5- منابع انرژی تجدید پذیر برای تولید برق: زمین گرمایی

[pejuhesh232]

.

[najm143]

زمین گرمایی

کلمه ژئوترمال یا زمین گرمایی از دو کلمه یونانی ژئو به معنی زمین و ترم به معنی گرما یا حرارت تشکیل شده است. بنابراین انرژي زمین گرمایی، حرارتی است که از درون زمین می آید. ما می توانیم از بخار و آب داغ تولید شده درون زمین را براي گرم کردن ساختمان ها یا تولید الکتریسیته استفاده کنیم . انرژي زمین گرمایی یک منبع انرژي تجدید پذیر می باشد زیرا آب به واسطه ریزش باران مجدداً ذخیره شده و گرما نیز به طور پیوسته درون زمین تولید می شود.

این حرارت که غالب به صورت بخار یا مایع می باشد را به دو روش مورداستفاده قرار می دهند.

روش اول؛ سیال استخراج شده از زمین به صورت ترکیب بخار و مایع است ؛ لذا سیال را براي تفکیک به مخزن جدا کننده انتقال می دهند، بخار استخراج شده مستقیمأ به توربین اعمال می شود و مایع را به دیگ بخار انتقال می دهند و پس از حرارت دادن به مایع درون دیگ بخار خروجی را به سمت توربین هدایت می کنند.

درروش دوم ؛ سیال خروجی فقط مایع است ؛ در این روش براي استفاده از حرارت مایع استخراج شده از سیال دیگري با نقطه جوش پایین تر استفاده می شود مانند( ایزوپنتان و ایزو بوتان) و بخار به دست آمده از سیال جدید را به توربین هاي بخار جهت به حرکت درآوردن ژنراتور اعمال می کنند .

جهت بالا بردن راندمان و افزایش تولید برق می توان با ترکیب این دو نیروگاه به صورت موازي یا سري و یا با استفاده از مبدل هاي حرارتی جهت عملیات پیش گرمایش در این نیروگاه بکاربرد.
انرژي زمین گرمایی در هسته زمین که حدود 4000 مایل زیر سطح می باشد. تولید می شود.

سه استفاده اصلی از انرژي زمین گرمایی عبارتند از:

الف- استفاده مستقیم در سیستم هاي گرم کننده ناحیه اي که از آب گرم حاصل از چشمه ها یا منابع نزدیک سطح استفاده می کنند.

ب- تولید الکتریسیته در نیروگاه ها که نیازمند آب یا بخار داراي دماي خیلی زیاد ( 300 تا 700 درجه فارنهایت ) می باشد.

پ- پمپ هاي حرارتی زمین گرمایی از گرماي آب نزدیک به سطح زمین براي کنترل دماي ساختمانهاي بالاي زمین استفاده می کنند.

[najm143]

چگونه انرژی زمین گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود؟



استفاده از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق به عنوان یک صنعت جدید شناخته شده است. ایتالیایی‌ها برای اولین بار در سال ۱۹۰۴ یک توربین ژنراتور را با استفاده از بخار طبیعی از زیر زمین طراحی کردند. در سال ۱۹۶۰ اولین عملیات موفقیت آمیز نیروگاه تولید برق در مقیاس بزرگ در آمریکای شمالی انجام شد. بسیاری از نیروگاه‌های انرژی زمین گرمایی در اطراف کالیفرنیا قرار دارند در حالی که بقیه نیروگاه در هاوایی، نوادا، اتاوا، ایدیهو و مونتانا قرار دارند.



تبدیل انرژی زمین گرمایی به انرژی الکتریکی در نیروگاه انجام می‌شود. در نیروگاه‌ها با استفاده از بخار آب داغ ناشی از انرژی زمین گرمایی برای به چرخش در آوردن توربین‌ها و تولید برق استفاده می‌شود.

[najm143]

تامین انرژی با استفاده از پمپ حرارتی زمین گرمایی در ایران



نخستین واحد صنعتی تامین انرژی با استفاده از پمپ حرارتی زمین گرمایی كشور، در یک ساختمان اداری بزرگ با متراژ 220 متر مربع در استان قم راه اندازی شد.

این فناوری می‌تواند انرژی لازم برای سرمایش، گرمایش و همچنین تامین آبگرم مصرفی را با استفاده از منابع تجدید شونده زمین گرمایی فراهم کند و در ساختمان‌های مختلف مسکونی، اداری، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. معاونت علمی ستاد توسعه فناوری انرژی‌های تجدیدپذیر، در تلاش است با توسعه کاربرد و تجاری سازی این فناوری در سطح کشور، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف سوخت‌های فسیلی انجام شود.





تکنولوژی پمپ‌های حرارتی بر این اصل استوار است که در عمق 2 تا 3 متری زمین ،درجه دما ثابت بوده و در زمستان گرم‌تر از هوای بیرون و در تابستان سردتر از هوای محیط است.

همچنین به طور معکوس در تابستان هوای گرم داخل ساختمان از طریق یک مکنده وارد دستگاه شده و پس از سرد شدن مجددا به داخل اتاق دمیده می‌شود. در داخل دستگاه حرارت به مبرد منتقل شده و پس از عبور مبرد از سیکل مربوطه، حرارت موجود در آن توسط یک مبدل دو لوله‌ای به آب داخل کویل زمینی که داخل لوله‌های پلی اتیلنی نصب شده در داخل زمین منتقل می‌شود. سیکل کاری این سیستم کاملا مانند یخچال بوده و فقط به جای انتقال گرمای درون یخچال به اطراف یخچال، گرمای درون ساختمان را به زمین منتقل می‌کند. راندمان انرژی این سیستم‌ها 300 تا 400 درصد بوده (در مقایسه با مدرن ترین سیستم‌های گازی با 98 درصد راندمان) و به ازای هر 1 دلار برق مصرفی در این سیستم، 3 تا 4 دلار صرفه جویی مصرف داریم. در واقع یک سیستم منفرد، کار دو سیستم گرمایش و سرمایش را انجام می‌دهد. استفاده از این سیستم ها تا 66 درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش داده و 75 درصد کمتر از سیستم‌های گرمایش و سرمایش سنتی، الکتریسیته مصرف می‌کنند.

[najm143]

تامین انرژی گرمایی از زیر زمین - futuris



در بارسلون اسپانیا، زیر ساختمان "لا فابریکا دل سُل" منبع پاکیزه و پربازده انرژی وجود دارد. "لافابریکا دل سل" بنایی قدیمی در کاتالونیا، مربوط به قرن پیش است که چند سال پیش بازسازی شده و نمونه کامل صرفه جویی در انرژی است. برای گرم کردن ساختمان در زمستان و خنک کردن آن در تابستان از انرژی زمین گرماییِ عمودی استفاده می شود. البته اینجا آتشفشان وجود ندارد و تنها چند خیابان آن طرف تر به دریای مدیترانه می رسیم.

آنیول اسکرا آلسیوس، مهندس صنایع می گوید:«معمولا گفته می شود که نیاز داریم که گرمای زیر زمین را برای گرم کردن خانه به کار ببریم. اما در مورد تاسیسات ما در اینجا، این نکته درست نیست، چون نیاز به مواد مذاب آتش فشانی زیر پای تان ندارید. سیستمی که فقط نیاز به عمق صد متر دارد، کافی و ارزان تر است و با تلمبه ای شبیه به همان تلمبه هایی که دردستگاه های تهویه به کار می رود، می توان گرمای این جرمی که زیر زمین است را به کار برد و البته دمای زیر زمین ثابت است. در نتیجه تلمبه با بازدهیِ خیلی بیشتر کار می کند.»

این طرح اروپایی «گراند-مِد» نام دارد. یک تلمبه بزرگِ گرمایی در اینجا تقریبا تمام کار را انجام می دهد. هفت لوله بزرگ که در واقع نقش کاونده را بازی می کنند، به زیر زمین می روند. یک ماشین بسیار پرقدرت زمین گرمایی (ژئو ترمال)، آب سرد را در این کاونده ها تزریق می کند و این آب گرمایی را که از زمین گرفته، به ماشین برمی گردانند وسپس ماشین این گرما را به شبکه توزیع، مثلا کف اتاق ها یا سیستم های راحتی منتقل می کند. در واقع چرخه آب داریم. آب به عنوان رساننده گرما یا سرما عمل می کند.صد متر زیر زمین دما کم وبیش ثابت است و از نظر مصرف انرژی بازدهی سیستم ژئوترمال عمودی بسیار زیاد است.

هماهنگ کننده طرح «گراند-مد» توضیح می دهد: «این طرح فناوری تلمبه های گرما را نمایش می دهد که با بازدهیِ پنج، انرژیِ مفید تولید می کنند: یعنی انرژی ای که برای گرم کردن، سرد کردن، یا تولید آب گرم به کارمی رود، پنج برابر مصرف برق است.»

تلمبه گرمایی مورداستفاده در ساختمان قدیمی کاتالونیایی، در شرق فرانسه طراحی و ساخته شده است. هدف این برنامه تحقیقاتیِ اروپا ساخت تلمبه های گرمایی است که بازدهیِ پنج داشته باشند، یعنی با یک کیلووات مصرف برق تلمبه بتواند با توان پنج کیلووات ساختمان را گرم یا سرد کند. اما سود این کار چه قدر است؟

سیستم های پیشرفته گرم کردن با تلمبه گرماییِ عمودی در حال حاضر گران تر از سیستم های زمین گرمایی کلاسیک هستند. هزینه این سیستم ها برای یک خانه حدود ده هزار یورو است. اما این سیستم فقط مختص ساختمان هایی نیست که در حال ساخت هستند، بلکه می توان آن را برای خانه های قدیمی نیز به کار برد.

https://youtu.be/t_ISJz5Xgd8?t=179

[najm143]

انرژی زمین گرمایی در تولید برق

به طور کلی مناطقی از زمین که دارای سه ویژگی مهم ، منبع حرارتی، سیال حد و محیط متخلخل هستند، پتانسیل خوبی جهت بهره برداری از انرژی گرمایی دارا می باشند.

منبع حرارتی

مواد مذاب یا سنگ های داغ مجاور آن ها به عنوان منبع انرژی حرارتی باید به گونه ای نزدیک به سطح زمین قرار گرفته باشند که موجب گرم شدن آب های نفوذی شده و در نتیجه با حفاری چاه های تولیدی بتوان سیال گرم استخراج کرد و به حرارت مطلوب رسید.

سیال حد واسط

وجود آب برای انتقال حرارت منبع حرارتی به سطح زمین لازم است. آب های جوی و فسیل از جمله سیالات انتقال دهنده ی حرارت در یک سیستم زمین گرمایی هستند.

محیط متخلخل

لایه های مختلف زمین باید دارای خلل و فرج های زیاد باشند تا آب های سطحی و نزولات جوی به خوبی داخل زمین نفوذ کنند.

بهره برداری از انرژی زمین گرمایی به دو شکل کلی امکان پذیر است که عبارتند از :



نیروگاه زمین گرمایی با سیال دو فاز

در این نیروگاه ها، سیال از چاه های زمین گرمایی خارج می شود، هر چه تعداد این چاه ها بیشتر باشد میزان مایع و بخار خارج شده از چاه ها و متناسب با آن میزان تولید برق نیز بیشتر می شود. این سیالات در مخزن جدا کنندۀ بخار از مایع جمع می شوند. بخار جدا شده وارد توربین می شود و پره های توربین به گردش در می آیند.

پره ها نیز به نوبۀ خود محور توربین و در نتیجه محور ژنراتور را به حرکت وا می دارند که باعث به وجود آمدن قطب های مثبت و منفی در ژنراتور شده و در نتیجه برق تولید می شود.



نیروگاه زمین گرمایی با سیال تک فاز

در این نوع نیروگاه ها، نیاز به مخزن جدا کننده نمی باشد زیرا آب گرم وارد مبدل حرارتی شده و حرارت خود را به سیال عامل دیگری که نقطه ی جوش پایین تری نسبت به آب دارد منتقل می کند. معمولاً سیال عامل را سیال هایی مانند: ایزوپنتان، ایزو بوتان و … در نظر می گیرند. در این فرآیند سیال عامل به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می شود که مانند روش قبلی تولید برق می نماید.

جهت بالا بردن راندمان نیروگاه ها و تولید برق بیشتر می توان این دو نوع نیروگاه را به صورت موازی و سری ترکیب نمود و یا با استفاده از مبدل های حرارتی و عملیات پیش گرمایش راندمان نیروگاه را بیشتر نمود.



آلایندگی نیروگاه زمین گرمایی

امروزه نیروگاه ها از جمله عوامل مهم آلودگی هوا می باشند که با تولید حجم زیادی از گازهای گلخانه ای و سایر ترکیبات زیان آور موجب تخریب محیط زیست می شود. نیروگاه های زمین گرمایی به دلیل تولید بسیار کم مواد آلاینده از پاک ترین نیروگاه ها هستند. میزان آلودگی این نیروگاه ها بر حسب سیکل به کار رفته متفاوت است.

سیکل با سیال تک فاز بیشتر از سیکل تبخیر آبی (سیال دو فاز)، گازهای آلاینده تولید می کند. در سیکل دو مداره به دلیل این که جریان آب داغ در یک مدار بسته قرار دارد و همچنین عدم ارتباط آن با محیط اطراف نیروگاه، تقریبا میزان آلایندگی نیروگاه صفر است. زیرا همۀ سیال خروجی از چاه پس از انجام کار در نیروگاه مجددا به زمین باز می گردد. با انجام این کار علاوه بر این که آب مورد نیاز مخزن تأمین می شود، آثار سوء ناشی از رهاسازی آب داغ در محیط زیست کاهش می یابد.

میزان گازهای NH،SO،CO۲، در نیروگاه های زمین گرمایی خیلی کمتر از میزان تولید این گازها در نیروگاه های فسیلی است. گاز دی اکسید کربن (CO2) جزو گازهای گلخانه ای است که باعث افزایش درجۀ حرارت کرۀ زمین می شود. با مقایسۀ یک کیلو وات ساعت برق تولیدی از نیروگاه های فسیلی و یک کیلو وات ساعت برق تولیدی از نیروگاه زمین گرمایی در می یابیم، میزان گازهای گلخانه ای تولید شده در نیروگاه زمین گرمایی در حدود ۹۵ درصد کاهش می یابد. سیستم های زمین گرمایی بعضی از انواع گازهای غیرقابل میعان را تولید می کنند. (CO۲ بیش از ۹۰ درصد وزن این گازها را تشکیل می دهد) با توجه به این که در سیستم های زمین گرمایی گازهای غیر قابل میعان کمتر از ۵ درصد وزن بخار تولید شده را تشکیل می دهند در نتیجه میزان CO2 نیروگاه های زمین گرمایی خیلی کمتر از مقدار تولید شده در نیروگاه های فسیلی است، این مقدار کم هم با تزریق آب داغ به درون زمین کمتر می شود.



سولفید هیدروژن ( H2S) هم از گازهایی است که نیروگاه های زمین گرمایی به مقدار کمی تولید می کنند. این گاز پس از خروج از نیروگاه توسط ترکیبات موجود در هوا اکسید شده و به SO2 تبدیل می شود که از عوامل اصلی ایجاد باران های اسیدی می باشد. امروزه به کمک فرآیندهایی، H2S خروجی از نیروگاه را تا حدود ۹۹/۹ درصد کاهش می دهند. گاز تولیدی دیگر در نیروگاه های زمین گرمایی آمونیاک (NH3) می باشد.

این گاز پس از خروج از دودکش نیروگاه در اتمسفر، اکسید شده و به آب تبدیل می شود. در نیروگاه های زمین گرمایی احتراق روی نمی دهد، پس در این نیروگاه ها هیچ یک از ترکیبات NO2 تولید نمی شود. استفاده از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق سبب کاهش قابل ملاحظه آلاینده ها می شود. به عنوان مثال در آمریکا تولید برق از منابع زمین گرمایی هر ساله مانع از انتشار ۲۲ میلیون تن CO2، ۲۰۰ هزار تن NO2 و ۱۰۰ هزار تن ذرات معلق به درون جو می شود. تولید برق به این روش در پایتخت ایسلند، این شهر را از نظر کیفیت هوا تبدیل به پاکیزه ترین پایتخت جهان کرده است.

آب داغ خروجی از نیروگاه زمین گرمایی علاوه بر درجه ی حرارت بالا حاوی ترکیباتی مانند B ،NaCl، As و Hg میباشد. بدیهی است که این مواد باید قبل از تزریق دوبارۀ آب به زمین، تصفیه شود. به این نکته هم باید توجه شود که آب داغ تزریقی نباید صدمه ای به سفره های آب زیرزمینی وارد کند، لذا در همۀ چاه های زمین گرمایی چه در حین حفاری و چه در زمان تولید آب داغ یا بخار، محیط درون چاه به وسیلۀ لوله های فلزی مخصوصی از محیط اطراف خود جدا می شوند که این امر باعث عدم نفوذ آب داغ یا بخار و ترکیبات آلاینده به سفره های آب زیرزمینی کم عمق می شود.

از نظر عملکرد نیز انرژی زمین گرمایی برتری هایی نسبت به سایر انرژی ها دارد، از جمله:

صرفه جویی در مصرف سوخت فسیلی

زمان کار کرد طولانی

گستردگی موارد کاربرد

مستقل از شرایط جوی

[najm143]

انرژی زمین گرمایی



می توانیم از منابع آب گرم در اعماق سطح زمین انرژی تمیز و تجدید پذیر برای تولید برق استفاده کنیم.

گرمای حاصل از پوسته زمین ، آب را گرم می کند .هنگامی که آب به اندازه کافی داغ شود می تواند به عنوان بخار یا آب گرم سطح زمین را بشکند.

در گذشته ، بهره گیری از انرژی زمین گرمایی محدود به مناطقی بود که آب گرم در نزدیکی سطح جریان می یافت. اما با پیشرفت فناوری های زمین گرمایی ، ما می توانیم حتی بیشتر از این منابع انرژی تجدیدپذیر طبیعی استفاده کنیم. مهندسان روشهای مختلفی برای تولید برق از چاههای زمین گرمایی حفر شده در زمین ایجاد کرده اند.

این نیروگاه زمین گرمایی بخار خشک است و رایج ترین نوع فناوری زمین گرمایی است که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. بخار زیرزمینی مستقیماً به سمت توربین حرکت می کند تا ژنراتوری را به چرخش در بیاورد.

مزایای زیست محیطی این منبع انرژی تجدید پذیر

- بصورت شبانه روزی قابل استفاده است

- میزان آلایندگی کم

- حداقل تأثیرات زیست محیطی

سازمان زمین شناسی ایالات متحده تخمین می زند که منابع زمین گرمایی بدون استفاده در ایالات متحده در صورت توسعه ، می توانند معادل 10٪ از نیازهای انرژی امروز را تأمین کنند.

در حقیقت ، برق تولید شده توسط انرژی زمین گرمایی در حال حاضر حدود 60٪ از نیرو را در سواحل شمالی کالیفرنیا تأمین می کند.

https://youtu.be/mCRDf7QxjDk?t=170

[najm143]

استفاده از انرژی زمین‌گرمایی در ایسلند



ایسلند قصد دارد در پروژه‌ای با استفاده از گدازه‌های آتشفشانی عمق زمین، انرژی تولید کند. افزایش دما و فشار مواد مذاب آتشفشانی در ایسلند محققان را به فکر استفاده از این انرژی طبیعی انداخته است.

در متون علمی به گدازه‌های آتشفشانی که حالتی بین مایع و گاز دارند، سیال‌های فوق بحرانی (supercritical fluid) گفته می‌شود و در مباحث نظری در این حالت بیشترین انرژی ممکن قابل استخراج است.

میزان انرژی موجود در این مواد پنج تا 10 برابر انرژی‌های معمول است. توجه ایسلند به این انرژی به دهه 70 میلادی برمی‌گردد و مطالعات زیادی در این زمینه انجام شده است.

حال محققان ایسلندی قصد دارند در طرحی، از این انرژی برای تولید برق استفاده کنند.

"آلبرت آلبرتسون" (Albert Albertsson) یکی از مهندسان شرکت "Icelandic energy" که از مجریان این پروژه است، گفت: برای تامین انرژی حدود 212 هزار ساکن ما نیاز به 30 تا 35 منبع انرژی گرمایی داریم، در حالی‌که با استفاده از منابع سیال‌های بحرانی تنها سه تا پنج منبع کافی است و هزینه‌ها نیز کاهش می‌یابد.

در حال حاضر دو سال از آغاز حفاری‌ها می‌گذرد و بیش از 38 سازمان بین‌المللی از 11 کشور جهان در حال همکاری هستند.

در این پروژه حفره‌هایی به عمق بیش از 4.5 کیلومتر حفر می‌شود و با رسیدن به مخازن گدازه که بین 400 تا 1000 درجه سانتی‌گراد دما دارند، گرما استخراج می‌شود.


تولید انرژی از گدازه‌های آتشفشانی ایسلند را قادر می‌کند تا به انگلیس انرژی صادر کند؛ صادراتی که منابع آن شاید طولانی‌ترین عمر را در بین ذخایر انرژی داشته باشد.