آشنائی با سیستم انرژی های نو بخش زمین گرمایی

زمین گرمایی
 

  مقدمه:

توسعه شگرف علم و فن در جهان امروز ظاهراً آسايش و رفاه زندگي بشر را موجب شده است، ليكن اين توسعه يافتگي، مايه بروز مشكلات تازه اي نيز براي انسان ها شده است که از آن جمله مي توان به آلودگي محيط زيست، تغييرات گسترده آب و هوايي در زمين و غيره اشاره نمود. بويژه مي دانيم که نفت و مشتقات آن از سرمايه هاي ارزشمند ملي و حياتي کشور مي باشند که مصرف غير بهينه از آنها گاهي زيانهاي جبران ناپذيري را ايجاد مي کند. از اينرو صاحب نظران و کارشناسان بدنبال منابعي هستند که بتدريج جايگزين سوخت هاي فسيلي شوند.
انرژي حرارتي که در پوسته جامد زمين وجود دارد، انرژي زمين گرمايي ناميده مي شود. مرکز زمين منبع عظيمي از انرژي حرارتي است که به شكل هاي گوناگون از جمله فوران هاي آتشفشاني، آب هاي گرم و يا بواسطه خاصيت رسانايي به سطح آن هدايت مي شوند. طبق فرضيه هاي موجود، زمين توده اي آتشين بوده که بيش از ٤ ميليارد سال پيش شكل گرفته و بتدريج به انجماد و سردي گراييده است و اين سرد شدن همچنان نيز ادامه دارد.
 
در حال حاضر از انرژي زمين گرمايي در بسياري از نقاط جهان و به صورت هاي مختلف، در سطح وسيعي استفاده مي شود. محققين، همزمان با بكارگيري تكنولوژي هاي قديمي تأمين انرژي، شيوه هاي جديد تأمين انرژي را نيز به تكامل رسانيده اند. بهره برداري از انرژي زمين گرمايي، بعنوان يك منبع انرژي بالقوه در اعماق زمين، مستقل از شرايط جوي بوده و قابليت جوابگويي به نياز کنوني و آتي بشر را دارد.
 
  تاريخچه:

بشر مدتها است که از منابع انرژي زمين گرمايي با درجه حرارت پايين (چشمه هاي آبگرم)، جهت استحمام و شستشو و همچنين مصارف درماني استفاده مي کند. اخيراً نيز از اين انرژي در تامين گرمايش گلخانه ها، حوضچه هاي پرورش ماهي،استخرهاي تفريحي، پيشگيري از يخ زدگي معابر در فصل سرما،پمپ هاي حرارتي جهت تامين گرمايش وسرمايش ساختمان ها و برخي از فرآيندهاي صنعتي استفاده مي شود. توليد برق با استفاده از منابع انرژي زمين گرمايي با درجه حرارت با درجه حرارت بالا نيز طي ده سال اخير رشد قابل ملاحظه اي داشته است .

با مشاهده کوه هاي آتشفشان، بشر از ديرباز به اين حقيقت رسيده بود که در اعماق زمين منبعي داغ وجود دارد. در فاصله زماني بين قرنهاي ١٦ و ١٧ ميلادي که اولين منابع زير زميني در اعماق چند صد متري حفر شد، اين نتيجه نيز حاصل شد که هر چه بطرف مرکز کره زمين نزديكتر شويم دما افزايش مي يابد به گونه اي که بطور طبيعي در ازاي هر ١٠٠ متر افزايش عمق، ٣ درجه سانتي گراد به دماي طبيعي زمين افزوده مي شود.

نخستين اندازه گيري ها بوسيله دماسنج در سال١٧٤0 و در معدني نزديك به ناحيه بلفورت در کشور فرانسه انجام شد. درسال١٨٧٠ با روش هاي پيشرفته علمي نوع رفتار حرارتي زمين مورد مطالعه قرار گرفت.
نخستين تلاشها در لاردرلو (ايتاليا) در سال ١٩٠٤ براي توليد برق با استفاده از انرژي زمين گرمايي صورت گرفت و از آن زمان تاکنون فعاليت هاي زيادي در سراسر دنيا منظور استفاده از این منبع لا یتناهی انرژی صورت گرفته است.
ساخت نيروگاه هاي دو مداره باعث پيشرفت هاي چشمگيري در توليد برق با استفاده انرژي زمين گرمايي شده است ودر حال حاضر با به تكامل رسيدن اين تكنولوژي، به طور تجاري از آبهاي گرم زيرزميني با درجه حرارت معمولي (بيشتر از ١٠٠ درجه سانتيگراد) برق توليد مي شود. در سالهاي اخير در زمينه پمپ هاي حرارتي زمين گرمايي نيز پيشرفت هاي قابل توجه اي صورت گرفته است.
 
  انرژي زمين گرمايي

به طور کلي مناطقي از زمين که داراي ويژگي های مهم زير باشند، داراي پتانسيل خوبی بمنظور بهره برداري از انرژي زمين گرمايي هستند:
 
١ـ منبع حرارتي، ٢ـ سيال حد واسط، ٣ـ محيط متخلخل
 
1)  مواد مذاب يا سنگ هاي داغ مجاور آنها (بعنوان منبع حرارتي) به گونه اي نزديك به سطح زمين قرار گرفته باشند که موجب گرم شدن آب هاي نفوذي شده و در نتيجه با حفاري چاه هاي توليدي و استخراج سيال گرم، بتوان به حرارت مطلوب رسيد.
2)  وجود آب براي انتقال حرارت منبع حرارتي به سطح زمين، آب هاي جوي و آب هاي ماگمايي از جمله سيالات انتقال دهنده حرارت در يك سيستم زمين گرمايي هستند.
3)  لايه هاي مختلف زمين داراي خلل و فرج هاي زياد باشند تا آب هاي سطحي و نزولات جوي به خوبي داخل زمين نفوذ کند.
آب هاي سطحي که بر اثر نيروي جاذبه زمين و از طريق خلل و فرج ها به داخل آن نفوذ مي کنند، پس از مدتي به لايه هاي گرم زمين نزديك مي شوند و حرارت آنها را جذب مي کنند.بر اثر افزايش دما، آب چگالي خود را از دست داده و نسبت به آب هاي سرد، سبكتر شده و به صورت طبيعي از طريق خلل و فرج ها مجدداً رو به سطح زمين حرکت مي کنند و موجب پيدايش مظاهر حرارتي از قبيل چشمه هاي آبگرم در نقاط مختلف زمين مي شوند. در حالت طبيعي سيال گرم از خلال درزها، شكاف ها و گسل ها به سطح زمين مي رسد و ظهورهاي سطحي ايجاد مي کند.اما براي بهره برداري اقتصادي از يك سيستم زمين گرمايي با حفاري چاه هاي متعدد سيال بيشتري استحصال مي شود.

بهره برداري از انرژي زمين گرمايي به دو روش کلي امكان پذير مي باشد که عبارتند از:

1)     استفاده غير مستقيم يا روش نيروگاهي
2)     استفاده مستقيم يا روش غير نيروگاهي
 

فرآيند توليد برق در نيروگاه زمين گرمايي

بطور ساده مي توان گفت که نيروگاه هاي زمين گرمايي به دو دسته مهم تقسيم مي شوند :
1)     نيروگاه زمين گرمايي با سيال دو فاز (بخار و مايع)
 
2)     نيروگاه زمين گرمايي با سيال تك فاز (مايع)

بهره برداري از انرژي زمين گرمايي به دو روش کلي امكان پذير مي باشد که عبارتند از:

1)     استفاده غير مستقيم يا روش نيروگاهي
2)     استفاده مستقيم يا روش غير نيروگاهي
 

نيروگاه زمين گرمايي با سيال تك فاز:

در اين نوع نيروگاه ها نياز به مخزن جدا کننده نمي باشد زيرا آب گرم وارد مبدل حرارتي شده و حرارت خود را به سيال عامل ديگري که معمولاً ايزو پنتان مي باشد و نقطه جوش پايين تري نسبت به آب دارد،
 
منتقل مي کند. دراين فرآيند ايزوپنتان به بخار تبديل شده و به توربين منتقل مي شود که در اينجا توربين و ژنراتور طبق توضيحات فوق مي توانند برق توليد کنند.
  روشهاي استفاده مستقيم يا غير نيروگاهي

 
     استخرهاي آب گرم :
 
دراين روش آب گرم زمين گرمايي را مي توان با آب سرد و معمولي ترکيب نمود و آب نسبتاً گرمي را براي اهدافي چون ايجاد مراکز جذب توريست و مجتمع هاي آب درماني مورد استفاده قرار می دهند. از آب گرم زمين گرمايي در صورتي که فاقد مواد مضر براي بدن انسان باشد، مي توان جهت مصارف آب درماني مانند رفع ناراحتي هاي پوستي، ناراحتي هاي درد مفاصل و ناراحتي هاي روحي و رواني استفاده نمود.
در صورتي که آب گرم زمين گرمايي داراي مواد مضر براي بدن باشد، مي توان با استفاده از يك مبدل حرارتي، حرارت آن را به آب معمولي منتقل نمود و در نتيجه آب معمولي با دماي نسبتاً گرم در استخرها استفاده شود. براي استخرهاي آب گرم، آبهاي زمين گرمايي با دماي در حدود ٣٠ الي ٥٠ درجه سانتيگراد مناسب است.

    مراکز گلخانه اي
 
مي توان آب گرم زمين گرمايي را توسط لوله کشي به داخل گلخانه ها هدايت نمود، تا بدين وسيله حرارت مورد نياز جهت رشد و نمو گياهان، ميوه و سبزي هاي خاصي را فراهم نمود. براي ايجاد چنين گلخانه هايي دمايي در حدود ٨٠ الي ١٢٠ درجه سانتيگراد مناسب است.

   گرمايش منازل

با کمك لوله کشي و يا رادياتورها ي ويژه مي توان مانند سيستم هاي شوفاژ موجود، آب گرم زمين گرمايي را به داخل محيط هاي منازل، بيمارستان ها، ادارات و …  منتقل و از حرارت اين آب هاي گرم جهت تامين گرمايش محيط استفاده نمود. براي گرمايش منازل، آب هاي زمين گرمايي مي بايست حرارتي در حدود ٥٠ الي ١٠٠ درجه سانتيگراد داشته باشند.

        حوضچه هاي پرورش ماهي

در مزارع پرورش ماهي مي توان با استفاده از آب هاي گرم زمين گرمايي، حرارت و شرايط مورد نياز براي
رشد و پرورش ماهي هاي خاص را فراهم نمود براي حوضچه هاي پرورش ماهي، آب گرم زمين گرمايي
مي بايست حرارتي در حدود ٢٠ الي ٤٠ درجه سانتيگراد داشته باشد.

    ذوب برف و پيشگيري از يخبندان در معابر

با استفاده از لوله هايي که در زير معابر تعبيه مي شود مي توان در فصول سرما حرارت آب هاي گرم را به
آسفالت خيابان ها و جاده ها يا به سطوح پياده رو ها منتقل و بدين وسيله برف روي اين سطوح را ذوب نمود. براي ذوب برف در معابر، آب گرم زمين گرمايي مي بايست حرارتي در حدود ٢٠ الي ٥٠ درجه سانتيگراد داشته باشد.

  پمپ حرارتي زمین گرمایی:

مفهوم پمپ حرارتی از مفهوم قانون دوم ترمودینامیک اقتباس شده است . به بیان ساده پمپ های حرارتی، با صرف کار و انرژی حرارت را از محیطی با دمای کم (Sink) به محیطی با دمای بیشتر (Sourse) منتقل می کنند. با انجام این فرآیند محیط با دمای کمتر به سمت کاهش دما پیش می رود و محیط با دمای بالاتر به سمت افزایش دما حرکت می کنند. در نتیجه پمپ های حرارتی، تنها با تغییر در روند فرآیند قادر به تأمین سرمایش و گرمایش هر فضایی هستند.
پمپ های حرارتی به لحاظ منبع حرارتی به دو دسته تقسیم می گردند :

الف . هیت پمپ هوایی

به عنوان نمونه ملموس از هیت پمپ حرارتی هوایی ، می توان به کولر گازی اشاره کرد.
کویل هوایی پمپ حرارتی هوایی در فضای آزاد و در تماس با هوا قرار می گیرد که موجب ایجاد سر و صدا و کوتاه شدن عمر کویل هوایی می گردد. این کویل ها معمولاً از نوع مبدل های لوله ای فین دار ( مبدل پره ای ) می باشند که برای به جریان در آوردن هوا برروی کویل و افزایش انتقال حرارت ، مجهز به فن الکتریکی می باشند. برق مصرفی و هزینه جاری پمپ حرارتی هوایی کمتر از بخاری برقی و بیش از پمپ حرارتی زمین گرمایی می باشد.
نسبت به هیت پمپ زمین گرمایی، برق بیشتری مصرف می کند و در نتیجه راندمان آن نیز کاهش می یابد. با پائین آمدن دمای هوا، راندمان این نوع دستگاه ها کاهش می یابد و می بایست در مناطق سردسیر از سیستم حرارتی کمکی بهره برد.COP[1]  در بهترین حالت کارکرد دستگاه به حدود 2.6 می رسد، این در حالیست که COP در زمان نیاز به دمای بالای 50 درجه سانتیگراد بشدت کاهش می یابد.
 
ب . پمپ حرارتی زمین گرمایی (GHP)[2]

پمپ حرارتی زمین گرمایی، سیستمی است برای انتقال حرارت از فضایی معین به منظور کنترل دما و رطوبت آن محیط به زمین و یا آب های سطحی و زیر زمینی که قابلیت تبادل حرارتی بالایی دارد؛ با این مزیت که مصرف انرژی الکتریکی آن کمتر از سیستم های رایج تهویه مطبوع (کولر گازی، هواساز، مشعل گازسوز و گازوئیل سوز، چیلر و ...) می باشد.
پمپ حرارتی زمین گرمایی از جمله کاربردهای استفاده حرارتی از انرژی زمین گرمایی است که در تمامی نقاط زمین قابل استفاده است. تامین گرمایش، سرمایش و نیز آب گرم مورد نیاز ساختمان ها از جمله کاربردهای پمپ حرارتی زمین گرمایی می باشد. طرز کار این سیستم ها به این صورت است که در ماه های گرم، توسط دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی، حرارت موجود در فضای ساختمان به زمین (شکل 17) و در ماههای سرد حرارت موجود در زمین به محیط ساختمان منتقل می شود.

کویل پمپ حرارتی زمین گرمایی درون عمق 3 الی 5 متری زمین و یا در تماس با آب های زیر زمینی و یا سطحی قرار می گیرند.

استفاده از آب و زمین ارجح تر از استفاده از هوا به عنوان منبع حرارتی می باشد و آن به دلیل ناچیز بودن اختلاف دمای هوای محیط خارج با دمای هوای داخل فضا و بزرگ بودن دامنه تغییرات دمای هوا در شبانه روز و در طول سال می باشد که از تبعات آن مصرف بیشتر انرژی الکتریکی، افزایش هزینه تعمیر و نگه داری و کاهش عمر سیستم است.

 COP پمپ حرارتی زمین گرمایی به دلیل کارایی بالای سیستم در تبادل حرارت موجب گشته، در میان سیستم های تهویه مطبوع غیر قابل دسترسی و بی بدیل باشد.
کمترین میزان COP برای سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی، 4 می باشد و پیش بینی می گردد با گذشت زمان و تکامل تکنولوژی ساخت، بتوان به COP = 7 دست یافت.
بر اساس نمودار شکل (19) میزان صرفه جویی انرژی سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی نسبت دیگر سیستم های رایج نشان داده شده است. همان طور که مشخص است سیستم پمپ حرارتی نسبت به سیستم تهویه مطبوع مرکزی که مرسوم ترین سیستم سرمایش و گرمایشی است ، حدود 35% صرفه جویی انرژی دارد.

مهمترین عامل اصلی در استفاده روز افزون پمپ حرارتی زمین گرمایی مصرف کم انرژی الکتریسیته در مقایسه با سایر وسایل گرمایشی و سرمایشی است. بطوری که میزان ظرفیت نصب شده این سیستم ها طی سالهای 1995، 2000 و 2005 به ترتیب 1854، 5275 و 15723 مگاوات افزایش یافته و برنامه های ارائه شده نشان از نصب 744000 مگاوات پمپ حرارتی تا سال 2050 دارد که در نمودار شکل (20) میزان ظرفیت نصب شده طی سالهای 1995 تا 2005 و نیز برنامه توسعه پمپ حرارتی زمین گرمایی نشان داده شده است.
کشورهائی که بیشترین ظرفیت نصب شده این سیستم ها در آنها انجام شده است عبارتند از: آمریکا با 7800 مگاوات، آلمان با 400 مگاوات، سوئد با 3300 مگاوات، اتریش با 300 مگاوات، دانمارک با 800 مگاوات، چین 631 مگاوات، سوئیس 530 مگاوات، نروژ 450 مگاوات.
 
کاربری های سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی
از پمپ حرارتی زمین گرمایی می توان در هر فضا و شرایط محیطی زیر بهره برد :
    ساختمان ها ، پروژه ها و فضاهای بزرگ (با هر نوع کاربری )
    مناطق سرد با مدت نیاز به حرارت طولانی
    مناطق مرطوب و شرجی
    مناطق گرم با مدت نیاز به برودت طولانی
    مناطقی که به خطوط گاز دسترسی ندارند.
    مناطقی که  تنها وسیله ممکن گرمایشی آنها الکتریکی باشد.
 
مزایای پمپ حرارتی زمین گرمایی
 
    کاهش هزینه تعمیر و نگهداری
    کاهش مصرف انرژی
    کیفیت مناسب هوا
    کاهش آلودگی محیط زیست
    کاهش بار و زمان پیک الکتریکی در اوج گرما و سرما
    بازده انرژی بالا
    قابلیت تولید آب گرم مصرفی
 
قسمتی از کاربرد های فراوان سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی به شرح زیر می باشد :
    سرمایش
    گرمایش
    کنترل رطوبت
    تولید آب گرم
    برف زدایی معابر
    تولید برف و یخ
    پرورش دام و طیور و آبزیان
    نگهداری زمین چمن
    پرورش محصولات گلخانه ای
 
جايگاه انرژي زمين گرمايي در جهان
دست يافتن به انواع مختلف منابع انرژي و تامين نياز بشر به انرژي مهمترين نگراني و دغدغه جهان امروز است. با توجه به تجديدپذير بودن و همچنين پاك بودن انرژي هاي نو، ميزان استفاده از اين منابع در جهان، به سرعت رو به افزايش مي باشد.
انرژي زمين گرمايي سومين نوع از انرژيهاي نو مي باشد که در دنيا جهت توليد برق بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرد.
 
کشورهايي که بيشترين برق را با استفاده از نصب نيروگاه هاي زمين گرمايي توليد مي کنند عبارتند از:
 
آمريكا ٢٢٠٠ مگاوات الكتريكي
فيليپين ١٩٠٠ مگاوات الكتريكي
نيوزيلند ٤٣٧ مگاوات الكتريكي
مكزيك ٧٥٥ مگاوات الكتريكي
ايتاليا ٧٨٥ مگاوات الكتريكي
ژاپن ٥٤٧ مگاوات الكتريكي
اندونزي ٥٩٠ مگاوات الكتريكي
ايسلند ١٧٠ مگاوات الكتريكي
 
همچنين کشورهايي که بيشترين حرارت را توسط آب هاي گرم زمين گرمايي توليد مي کنند عبارتند از:
 
آمريكا ٥٦٤٠ مگاوات حرارتي
چين ١٠٥٠٠ مگاوات حرارتي
ايسلند ٣٦٠٠ مگاوات حرارتي
 ايتاليا ١٠٠٠ مگاوات حرارتي
ژاپن ٧٤٠٠ مگاوات حرارتي
ترکيه ٤٣٠٠ مگاوات حرارتي
انرژي زمين گرمايي در ايران
استفاده از انرژي زمين گرمايي درايران به سال هاي بسيار دور مي رسد بطوري که مردم به شيوه هاي سنتي از اين انرژي در محل هايي که چشمه هاي آبگرم وجود داشت، در قالب حمام ها و استخرهاي شنا جهت مصارف آب درماني و تفريحي استفاده مي کردند هم اکنون مطالعات احداث اولين نيروگاه زمين گرمايي در کشور توسط سازمان انرژي هاي نو ايران وابسته به وزارت نيرو در منطقه مشكين شهر در حال اجرا است.
تاکنون مناطقي از ايران که داراي پتانسيل مناسب جهت بهره برداري از انرژي زمين گرمايي هستند، مورد مطالعه قرار گرفته اند و پروژه هاي تحقيقاتي دراين زمينه در دست مطالعه و اجرا مي باشد.