انرژی گرمایی زمين ( Geothermal energy )

قدمت انرژی زمین گرمایی به اندازه عمر زمين است. (geo) به معني «زمين» و «Thermal» به معني «گرما» است. بنابراين Geothermal (ژئوترمال) به معني زمين – گرما مي باشد.

حدود 10000 سال قبل ، سرخپوشان قديمي در شمال آمريكا از چشمه هاي آب گرم  براي آشپزي استفاده مي كردند. مناطق اطراف اين چشمه ها جزو مناطق بيطرف محسوب مي شد. درنتيجه مبارزان قبايل جنگجو مي بايست با صلح و دوستي دركنار هم استحمام كنند. تقريباً هريك از چشمه هاي آب گرم اصلي در  ايالت متحده به نوعي مورد استفاده قبايل بومي آمريكا بوده است. چشمه هاي آب گرم كاليفرنيا ، مانند آبفشانهاي ناحية ناپا (Napa) ، براي قبايل آن منطقه مهم و مقدس بودند.

در ساير مناطق جهان ، مردم از چشمه هاي آب گرم براي استراحت و تمدد اعصاب استفاده
مي كنند. روميهاي قديم ، مكانهاي مخصوصي را براي حمام آب گرم ساخته بودند ، و ژاپني ها نيز قرنها از چشمه هاي آب گرم طبيعي برخوردار بوده اند.
درون زمين مشابه تخم مرغ است. زرده تخم مرغ ، هسته زمين است. سفيده تخم مرغ ، گوشته زمين است و پوسته تخم مرغ مانند پوسته زمين است.

انرژی زمین گرمایی انرژي حرارتي موجود در پوسته جامد زمين مي‌باشد. اين انرژي در امتداد مرزهاي صفحات تكتونيكي، در نواحي شناخته شده آتشفشاني و زلزله‌خيز كه داراي شكستگيها و گسلهاي فراواني هستند، از تمركز بيشتري برخوردار است. بطوركلي هرچه از سطح زمين به سمت عمق پيش رويم، درجه حرارت افزايش مي‌يابد و بطور متوسط به ازاء هر 100 متر عمق، 3 درجه سانتي‌گراد دما بالا مي‌رود. به عبارت ديگر در عمق 2 كيلومتري سطح زمين، درجه حرارت حدود °C 70 مي‌باشد اما در بعضي نقاط، فعاليتهاي تكتونيكي باعث جاري شدن گدازه‌هاي داغ يا مذاب به سمت سطح‌زمين و در نهايت تشكيل منابعي با درجه حرارت بالا در سطح قابل دسترس از زمين مي‌شود.

بعضي اوقات آب در اعماق زمين ، در كنار سنگ گرمي قرار گرفته و به آب جوش يا بخار  تبديل مي شود. درجه حرارت آب گرم مي تواند تا 300 درجه فارنهايت (148 درجه سلزيوس) برسد. اين مقدار حرارت بيش از حرارت آب جوش (212 درجه فارنهايت يا 100 درجه سانتيگراد) است. اگر آب جوش با هوا تماس نداشته باشد ، به بخار تبديل نمي شود. زمانيكه آب گرم از طريق شكافهاي زمين به بالا مي آيد به آن چشمه آب گرم مي گويند. درتصوير، چشمه آب گرم پارك ملي يلوستون (Yellewstone) ديده مي شود. بعضي اوقات آب گرم به محض رسيدن به سطح زمين ، در هوا منفجر شده كه به آن آبفشان مي گويند.

در تصوير، آبفشان Old faithful ديده مي شود.

انرژی زمین گرمایی در واقع انرژي تجديدپذيري است كه از گرماي ماگماي داغ و تخريب مواد راديواكتيو موجود در اعماق زمين بدست مي‌آيد. با قرار گرفتن لايه‌هاي حاوي منابع آبهاي زيرزميني در جوار لايه‌هاي حاوي گدازه‌هاي داغ، حرارت به منبع آب زيرزميني منتقل شده و سپس اين منابع آب‌داغ يا از طريق گسلها و شكستگيهاي فراوان و مرتبط به هم مستقيماً بصورت چشمه‌هاي طبيعي آب يا بخارداغ و بعضاً در فشارهاي بالاي مخازن بصورت آبفشان و يا فومرول (دودخان) در سطح زمين ظاهر مي‌شوند و يا اينكه از طريق حفاري چاههاي اكتشافي، مي‌توان به آب يا بخارداغ محصور در اعماق دسترسي پيدا كرد و از آن در توليد برق بهره‌برداري نمود. البته پس از استحصال حرارت از آب‌داغ، آب‌سرد باقي مانده از طريق چاه تزريقي وارد زمين شده و اين چرخه مجدداً تكرار مي‌شود.

شايان ذكر است كه نبايد از انرژی زمین گرمایی بيش از مقدار بازيابي آن بهره‌برداري كرد تا عواقب زيست‌محيطي منفي در پي نداشته باشد. بهره‌برداري از انرژي زمين‌گرمائي انديشه جديدي نيست و از ابتداي قرن حاضر تلاشهاي زيادي به منظور تبديل اين انرژي به برق صورت گرفته است اما انگيزه واقعي بهره‌برداري از اين نوع انرژي به بعد از سالهاي 1974-1973 بر مي‌گردد.
در سيستم زمين‌گرمائي هيدروترمال اساس كار مشابه صنعت نفت مي‌باشد. بدين معني كه در مناطقي از زمين مخازن آب‌داغي وجود دارد كه مي‌بايست اكتشاف و استخراج گردد. آب‌داغ استخراج شده بسته به كيفيت منبع و دماي آب و فشار مخزن مي‌تواند جهت توليد برق يا كاربردهاي گرمايشي استفاده شود.

در حال حاضر مخازن زمین گرمایی به سه گروه تقسيم‌بندي مي‌شوند
1- دسته اول: مخازن دما بالا با دماي بالاتر از °C 150 كه مناسب براي توليد برق با تكنيكهاي معمولي مي‌باشد.
2- دسته دوم: مخازن با دماي بين 100 الي °C 150 كه مناسب براي توليد برق با تكنيكهاي پيشرفته‌تر باينري هستند.
3- دسته سوم: مخازن دما پائين با دماي كمتر از °C 100 كه براي كاربردهاي مستقيم مناسب مي‌باشند.

استفاده از انرژی زمین گرمایی در دنياي امروز
امروزه مردم از آبهاي زمین گرمایی در استخرهاي شنا و چشمه هاي معدني استفاده مي كنند. همچنين اين آبها مي توانند گرماي ساختمانها را براي رشد گياهان مناسب سازند.
درسان برناردنيو (San Bernardina) واقع در جنوب كاليفرنيا ، از آب گرم زيرزميني براي گرم نمودن ساختمانها در زمستان استفاده مي شود. آب گرم از طريق لوله هاي روكش دار به صدها ساختمان عمومي منتقل مي شود. ساختمان شهرداري ، پناهگاه حيوانات ، خانه سالمندان ، آژانسهاي املاك ، هتلها و مراكز همايش، بعضي از ساختمانهايي هستند كه بدين طريق گرم مي شوند. در كشور ايسلند، بيشتر ساختمانها و حتي استخرهاي شنا در شهر ريكياويك و ساير جاها به كمك آبهاي زمين گرمايي گرم مي شوند. در اين كشور حداقل 25 آتشفشان فعال و تعداد زيادي چشمه آب گرم و آبفشان وجود دارد.

الكتريسيته (برق) زمین گرمایی

از آب گرم يا بخار حاصل از زيرزمين مي توان براي توليد برق يا الكتريسيته در يك نيروگاه زمين گرمايي استفاده نمود.
در ايالت كاليفرنيا ، 14 ناحيه وجود دارد كه از انرژي زمين گرمايي آن مي توانيم براي توليد برق استفاده كنيم. در تصوير ، نواحي قرمز رنگ روي نقشه، مراكز زمين گرمايي شناخته شده را نشان ميدهد. بعضي از آنها بدليل كوچك بودن ، پايين بودن درجه حرارت آب و جدا بودن منابع زمين گرمايي از يكديگر ، هنوز مورد بهره برداري قرار نگرفته اند.

مراكز اصلي زمین گرمایی در ايالت كاليفرنيا عبارتند از
- ناحيه گيزر (Geysers) در شمال سانفرانسيسكو
- گوشه شمال غربي ايالت كاليفرنيا نزديك پارك ملي Lassen volcanic
- ناحيه درياچه ماموت – محل يك آتشفشان بسيار بزرگ قديمي
- ناحيه چشمه هاي آب گرم Coso در بخش اينيو (Inyo)
- دره امپريال در جنوب كاليفرنيا

بخار و آب گرم حاصل از بعضي از نواحي آنقدر زياد است كه مي توان از آن براي توليد برق استفاده نمود. بدين منظور چاههاي عميقي حفر شده و لوله هايي تا محل آب گرم فرستاده مي شود ، درست مثل استفاده از ني در نوشابه . آب و بخار گرم توسط اين لوله ها از اعماق زمين به بالا آورده مي شود. در تصوير،
لوله هاي يك نيروگاه زمين گرمايي را مي بينيد. اين نيروگاه واحد شماره 18 ناحيه گيزر در ايالت كاليفرنيا است.

يك نيروگاه زمین گرمایی درست مثل يك نيروگاه معمولي است با فرق اينكه در اين نوع نيروگاه براي گرم نمودن آب و تبديل آن به بخار هيچگونه سوختي سوزانده نمي شود. در واقع در يك نيروگاه زمين گرمايي ، گرماي مورد نياز براي حرارت دادن آب و تبديل آن به بخار از زمين تأمين مي شود. سپس بخار توليد شده به يك توربين مخصوص منتقل مي شود. تيغه هاي توربين شروع به چرخش نموده و ميله آنرا كه به يك ژنراتور متصل است چرخانده و توليد برق مي كند. در مرحله آخر بخار حاصله در برج خنك كننده سرد مي شود. در تصوير بالا ، دودهاي سفيد رنگي كه از نيروگاه خارج مي شوند در واقع دود نيستند. آنها در اصل بخارهايي هستند كه در مرحله سرد شدن از نيروگاه خارج مي شوند. آب سرد شده را مي توان جهت گرم شدن مجدد به اعماق زمين پمپاژ نمود.

در نيروگاه زمین گرمایی ، آب گرم از يك طرف وارد توربين شده و از طرف ديگر آن خارج مي شود. دوران توربين باعث چرخش ژنراتور گرديده و برق توليد شده به ترانسفورماتور (مبدل) منتقل مي شود. سپس اين برق از طريق شبكه هاي انتقال توسط سيمهايي به خانه ، مدرسه ، مراكز اداري و تجاري ميرسند. در رابطه با خطوط انتقال برق در فصل 7 صحبت شد. درحدود نيمي از برق زمين گرمايي جهان از نيروگاههاي زمين گرمايي واقع در ايالت كاليفرنيا تأمين مي شود. اين نيروگاهها ، برق مورد نياز حدود دو ميليون خانه را تأمين مي كنند.

زمین گرمایی / پمپاژ گرماي حاصل از منابع زيرزميني
هر قدر بيشتر به اعماق زمين برويم به ميزان گرما افزوده مي شود. ميزان گرماي لايه فوقاني زمين زياد نمي باشد. تقريباً در سرتاسر سياره ما ، ميزان گرما تا عمق 10 فوت يكسان است (بين 50 تا 60 درجه فارنهايت يا 10 تا 16 درجه سانتيگراد). اگر تاكنون به زيرزمين ساختماني يا غار زيرزميني رفته باشيد ، حتماً متوجه شده ايد كه اين مكانها تقريباً هميشه سرد هستند.

سيستم پمپ منبع زمين گرمايي ، گرماي حاصل از لايه هاي فوقاني زمين را (10 تا 16 درجه سانتيگراد) از طريق لوله هايي به ساختمان منتقل كرده و داخل آنرا گرم يا سرد مي كنند. اين لوله ها در نزديك ساختمان درون زمين قرار مي گيرند. در داخل اين لوله ها سيالي ، مشابه با ضد يخي كه در رادياتور ماشين مي ريزند ، وجود دارد.

در زمستان ، گرماي حاصل از منابع زمين گرمايي از مبدل گرمايي عبور كرده و هواي گرم را به مراكز اداري و تجاري ، و خانه ها منتقل مي كند. در خلال آب و هواي گرم ، اين فرآيند برعكس است ، بدين ترتيب كه هواي گرم داخل ساختمان از مبدل گرمايي عبور نموده و به داخل زمين نسبتاً سردتر منتقل
مي شود. در خلال تابستان از اين گرما مي توان براي گرم نمودن آب نيز استفاده كرد.

بازگشت به صفحه اصلی

گردآوری:گروه تی وی تی کام