عاملي كه عمدتا در نيروگاههاي‌زمين گرمايي بكار مي‌روند عبارتند ازايزوبوتان (با نقطه جوش 10 تا 14 درجه‌سانتيگراد در فشار اتمسفر)، فريون 12 (بانقطه جوش -6/21 تا -8/29 درجه‌سانيتگراد در فشار اتمسفر)، آمونياك وپروپان.
در اين سيكل، آب داغ‌خروجي از چاه پس از گرم كردن سيال عامل‌در مبدل حرارتي به سمت چاههاي تزريقي‌هدايت مي‌شود. در مبدل حرارتي، سيال عامل به بخار فوق اشباع،
تبديل مي‌شود كه در يك سيكل بسته، گردش مي‌كند. بخار حاصل، توربين را به‌گردش درآورده و پس از تقطير در كندانسورسطحي به سوي مبدل حرارتي، پمپاژمي‌شود.
از جمله مهمترين مزاياي اين سيكل،عدم وجود خوردگي يا رسوب گذاري توسطسيال عامل است. بنابراين در نيروگاههاي‌دومداره، تجهيزات مهمي نظير توربين وكندانسور از آسيب‌هاي ناشي از خوردگي ورسوب‌گذاري مصون مي‌مانند. مبدل حرارتي‌اين سيكل از نوع لوله – پوسته‌اي است كه درآن هيچ ارتباطي بين آب داغ و سيال عامل‌وجود ندارد. نخستين نيروگاه دومداره در جهان‌در سال 1967 در كامچاتكا واقع در روسيه‌نصب و راه‌اندازي شد كه قدرت خروجي آن‌معادل 670 كيلووات بود و در آن از گاز فرئون 12 به عنوان سيال عامل استفاده مي‌شد.
كاربرد مستقيم
كاربرد مستقيم انرژي زمين گرمايي به‌معني بهره‌برداري بدون واسطه از انرژي‌حرارتي سيال زمين گرمايي است. در اين‌حالت انرژي زمين گرمايي به انرژي‌الكتريكي تبديل نمي‌شود بلكه به صورت‌مستقيم از انرژي حرارتي آن استفاده مي‌شود. مخازن زمين گرمايي كه دماي آنها 65 تا150 درجه سانتيگراد است براي تبديل به‌انرژي الكتريكي داراي توجيه اقتصادي‌بالايي نيستند لذا اين گونه مخازن‌زمين‌گرمايي براي بهره‌گيري مستقيم ازانرژي حرارتي، مناسب شناخته شده‌اند.مخازن زمين گرمايي حرارت پايين نسبت به‌مخازن حرارت بالا از گستردگي بيشتري‌برخوردارند. به عنوان مثال در كشور آمريكابيش از 1350 سيستم زمين گرمايي شناخته شده كه پنج درصد آنها بيش از 150درجه سانتيگراد و 85 درصد آنها كمتر از 90درجه سانتيگراد حرارت دارند.
سيالات مخازن حرارت پايين را مي‌توان‌با دستگاههاي حفاري چاههاي آب، مورداستفاده قرار داد.
به منظور نشان دادن كاربرد انرژي‌زمين‌گرمايي يك محقق ايسلندي به نام‌ليندال نموداري تهيه كرده است كه در آن‌موارد كاربرد سيالهاي زمين گرمايي برحسب‌درجه حرارت آنها ارايه شده است.
كاربرد مستقيم انرژي زمين گرمايي ازگذشته‌هاي بسيار دور متداول بوده است.شواهد زيادي وجود دارد كه نشان مي‌دهد بشردر طول تاريخ از آب داغ يا بخار طبيعي زمين‌به منظور استحمام، پختن غذا و گرم كردن‌محل زندگي خود استفاده مي‌كرده است.
به دليل گسترده بودن دامنه درجه حرارت‌سيال زمين گرمايي، كاربردهاي آن نيز بسيار متعدد است. نكته بسيار مهم در كاربرد سيال‌زمين گرمايي، كيفيت شيميايي آن است. به‌اين معني كه اگر ميزان املاح محلول آن كم باشد بدون كمك گرفتن از مبدل حرارتي‌مي‌توان مستقيما آب داغ يا بخار را مورداستفاده قرار داد و در غير اين صورت براي‌استفاده از سيال بايد از مبدل حرارتي،
كمك گرفت كه طبيعتا بازده سيستم مربوطه پايين‌تر خواهد بود. به عنوان مثال درريكياويك، مركز كشور ايسلند به دليل وجود سنگهاي آتشفشاني خاص، املاح محلول‌سيال خروجي از چاهها بسيار پايين بوده و در نتيجه سيال توليد شده مستقيما از چاهها به سيستمهاي گرمايش منطقه‌اي هدايت مي‌شود. در حال حاضر حدود 55 كشورجهان از منابع زمين گرمايي به طور مستقيم استفاده مي‌كنند.
موارد بهره‌برداري مستقيم از انرژي زمين‌گرمايي را مي‌توان به 6 رده
تقسيم بندي كرد كه عبارتند از:
– گرمايش ساختمانها
– كشاورزي
– دامپروري
– كاربردهاي صنعتي
– درمان بيماريها
– ساير
در ادامه شرح مختصري در خصوص هريك از موارد فوق ارايه مي‌شود.
گرمايش ساختمانها
در اين كاربرد، آب داغ از چاه به فضاهاي مسكوني، تجاري يا اداري منتقل شده وگرمايش فضاهاي مزبور را تامين مي‌كند. درصورت نامناسب بودن كيفيت آب از نظرشيميايي، از مبدل حرارتي استفاده مي‌شود.يكي از مزاياي مهم سيستمهاي گرمايشي زمين گرمايي اين است كه آب داغ پس ازتامين حرارت فضاهاي مختلف، مجددا به‌درون مخزن زمين گرمايي تزريق مي‌شود ودر نتيجه ميزان آلودگي زيست محيطي آن‌بسيار پايين است.
شايان ذكر است امروزه انواع خاصي ازمبدلهاي حرارتي وجود دارد كه درون چاههاي زمين گرمايي تعبيه شده و حرارت آب داغ‌مخزن را به آب شيرين درون مبدل، منتقل‌مي‌كند. درجه حرارت آب گرم مورد نياز براي‌سيستمهاي گرمايشي 60 درجه سانتيگراد يابالاتر است.
امروزه كشورهاي ايسلند، فرانسه،آمريكا، مجارستان و ژاپن براي تامين حرارت‌سيستمهاي گرمايش مركزي خود از انرژي‌زمين گرمايي استفاده مي‌كنند.
كشاورزي
عمده‌ترين كاربرد انرژي زمين گرمايي درزمينه فعاليتهاي كشاورزي و تامين گرمايش‌گلخانه‌هاست. در برخي از مناطق سردسيرآب داغ مخازن زمين گرمايي براي گرم كردن‌خاكهاي كشاورزي نيز استفاده مي‌شود. اين نوع كاربرد در كشورهاي سردسير، بسيارگسترش دارد. از جمله محصولاتي كه به‌كمك اين انرژي كشت مي‌شود مي‌توان به‌خيار، گوجه فرنگي، انواع گلها، گياهان‌خانگي، نهال درختان و انواع كاكتوسها اشاره كرد. در بين كشورهاي جهان، مجارستان ازنظر استفاده از گلخانه‌هاي زمين گرمايي،مقام نخست را دارد. براي گرم كردن گلخانه‌هامعمولا يا آب داغ را از لوله‌هاي فلزي عبورمي‌دهند يا اين كه مانند سيستمهاي گرمايشي منازل از پره‌هاي رادياتور استفاده‌كرده و يا آب داغ را از درون شبكه متراكمي ازلوله‌ها كه در پست آنها يك فن قوي وجوددارد عبور مي‌دهند. علاوه بر مجارستان‌كشورهايي نظير ايسلند، چين، يونان، نيوزلند و روسيه نيز در زمينه گلخانه‌هاي‌زمين‌گرمايي فعال هستند.
دامپروري
به كمك انرژي زمين گرمايي مي‌توان‌انواع مختلف آبزيان را نيز پرورش داد. امروزه‌در سطح جهان از انرژي زمين گرمايي براي‌پرورش و رشد آبزياني نظير ميگو، قزل آلا،صدف و همچنين آبزيان آكواريومي‌استفاده مي‌شود. از آنجا كه درجه حرارت بهينه‌براي پرورش هر يك از انواع مختلف آبزيان،ميزان مشخصي است لذا با استفاده از انرژي‌زمين گرمايي مي‌توان درجه حرارت‌حوضچه‌هاي پرورشي را در حد مطلوب تامين‌كرده و آن را در تمام طول سال ثابت نگه‌داشت. به اين ترتيب مي‌توان مقدار توليدانواع مختلف آبزيان را به ميزان قابل توجهي‌افزايش داد. به عنوان مثال رشد بهينه ماهي‌قزل آلا در درجه حرارت 5/15درجه‌سانتيگراد است.
كشورهايي مانند ايسلند، گرجستان،تركيه، نيوزلند، ژاپن و چين از جمله كشورهاي پيشرو در زمينه استفاده از انرژي زمين‌گرمايي‌براي پرورش آبزيان هستند. در حال حاضر16 كشور از چنين تاسيساتي بهره‌گيري مي‌كنند.
كاربردهاي صنعتي
اين دسته از كاربردهاي انرژي‌زمين‌گرمايي هنوز مانند ساير مصارف اين‌انرژي در سطح جهان از گستردگي چشمگيري برخوردار نشده است. با اين وجود،در حال حاضر حدود 19 كشور جهان از اين‌انرژي در فرايندهاي مختلف صنعتي
استفاده مي‌كنند. به عنوان مثال مي‌توان به‌اين موارد اشاره كرد:
– توليد برات و اسيد بوريك از سيالات‌زمين‌گرمايي در ايتاليا
– استحصال نفت در روسيه
– پاستوريزه كردن شير در روماني
– توليد چرم در اسلووني و صربستان
– توليد گاز دي اكسيد كربن در ايسلند و تركيه
– توليد كاغذ و قطعات خودرو در مقدونيه
– توليد خمير كاغذ، كاغذ و چوب در نيوزلند
درمان بيماريها
اين كاربرد نيز بسيار قديمي بوده و ازروزگاران دور اقوامي چون روميها، چيني‌ها،ژاپني‌ها، عثمانيها و ساكنان ساير نواحي‌كره‌زمين به منظور استحمام و درمان‌بيماريهاي گوناگون از آبهاي گرم طبيعي زمين‌استفاده مي‌كرده‌اند.
در حال حاضر حدود 45 كشور جهان ازچشمه‌هاي آب گرم خود براي اين منظوراستفاده مي‌كنند. در ارتباط با توسعه چنين مراكزي، شواهد و نمونه‌هاي متعددي رامي‌توان در سطح جهان معرفي كرد. به عنوان‌مثال، ژاپني‌ها با بهره‌گيري از بيش از 2200كانون تفريحي مرتبط با چشمه‌هاي آب گرم،سالانه حدود 100 ميليون مهمان و گردشگر راپذيرا هستند.
امروزه از آبهاي گرم داراي حرارت بيش از50درجه سانتيگراد براي درمان بيماريهايي‌نظير فشار خون بالا، روماتيسم، بيماريهاي‌پوستي و بيماريهاي دستگاه عصبي استفاده مي‌شود.
ذوب برف جاده‌ها
به كمك انرژي زمين گرمايي مي‌توان‌برف يا يخ جاده‌ها و پياده روها را نيز ذوب كرد.گسترش اين نوع كاربرد انرژي زمين گرمايي‌نسبت به ساير موارد، محدودتر است. امروزه‌در سراسر جهان به كمك انرژي زمين گرمايي‌حدود 500 هزار متر مربع از مسير پياده روها وجاده‌ها گرم مي‌شود كه بخش اعظم آن نيز دركشور ايسلند وجود دارد. در حال حاضر به جزكشور ايسلند، كشورهايي چون آرژانتين،آمريكا و ژاپن نيز براي ذوب برف جاده‌هاي‌خود از انرژي زمين گرمايي
بهره مي‌گيرند.
همان طور كه قبلا اشاره شد جنبه‌هاي‌گوناگون كاربرد انرژي زمين گرمايي به سرعت‌در حال افزايش است و مرتبا به كشورهاي‌بهره‌مند از اين انرژي افزوده مي‌شود.
مهندس جواد نورعليئي
منابع:
– فتوحي. منوچهر، نوراللهي. يونس، اصول ومباني انرژي زمين گرمايي، انتشارات ميعاد،1381.
enrgy.org – www.sustainable
– www.geothermal.org
– www.geothermal.marin.org
-www.eren.doe.gov/RE/geothermal.html
ماهنامه صنعت برق