انرژی زمین گرمایی

 

به نام خدا

انرژی وابسته به حرارت مرکزی زمین :گرما شکلی از انرژی می باشد و انرژی وابسته به حرارت مرکزی زمین به طور تحت الفظی یکنوع انرژی داخل زمینی می باشد که باعث ایجاد پدیده های زمین شناسی در مقیاس جهانی می گردد.زمین مانند یک دیگ بخار است که در آن سیالات زمین گرمایی می توانند گرمای بالا و فشار مورد نیاز برای رسیدن به سطح زمین را بدست آورند.

طبیعت گرمای زمین

1) پوسته ، جبه و هسته ی زمین:سیاره ما تشکیل شده است از یک پوسته، با ضخامتی در حدود 20 تا 65 کیلومتر در نواحی قاره ای و 5 تا 6 کیلومتر در نواحی اقیانوسی،یک جبه با ضخامت 2900 کیلومتر و یک هسته با شعاع در حدود 4370 کیلومتر می باشد.بیرونی ترین سطح زمین به نام لیتوسفر می باشد که بالای سطح پوسته قرار گرفته.

2) موتور گرمای زمین:گرمای تولید شده در داخل زمین و گرمای انتشار یافته به سطح زمین به نظر غیر متعادل می باشند.برحسب یک تئوری سیاره ما به سوی سرد شدن در حرکت می باشد.فرآیند سرد شدن لایه میانی زمین عملا بسیار آهسته صورت می گیرد.انرژی حرارتی زمین فوق العاده زیاد است ، اما کسر کوچکی از آن می تواند توسط بشر مورد بهره برداری قرار گیرد.

تعریف انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال):ژئو ترمال از کلمه ی یونانی (ژئو) به معنی زمین، و (ترمال) به معنی گرما و گرمایی گرفته شده.انرژی ژئوترمال به معنای (انرژی زمین گرمایی)یا انرژی با منشأ درونی زمین است.این انرژی،به شکل گرمای محسوس ،از بخش درونی زمین منشأ می گیرد و در سنگ ها و آب های موجود در شکاف ها و منافذ داخل سنگ در پوسته ی زمین وجود دارد. زمین در زمان پیدایش(5/4 میلیارد سال قبل) حالت مذاب داشته ،تدریجا سرد شده و بخش خارجی آن به صورت جامد درآمده است.

چگونگی انتقال گرمای زمین به سطح زمین:گرما از هسته ی زمین به طور پیوسته به طرف خارج حرکت می کند.مواد مذاب با استفاده از خاصیت رسانایی(conduction) و انتقال حرارت از طریق جریانهای همرفتی (convection) به لایه ی فوقانی زمین رسیده و حرارت لازم برای مخازن زمین گرمایی را تأمین می کند.زمانیکه درجه ی حرارت و فشار به اندازه ی کافی بالا باشد،بعضی از سنگ های جبه ذوب می شوند و ماگما به وجود می آید.

مکانهای مناسب جهت بهره برداری از انرژی زمین گرمایی:مناطق دارای چشمه های آب گرم و آبفشان ها،اولین مناطقی هستند که در آنها انرژی زمین گرمایی مورد بهره برداری قرار گرفته و توسعه یافته است.ماگما در سه نقطه می تواند به سطح زمین نزدیک شود:

1) محل برخورد صفحات قاره ای و اقیانوسی (فرورانش)،مثلاً حلقه ی آتش دور اقیانوس آرام.

2) مرکز گسترش؛ محلی که صفحات قاره ای از هم دور می شوند،نظیر ایسلند و دره ی کافتی آفریقا.

3) نقاط داغ زمین؛ نقاطی که ماگما را پیوسته از جبه به طرف سطح زمین می فرستند و ردیفی از آتشفشان را تشکیل می دهند.

تعریف و نحوه دسته بندی منابع زمین گرمایی:معمولاً هنگامیکه راجع به منابع ژئوترمال سخن میگوییم،اشاره اصلی ما به آن بخش از منابع ژئوترمال است که بهتر است آن را (منابع قابل دسترسی) بنامیم،یعنی کل انرژی ذخیره شده ما بین سطح زمین و عمق معینی از پوسته آن (زیر یک ناحیه سطحی معین)که مقدار تقریبی آن با عنایت به میانگین سالیانه دمای محل سنجیده میشود.بخش مفیدی از منابع ژئوترمال را،منابعی با سطوح معین تشکیل می دهند که آنها را « منابع موجه اقتصادی» (reserve ) می نامند.

 

 

 

انواع منابع زمین گرمایی:منابع زمین گرمایی به 5 گروه عمده تقسیم بندی شده است که شامل موارد ذیل می باشد:

1) منابع آب داغ(سیستم های هیدروترمال):منابع آبی هستند که در زیر زمین داغ میشوند و سپس به سطح زمین انتقال پیدا می کنند.در سیستم های زمین گرمایی هیدروترمال اساس کار مشابه صنعت نفت می باشد.

این نوع منابع زمین گرمایی به سه گروه تقسیم بندی می شوند:

دسته اول: مخازن دما بالا با دمای بالاتر از C 150 که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای معمولی می باشد.

دسته دوم: مخازن با دمای بین 100 الی C 150 که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای پیشرفته تر باینری هستند.

دسته سوم: مخازن دمای پایین با دمای کمتر از C 100 که برای کاربردهای مستقیم مناسب می باشند.

2) منابع بخار خشک:منابعی با درجه حرارت بسیار بالا هستند که از آنها بخار خشک و یا آمیزه ای از بخار و آب با درجه حرارت بسیار بالا استحصال می شود که به جهت تولید برق این منابع دارای آرمانی ترین شرایط هستند.بزرگترین سیستم زمین گرمایی در دنیا که از منابع بخار خشک بهره می گیرد نیروگاه زمین گرمایی با نام Geysers است و در کالیفرنیا،شمال سانفرانسیسکو واقع است.این نیروگاه از یک سیستم خنک کننده آب برای ایجاد وکیومی جهت کشیدن بخار به سمت توربین استفاده می کند تا راندمان سیستم را در تولید برق بالاتر ببرد.بیشترین نگرانی در مورد این سیستم ها خارج شدن گاز سمی سولفید هیدروژن از آن است.

3) منابع تحت فشار:منابعی هستند که از آب شور (brine) تشکیل یافته اند.از این ذخایر سه نوع انرژی استخراج می شود که شامل:انرژی حرارتی از سیال گرم شده،انرژی هیدرولیک ناشی از فضای بالای حبس شده و انرژی شیمیایی ناشی از سوخت گاز متال محلول.

4) تخته سنگ های خشک داغ:تخته سنگهای بسیار عظیم با منبع آتشفشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و فیزیک سخت دارند.به سیستم های بهره برداری از این منابع سیستم های زمین گرمایی توسعه یافته (systems enhanced geothermal) که به اختصار EGS گفته می شود.

5) مواد مذاب: این منابع که به نام گدازه ها میشناسیم در واقع ایده آل ترین حالت ممکن برای منابع زمین گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین 700 تا 2000 درجه سانتیگراد است.

نشانه های انرژی زمین گرمایی

مهمترین نشانه های منابع زمین گرمایی موارد ذیل می باشد:

*سنگ های آتشفشانی جوان تر از یک میلیون سال

*چشمه های آب گرم                         *بخار فشان یا گاز فشان                              *آب فشان

*نواحی دگرسان شده                         *گِل فشان                                               *کوه های آتشفشانی فعال

برای آغاز بررسی های اکتشافی در یک منطقه زمین گرمایی،بیش از یک نشانه باید در منطقه وجود داشته باشد.

 

 

تاریخچه ی ژئوترمال:وجود کوه های آتشفشان ما را از این حقیقت آگاه ساخته که بخشهای خاصی از اعماق زمین داغ می باشند.تمامی مدلهای پیشرفته حرارتی زمین بر اساس حرارت تولید شده در اثر زوال ایزوتو توپ های رادیواکتیو اورانیوم،توریم،پتاسیم که با عمر طولانی در اعماق زمین یافت میشود،پایه ریزی شده اند.اولین اندازه گیری ها بوسیله دماسنج در سال 1740 و در معدنی نزدیک Belfort در کشور فرانسه انجام

پذیرفت.و اما نخستین تلاشها برای تولید برق از بخار آب ژئوترمال در سال 1904 میلادی در ناحیه لاردرلو انجام پذیرفت.چاه های ژئوترمال در سال 1919 در beppuژاپن ، و در سال 1921 درthe geysers  کالیفرنیا (آمریکا) حفر شدند.

مزایای استفاده از انرژی زمین گرمایی

*تمیز بودن: در این روش همانند نیروگاه بادی و خورشیدی،نیازی به سوخت نیست،بنابراین سوخت های فسیلی حذف می شوند و هیچگونه آلودگی وارد هوا نمی شود.

*بدون مشکل بودن برای منطقه:فضای کمتری برای احداث نیروگاه نیاز دارد و عوارضی چون ایجاد تونل، چاله های روباز،کپه های آشغال و یا نشت نفت و روغن را به دنبال ندارد.

*قابل اطمینان بودن (پدافند غیر عامل): نیروگاههای زمین گرمایی می توانند در طول سال فعال باشد و به دلیل قرار گرفتن روی منبع سوخت،مشکلات مربوط به قطع نیروی محرکه در نتیجه ی بدی هوا،بلایای طبیعی یا تنش های سیاسی را ندارند.

*تجدیدپذیری و دائم بودن

*صرفه جویی انرژی:هزینه ای برای واردات سوخت از کشور خارج نمی شود و نگرانی های ناشی از افزایش هزینه ی سوخت وجود نخواهد داشت.

*ایجاد تنوع در سبد انرژی کشور

*توسعه فرهنگی،اجتماعی و اقتصادی مناطق محروم

*کمک به رشد کشورهای در حال توسعه:نصب آن در مکان های دور افتاده می تواند،استاندارد و کیفیت زندگی را با آوردن نیروی برق بالا ببرد.

کاربردهای انرژی زمین گرمایی:کاربرد انرژی زمین گرمایی به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم(نیروگاهی) تقسیم می شود.استفاده مستقیم از انرژی ژئوترمال به زمان های دور بر می گردد،مردم از آب زمین گرمایی که آزادانه در سطح زمین به صورت چشمه های گرم جاری بودند استفاده می کردند.(کاربرد غیرمستقیم) در نیروگاه زمین گرمایی،آب داغ و بخار خارج شده از مخازن زمین گرمایی،نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می آورد و انرژی الکتریسیته تولید می کند.

کاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی:کاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی به معنی بهره برداری بدون واسطه از انرژی حرارتی سیال زمین گرمایی است.یکی از کاربرد سیال زمین گرمایی ،کیفیت شیمیایی آن است ،که اگر میزان املاح محلول آن کم باشد بدون کمک گرفتن از مبدل حرارتی می توان مستقیماً آب داغ یا بخار را مورد استفاده قرار داد.

 

 

 

تکنولوژی:سیستم های کاربرد مستقیم زمین گرمایی شامل 3 بخش اساسی می باشند:

1- سیستم تولید که آب را از داخل چاه ها به سطح زمین می آورد.

2- سیستم تحویل که آب را در داخل لوله ها توزیع می کند.

3- سیستم دفع که آب سرد شده را دوباره به مخازن آبی برمی گرداند.

در حال حاضر حدود 72 کشور از منابع زمین گرمایی به طور مستقیم استفاده می کنند که میزان مصرف هر کدام به درصد عبارتند از:

گرمایش و سرمایش ساختمان ها 20%              پمپ های حرارتی 33%                 کشاورزی 5/7%                        آبزی پروری  2/4%

کاربردهای صنعتی   2/4%                            درمان بیماری  8/28%                   سایر  3/2%

در ادامه شرح مختصری در خصوص هر یک از موارد فوق ارائه میشود:

گرمایش ساختمان ها(گرمایش محیطی و منطقه ای):گرمایش ساختمان ها ،یکی از موفقیت آمیز ترین کاربردهای کنونی انرژی ژئوترمال به شمار می رود.در این کاربرد،آب داغ از چاه زمین گرمایی به فضاهای مسکونی،تجاری یا اداری منتقل شده و گرمایش فضاهای مزبور را تأمین می کند.یکی از مزایای مهم سیستم های گرمایشی زمین گرمایی در این است که آب داغ پس از تأمین حرارت فضاهای مختلف،مجدداً به درون مخزن زمین گرمایی تزریق می شود.بزرگترین سیستم گرمایش منطقه ای در Reykjavik ایسلند قرار دارد.ملاحظات مربوط به منبع برای این کاربرد خاص شامل: توسعه منبع،دمای سیال،پتانسیل انرژی منبع،شیمی سیالات و فاصله از بازار پتانسیل مصرف می باشد.

سرمایش محیطی:سرمایش محیطی،گزینه ی دیگری است که چنانچه امکان سازگاری دادن ماشین های جذبی با کاربردهای ژئوترمال وجود داشته باشد،می توان به آن صورت عینی و عملی بخشید.عمل تبرید با استفاده از دو سیال انجام می پذیرد: یک مبرد و یک سیال ثانویه یا جاذب.

کشاورزی:کاربرد سیالات زمین گرمایی در کشاورزی عبارتند از:کشاورزی در زمین های روباز و گرمایش گلخانه ها .رایج ترین کاربرد انرژی زمین گرمایی به تأمین گرمایش گلخانه ها اختصاص دارد.شرایط رشد گیاهان بر اساس دمای بهینه هر گیاه و میزان نور،غلظت co² در محیط گلخانه،رطوبت خاک و هوا و سرعت جا به جایی هوا پایه ریزی شده اند.جداره گلخانه ها میتواند از صفحات شیشه ای یا پلاستیکی ساخته شود.

آبزی پروری:یکی از رایج ترین و سودمند ترین کاربردهای مستقیم انرژی زمین گرمایی ،آبزی پروری است.آبزی پروری به معنای پرورش اورگانیسم های آب شیرین یا آب شور در یک محیط کنترل شده با هدف افزایش نرخ تولید میباشد.

فن آوری پیشرفته پرورش ماهی در ایسلند:مزارع پرورش ماهی در ایسلند بر پایه منابع آب شیرین و آب شور دریا همراه با انرژی زمین گرمایی برای گرم کردن آن تکیه دارد.در فصل زمستان،نیاز به آب گرم برای ثابت نگه داشتن دمای حوضچه ها حدود c ^. 10 ،افزایش می یابد.با تنظیم دما می توان رشد ماهی ها را کاهش یا افزایش داد .قبل از اینکه مخلوط آبها وارد تانک ها شود، عمل هواگیری و هوادهی برای همسان سازی نیتروژن انجام میشود.اندازه تانک ها به سایز ماهی ها بستگی دارد.تانکهای کوچک معمولا از فایبر گلاس ساخته می شود و تانکهای بزرگ از عناصر بتونی پیش ساخته.

 

 

 

ذوب برف:یکی از کاربردهای مستقیم انرژی زمین گرمایی جلوگیری از یخ زدگی معابر و خیابانها توسط لوله هایی است که در زیر زمین تعبیه شده و آب گرم زمین گرمایی از این لوله ها عبور کرده و باعث ذوب برف میشود.جنس این لوله ها فلز یا پلاستیک است و به علت مشکلات خوردگی در لوله های متقاطع به جای آهن از پلی اتیلن استفاده می شود.

معیارهای کلی طراحی:ذوب برف بوسیله سیستم های گرمایشی به 4 فاکتور اتمسفری بستگی دارد:

1- میزان بارش                         2-دمای هوا                               3-رطوبت نسبی                                       4–سرعت باد

تجهیزات مربوط به سیستم های ذوب برف بر طبق سه نوع کلاس طبقه بندی می شود:

کلاس 1 (کمینه): مسیرهای کاشت درختان و خیابان های ماشین روی خلوت

کلاس 2 (میانه): پیاده رو ها و خیابان های پر تردد

کلاس 3 (بیشینه): میدان های عمومی ، بزرگراه ها، ورودی بیمارستانها و …

مصالح لوله کشی و نصب و تأسیسات کف خیابانها:مصالح لوله کشی می تواند هم فلزی و هم پلاستیکی باشد.روش جدید در آمریکا استفاده از لوله های پلاستیک با آهن برای لوله های اصلی است.لوله های پلاستیکی از یک پلی اتیلن اتصال عرضی (PEX) هستند.این لوله ها سبک وزن و قابل انعطاف بوده و می توان آنها را به راحتی در هر جهت خم کرد.

نحوه استفاده از انرژی زمین گرمایی در سیستم های ذوب برف:انرژی زمین گرمایی می تواند به وسیله ی یکی از 4 متد زیر ،سیستم را تغذیه کند: 1) استفاده سراسری از لوله های گرمایی؛ 2) استفاده مستقیم از چاه به سمت لوله های سیار؛ 3) یک مبدل گرمایی سراسری در رأس چاه؛ 4) به وسیله اجازه عبور آب به طور مستقیم بر روی سنگ فرش ها.

کاربردهای صنعتی: انرژی زمین گرمایی می تواند به طریق مختلف در حوزه صنعت مورد استفاده قرار گیرد.در حال حاضر 19 کشور جهان از این انرژی در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می کنند به عنوان مثال:

-تولید برات و اسید بوریک از سیالات زمین گرمایی در ایتالیا                                        -استحصال نفت در روسیه

-تولید چرم در اسلووفی و صربستان                                                                      -تولید گاز دی اکسید کربن در ایسلند و ترکیه

-تولید کاغذ و قطعات خودرو در مقدونیه                                                                -خمیر کاغذ ، کاغذ و چوب در نیوزلند

-استخراج طلا در آمریکا(شستشوی توده ای خاک با هدف بازیافت طلا و نقره)                  -آبزدایی از سبزیجات و میوه ها

-خشک کردن الوارها و رنگرزی                                                                              -فرآوری و تولید خاک سیلیسی مرغوب در ایسلند

چشمه های آب درمانی و آب معدنی:قرن هاست که مردم چین،ایسلند،ژاپن،نیوزلند،آمریکای شمالی و دیگر مناطق از آب داغ چشمه ها برای حمام کردن و شستشو استفاده می کنند.رومی های قدیم از آب زمین گرمایی برای درمان چشم و بیماری های پوستی ودر بعضی مناطق دیگر برای گرم کردن ساختمانها استفاده می کردند.امروزه از آب های گرم دارای حرارت بیش از 50 درجه سانتیگراد برای درمان بیماری های نظیر فشار خون، روماتیسم،بیماری های پوستی و بیماری های دستگاه عصبی استفاده می شود.

 

 

پمپ های حرارتی زمین گرمایی:تکنولوژی پمپ های حرارتی بر این اصل 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.سیستم های گرمایش و سرمایش با پمپ های حرارتی شامل سه بخش اساسی است:

1- حلقه های زیر زمینی(ground loop): شامل لوله های کار گذاشته در زیر خاک است و با مخلوطی از آب و ضد یخ پر شده و این مخلوط در لوله ها جریان یافته و گرمای زمین را جذب می کند.

2– پمپ حرارتی (heat pumps):شامل سه قسمت است و نحوه عملکرد آن کاملا شبیه یخچال است:

*evaporator(تبخیر کننده):حرارت را از آب جاری در حلقه زیر زمینی دریافت می کنند.

*compressor(متراکم کننده)

سردکن (refrigerant): را اطراف پمپ حرارتی حرکت داده و سردکن گازی را تا رسیدن به دمای مطلوب سیستم توزیع متراکم میکند.

*Condenser(چگالنده): گرما را به یک مخزن آب داغ که سیستم توزیع از این مخزن تغذیه میشود،می رساند.ساختار فنی این پمپ امکان استخراج انرژی حرارتی را از یک منبع حرارتی دما-پایین فراهم ساخته و آن را به صورت یک انرژی حرارتی مفید در دمای بالاتر در دسترس ما قرار میدهد.پمپ های حرارتی به دو گروه عمده تقسیم می شوند:

*پمپ های حرارتی آب_به_هوا:هوای گرم یا هوای سرد را با استفاده از محلول واسطه (آب یا الکل)و زمین به عنوان سنگ یا منبع حرارتی به ساختمان منتقل می کند.

*پمپ های حرارتی آب_به_آب:آب داغ یا آب سرد را با استفاده از محلول واسطه (آب یا الکل)و زمین به عنوان سنگ حرارتی یا منبع حرارتی به ساختمان تحویل میدهد.

سیستم توزیع گرما:شامل سیستم های گرمایش کف ساختمانها و رادیاتورها برای گرمایش محیط و در بعضی موارد ذخیره آب برای تأمین آب گرم ساختمان میباشد.سیستم های گرمایش و سرمایش با پمپ های حرارتی را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

1. سیستم های باز (open systems) 2. سیستم های بسته (closed systems) 3. سیستم های دیگر(other systems)

سیستم حلقه باز: در این سیستم هیچ نوع مانع و حائلی میان خاک،آب زیر زمینی و تبخیر کننده پمپ حرارتی وجود ندارد.

سیستم حلقه بسته:حامل گرما توسط دیواره ی مبدل حرارتی از خاک و از آبهای زیرزمینی مجزا شده است از این رو حلقه بسته نامیده میشود.

مزایای پمپ حرارتی: یکی از مزایای پمپ های حرارتی زمین گرمایی چه در تأسیسات و چه مسکونی کم هزینه بودن نگهداری و تعمیر آنها نیز می باشد.همچنین تمامی سیستم های سرمایشی شبیه به سیستم یخچال های خانگی آب بندی شده اند.

*پمپ های حرارتی زمین گرمایی بسیار منعطف هستند و می توان آنها را به قسمت های کوچکتر تقسیم کرد تا بطور مناسب در ساختمان نصب شوند.

 

 

 

*در واحد های تجاری با بازیافت گرمای اضافی قسمت های داخلی ساختمان و انتقال این گرما به محیط های بازتر ساختمان در هزینه ها صرفه جویی می شود همچنین این سیستم می تواند در سیستم های خالی ساختمان که نیاز به گرمایش ندارند را از قسمت های دیگر جدا وایزوله کند.

*به دلیل عدم وجود هرگونه احتراق،این سیستم ها بسیار ایمن تر از سیستم های متداول هستند.

*آلودگی محیطی (گازهای گلخانه ای)و صوتی این سیستم ها کمتر از سیستم های متداول است.

وضعیت پمپ حرارتی زمین گرمایی در ایران:پمپ حرارتی زمین گرمایی از سال 1380 در معاونت امور انرژی آغاز گردید و این مطالعات منجر به تغییر یک کولر گازی به پمپ حرارتی زمین گرمایی گردید.این دستگاه در مشکین شهر نصب و راه اندازی شد. کویل زمینی آن به صورت افقی می باشد که باعث شده میزان مصرف برق دستگاه با اندازه 30% کاهش یابد.

پمپ های حرارتی زمین گرمایی در طالقان:سازمان انرژی های نو ایران به کمک شرکت آساد صنعت چهار دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی تهیه و آن را در آزمایشگاه کولر گازی«آزمایشگاه صرفه جویی ملی انرژی»مورد آزمایش قرار داد که منتج به محاسبه راندمام (Cop)برابر 5/4 و مصرف برق 750وات گردید که در مقایسه با بهترین کولر گازی موجود در ایران که دارای راندمان کمتر از 5/2 با مصرف برق 2800وات می باشد،از میزان قابل توجه کاهش مصرف برق برخوردار است.نتیجه این مطالعات بیانگر عملکرد مناسب سیستم در فصل گرما و سرما بوده.

پمپ حرارتی زمین گرمایی در رشت:با بررسی عملکرد دستگاه ها در شرایط شمالی کشور ،شهر رشت به عنوان نمونه انتخاب و سومین پمپ حرارتی در آنجا راه اندازی شد.به دلیل بالا بودن سطح آب و مشکلات حفر چاه ،در شهر رشت از کویل عمودی-افقی استفاده شد.

پمپ حرارتی زمین گرمایی در اهواز:استان خوزستان به دلیل داشتن رطوبت و دمای بالا از کولر گازی بسیار استفاده می شود.کویل زمینی این سیستم از نوع مارپیچ با طول 200متر در کانالی به طول 7متر نصب گردید.در زمستان 1386این سیستم در حالت گرمایشی راه اندازی شد و با مصرف برق 850 وات گرمای مورد نیاز اتاقی به مساحت 35 متر مربع را تأمین نمود.هم اکنون با شروع فصل گرما سیستم در حالت سرمایش با مصرف برق 900وات در حال کار می باشد.

پمپ حرارتی زمین گرمایی در بندرعباس:پنجمین پمپ حرارتی زمین گرمایی در شهر بندرعباس و در کتابخانه اداره جهاد کشاورزی استان هرمزگان نصب شده است.شهر بندرعباس به دلیل گرما و رطوبت بالا و نزدیکی به دریا انتخاب گردید.کویل این سیستم به صورت افقی و مارپیچ است.

نیروگاههای زمین گرمایی:منابع بزرگ زمین گرمایی یعنی منابعی که اساساً برای تولید انرژی الکتریکی قابل استفاده هستند و در نواحی محدودی از زمین یافت می شوند و منابع کوچک زمین گرمایی تنها در ظرفیت های محدود قابلیت بهره برداری به طور مستقیم را دارا هستند.انرژی زمین گرمایی را می توان به دو دسته سنتی (بخار خشک،بخار لحظه ای و باینری)و سیستم های پیشرفته که برخی از آنها هنوز به مرحله تجاری نرسیده اند تقسیم کرد.موادی که برای توربین های نیروگاههای زمین گرمایی ساخته میشود باید دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی و پوسیدگی باشند زیرا سولفید هیدروژن موجود در گازهای خروجی از زمین باعث خوردگی فولادهای معمولی می شود.

 

 

 

 

واحد های نیروگاهی بر دو قسمت اند:

*واحد های نیروگاهی سرچاهی: این واحد ها در مجاورت یک یا چند چاه تولیدی راه اندازی شده و معمولا با آب داغ یا بخار آب خروجی از آنها تغذیه میشوند.این واحد ها دارای ساختار مدولار بوده و در مقیاس های معین ساخته میشوند.

*نیروگاههای مرکزی: شامل خطوط انتقال به هم پیوسته و طویلی هستند که بخار آب را از مجموعه چاه های متعدد به واحد مرکزی منتقل می کند.این واحدها با توجه به میزان تقاضا ،عوامل محیطی و … انتخاب میشوند.

انواع نیروگاههای زمین گرمایی:

1. نیروگاههایی که در آنها سیال زمین گرمایی خارج شده از چاه های تولیدی،مایع تک فاز با دمای پایین هستند و با انتقال حرارت سیال زمین گرمایی به سیال ثانویه می توان در دماهای کم،سیال ثانویه را به بخار تبدیل و با عبور آن از توربین تولید برق نمود.
2. نیروگاههایی که سیال زمین گرمایی به صورت دو فاز مایع و بخار با دمای نسبتاً بالا از چاه های تولیدی خارج شده و سپس وارد یک جداکننده شده و بخار حاصل به سمت توربین و آب داغ به سمت چاه های تزریقی و برج خنک کننده فرستاده می شود.

3.نیروگاه ترکیبی که از ترکیب دو نیروگاه فوق به صورت سری و موازی تولید برق میکند.

سیکل بخار خشک: در این نوع سیکل ،سیال زمین گرمایی خروجی از چاه از چنان کیفیتی برخوردار است که به صورت بخار خالص از چاه خارج شده و مستقیماً وارد توربین می شود و نیازی به مخزن تفکیک کننده نمی باشد.بزرگترین نیروگاه بخار خشک در کالفرنیا شمالی واقع است.تجهیزات استفاده شده در یک نیروگاه بخار خشک شامل:

1) چاه و سیستم تأمین بخار و سیال ژئوترمال                                                         2) توربین-ژنراتور و سیستم های کنترل

3) کندانسوز دستگاه تخلیه گاز و دستگاه کنترل آلودگی                                           4) سیستم ثابت نگه دارنده دما (برج خنک کننده)

5) سیستم های  back up                                                                              6) سیستم های کاهش نویز

7) سیستم های دفع ضایعات زمین گرمایی (چاههای تخلیه)

سیکل بخار لحظه ای: این نیروگاه متداول ترین نوع نیروگاه های زمین گرمایی هستند.این نیروگاهها از سیال با درجه حرارت بالاتر از 182 درجه سانتیگراد که تحت فشار بالا به سطح زمین آورده می شود استفاده می کنند.ظرفیت این نیروگاهها 3 تا 90 مگاوات است.انواع این نیروگاهها عبارتند از:

سیکل بخار لحظه ای تک مرحله ای بدون کندانسوز: در این نوع سیکل،سیال زمین گرمایی پس از خارج شدن از چاه تغذیه به صورت دو فاز مایع و بخار به داخل مخزن تفکیک کننده هدایت می شود.

 

 

 

 

سیکل بخار لحظه ای تک مرحله ای با کندانسوز: تفاوت این سیکل با سیکل بخار لحظه ای بدون کندانسوز در این است که،سیال زمین گرمایی پس از خارج شدن از توربین وارد کندانسوز شده و به وسیله آب سردی که توسط برج خنک کننده تأمین شده است، به صورت کاملاً مایع در می آید تا اولاً بخار بدلیل ملاحظات زیست محیطی به داخل اتمسفر وارد نشود،ثانیاً امکان پمپاژ مایع به وجود بیاید و ثالثاً به خاطر کمتر بودن فشار بعد از کندانسوز در مقایسه با فشار بعد از توربین،امکان تولید برق بیشتر نسبت به سیکل بخار لحظه ای بدون کندانسوز ایجاد شود.

سیکل بخار دو مرحله ای با کندانسوز: این سیستم در واقع شکل بهبود یافته ای از سیستم های یک مرحله ای هستند.طرز کار آنها همانند سیکل بخار لحظه ای با کندانسوز است با این تفاوت که در سیکل بخار دو مرحله ای دو توربین فشار پایین و فشار بالا و دو تفکیک کننده بخار از مایع وجود دارد.

سیکل باینری (دوگانه):این نیروگاهها در میان نیروگاههای ژئوترمال از لحاظ ترمودینامیکی شبیه ترین نوع به نیروگاههای فسیلی یا اتمی هستند.زیرا در یک سیکل کاملا بسته در سیستم کار میکند و در واقع تفاوت اساسی ای نوع سیکل با سیکل تبخیر آنی و بخار خشک در این است که سیال زمین گرمایی هرگز در تماس با تجهیزات نیروگاهی قرار نمی گیرد واحد های نیروگاهی باینری معمولاً به صورت واحدهای مدولار کوچک با ظرفیت های چند صد کیلو وات الی چند مگاوات ساخته میشوند. تجهیزات به کار برده شده در سیکل باینری عبارتند از:

1) پمپ ها و موتورهای درون چاه ها                                                            2) سیستم تأمین سیال زمین گرمایی

3) مبدل های حرارتی بین سیال زمین گرمایی و سیال عامل                              4) توربین-ژنراتور و سیستم کنترل

5) کندانسوز سیال ثانویه،سیستم اکومولاتور و ذخیره سازی                               6) سیستم پمپ های تغذیه سیال ثانویه (عامل)

7) سیستم تنظیم حرارت (سیستم خنک کننده خشک و مرطوب)                       8) سیستم پشتیبانی (back up)

9) سیستم دفع ضایعات نیروگاه (تزریق سیال مصرف شده زمین)                         10) سیستم اطفا حریق(اگر سیال ثانویه قابل اشتغال باشد)

سیستم های مدرن زمین گرمایی:منابع زمین گرمایی مانند اثر انگشت انسانها منحصر به فرد بوده و هیچ دو منبعی کاملا شبیه یکدیگر نیستند.مطرح ترین سیستم جدید بهره برداری از انرژی زمین گرمایی سیستم های EGS هستند که در این سیستم ها سنگ های داغ و خشک مورد استفاده قرار می گیرد.تنها بخش کوچک از منابع زمین گرمایی بخار و آب های داغ هستند.گرمای زمین آب را به بخار تبدیل و از این بخار برای تولید برق در نیروگاه ها استفاده میشود.انرژی خورشیدی برای تأمین برق پمپ ها استفاده میشود.

از دیگر تکنولوژی های جدید میتوان به:

*سیستم های ترکیبی تبخیر لحظه ای یک و دو مرحله ای                                             *سیستم های ترکیبی بخار لحظه ای-باینری

*سیستم های total-flow (جریان کلی)                   *سیستم های ترکیبی زمین گرمایی-فسیلی یا بیوماس اشاره کرد که هنوز به بهره برداری تجاری نرسیده اند.

 

 

 

 

دیدگاههای اقتصادی در ارزیابی پروژه های زمین گرمایی:هزینه بهره برداری از منابع انرژی زمین گرمایی به میزان زیادی به توان تولیدی چاه های حفر شده بستگی دارد.و همچنین به عوامل دیگر مانند:نوع سیستم ها،شرایط و مشخصات میدان زمین گرمایی هم می توان اشاره کرد.هر پروژه زمین گرمایی دارای هزینه ی خاص خود برای توسعه و بهره برداری است که به دو بخش عمده تقسیم می شوند:

1) هزینه های مرحله اکتشافی                                                              2) هزینه های مرحله توسعه ای و نصب نیروگاه

فاز اکتشافی خود به سه بخش عمده تقسیم می گردد که در هر بخش با تکمیل مطالعات مربوطه و پردازش اطلاعات جمع آوری شده ریسک سرمایه گذاری بطور چشمگیری کاهش می یابد.این بخش از مطالعات شامل موارد زیر می باشد:

_ جمع آوری اطلاعات با توجه به شواهد غیر مستقیم در مورد نوع منبع حرارتی،تراوایی طبقات و وجود سنگ پوشش

_ محدود کردن ناحیه مورد نظر به مناطق دارای بیشترین ذخایر انرژی زمین گرمایی

_ ارزیابی خصوصیات و پتانسیل ذخایر انرژی زمین گرمایی

_ اثبات وجود ذخایر و پیشنهاد ادامه روند اکتشافات با حفر چاه های اکتشافی

_ تعیین محل حفر چاه های اکتشافی و طراحی چاه های مورد نظر برای حفاری

مرحله ی بعدی،مطالعات امکان سختی تکمیلی می باشد.پس از اتمام این مطالعات موارد زیر در مورد مخزن زمین گرمایی قابل تشخیص خواهند بود:

_ اثبات وجود مخزن زمین گرمایی

_ اثبات و تعیین مقدار پتانسیل انرژی زمین گرمایی قابل بهره برداری

_ ارزیابی کمی منبع زمین گرمایی از نظر انتالپی،میزان مواد جامد غیر محلول و گازهای غیر قابل تراکم و توان تولیدی و تزریقی چاه های حفر شده

_ طراحی حفر چاه های تولیدی و تزریقی

_ طراحی نیروگاه و روند اجرای پروژه-ارزیابی و برآورد هزینه ها و بررسی اقتصادی پروژه

_ ارزیابی و بررسی های زیست محیطی پروژه

در هزینه های یک نیروگاه زمین گرمایی عوامل متعددی دخالت دارند که می توان به مواردی همچون میزان عمق و درجه حرارت منبع،نوع منبع(بخار،مایع و یا دو فازی)،خواص شیمیایی آب زمین گرمایی ،میزان نفوذ پذیری منابع،میزان ظرفیت نیروگاه،تکنولوژی نیروگاه،نزدیکی به خطوط اصلی شبکه برق،نحوه انعقاد قرار داد با پیمانکاران،رهبری،مدیریت،قوانین محلی،باورهای مذهبی ورسومات افراد ساکن در محل،حق بیمه،حق الامتیاز ساکنین محل و دیگر هزینه های غیر مستقیم اشاره کرد.

 

 

 

ملاحظات اقتصادی برای بهره برداری مناسب:

1) کوتاه بودن فاصله بین منبع ژئوترمال و سایت بهره برداری

2) طراحی سیستم بهره برداری،عمر طولانی (جهت مستهلک ساختن هزینه سرمایه گذاری)

3) صرفه جویی و بالا بردن ضریب بهره برداری با استفاده از سیستم های مرکب (هیبرید)یا سیستم های آبشاری (cascade)

4) ساده بودن سیستم از لحاظ فنی و قابل فهم توسط متخصصین

5) بررسی بازار مصرف و انتقال محصول (اگر واحد برای تولید فرآورده های مصرفی باشد)

6) هزینه راه اندازی یک واحد ژئوترمال عموماً بیشتر و گاهی اوقات خیلی بیشتر از واحد مشابهی است که با یک سوخت رایج کار می کند.بنابراین منابع نیروگاههای ژئوترمال باید به گونه ای طراحی گردد که از طول عمر به حد کفایت طولانی برخوردار باشد.

7) به منظور کاستن از هزینه های تعمیر و نگهداری و تعداد دفعات قطع سیستم ،لازم است پیچیدگی فنی واحد ژئوترمال در حدی باشد که توسط پرسنل فنی محلی یا کارشناسی که به سهولت قابل دسترس هستند،قابل هضم باشد.

مزایای استفاده نیروگاهی از انرژی ژئوترمال:

–از این انرژی می توان انرژی های ثانویه دیگری چون انرژی الکتریسیته تولید کرد بدون اینکه هیچگونه سوختی چون نفت،گاز و یا ذغال سنگ استفاده شود و این خود دال بر غیر آلاینده بودن انرژی ژئوترمال است.

–انرژی ژئوترمال را میتوان در تمام مدت 24 ساعت شبانه روز و در هر 365 روز سال استخراج و استفاده کرد و همچنین مستقل از شرایط جوی می باشد.

–این انرژی ،یک انرژی بومی است و احتیاج به وارد کردن یا صادر کردن آن به کشور دیگر نیست.

–احداث نیروگاههای کوچک ژئوترمال در روستاهای کوچک علاوه بر کمک اقتصادی به منطقه و جذب جهانگرد،از مهاجرت روستاییان به شهر هم جلوگیری می کند که باعث افزایش درجه رفاه عمومی خواهد شد.

–دستگاههای ژئوترمال فضای زیادی را اشغال نمی کنند.در نتیجه بر محیط تأثیر چشم گیری نمی گذارند.

–بعد از احداث یک واحد قدرت ژئوترمال انرژی تولیدی تقریباً به صورت مجانی در می آید.تنها مقداری انرژی برای به حرکت درآوردن پمپ ها لازم است که آن هم به وسیله انرژی تولیدی تأمین می شود.

 

 

 

 

 

 

عوامل بازدارنده ساخت نیروگاههای زمین گرمایی

*محدودیت تجهیزات:تجهیزات نیروگاهی تولید برق زمین گرمایی به گونه ای طراحی شده است که حداقل ظرفیت آنها برابر100کیلو وات است.

*احتیاج  به منابع با درجه حرارت بالا

*مصرف برق زیاد در خود نیروگاه:مصرف برق در پمپ های برج خنک کن،فن های برج خنک کن،پمپ های چاه ها و همچنین پمپ های تولید سیکل توان است.

*هزینه سرمایه گذاری بالا

چشم انداز آینده و رویکرد جهانی در خصوص انرژی زمین گرمایی:پیش بینی میشودتا پایان سال 2010میزان استفاده از انرژی زمین گرمایی به بیش از 1000مگاوات برسد نیاز به وجود آب گرم در این تکنولوژی منتفی است و صرفاً وجود منبع گرم اهمیت دارد.

وضعیت نیروگاههای زمین گرمایی تا پایان سال 2007:میزان ظرفیت نصب شده از سال 1975 تا پایان سال 2007 در جهان و همچنین پیش بینی میزان رشد آن تا پایان سال 2010نشان داده شده است.ظرفیت نصب شده انرژی زمین گرمایی در جهان با سرعت زیادی در حال افزایش است.

خلاصه ای از وضعیت نیروگاههای زمین گرمایی در کشورهای مختلف:در پایان سال 2007 ظرفیت نصب شده زمین گرمایی در دنیا در حدود 7/9 گیگاوات بوده و انتظار می رود این ظرفیت تا پایان سال 2010 به 11 گیگاوات برسد.فعال ترین و مهمترین کشور در تولید برق انرژی زمان گرمایی کشور ایسلند نیز می باشد.این کشور از سال 2005 تا به حال حدود 220 مگاوات ظرفیت جدید نصب شده  و 110% افزایش داشته است.در ادامه به شرح وضعیت چند مورد از مناطق تا پایان سال 2007 می پردازیم:

آمریکا:این کشور در تولید برق زمین گرمایی مقام اول را داراست.بزرگترین نیروگاه بخار خشک جهان در این کشور واقع بوده که 1360مگاوات ظرفیت نصب شده را داراست.

فیلیپین:این کشور طبق طبقه بندی IGA مقام دوم را در تولید برق از انرژی زمین گرمایی داراست.ظرفیت فعال و در حال کار آن بیش از 1875 مگاوات است و این میزان در حدود 27% از برق این کشور را تأمین میکند.

 

مکزیک:این کشور از لحاظ ظرفیت نیروگاهی نصب شده مقام سوم را در جهان داراست.

آفریقا:انرژی الکتریکی زمین گرمایی در این قاره از لحاظ اقتصادی نقش بسیار مهمی را ایفا میکند.از کشورهایی که پیشرفت قابل ملاحضه ای در زمینه زمین گرمایی در قاره آفریقا داشته اند کشور گینه نو است که با تولید 56مگاوات برق زمین گرمایی در حدود 75% برق مورد نیاز از این کشور تأمین میشود.

 

 

 

 

ایسلند:این کشور در منطقه ای آتش فشانی واقع بوده و موقعیتی ایده آل برای استفاده از انرژی زمین گرمایی داراست.حدود 26%از انرژی الکتریکی این کشور  از انرژی زمین گرمایی تأمین میشود.هدف این کشور استفاده 100%از این انرژی و حذف سوخت های فسیلی در آینده نزدیک است.

تأثیر بهره برداری از منابع زمین گرمایی بر محیط زیست:معمولاً میزان تاثیری که بهره برداری از منابع انرژی زمین گرمایی بر محیط زیست می گذارد،با وسعت ابعاد این بهره برداری متناسب است.

*نخستین اثر مشهود زیست محیطی واحدهای نیروگاهی یا غیر نیروگاهی ژئوترمال ناشی از عملیات حفاری است و اساساً به محض اتمام عملیات حفاری،تبعات مخرب زیست محیطی آن نیز به پایان می رسد.

*مرحله بعدی ،یعنی نصب و راه اندازی خطوط لوله ای است که کار انتقال سیالات ژئوترمال را بر عهده خواهند داشت و ساخت واحدهای بهره برداری ،نیز در حیات جانوران و گیاهان و شکل ظاهری منطقه تأثیر خواهد گذاشت.

*مسائل زیست محیطی در حین فعالیت واحد بهره برداری نیز به وجود می آیند.سیالات زمین گرمایی معمولاً حاوی گازهایی نظیر دی اکسیدکربن،سولفید،هیدروژن،متان و مواد محلولی میباشد که باعث آلودگی محیط زیست می شوند.

*آلودگی هوا به هنگام تولید برق در نیروگاههای متداول می تواند بعنوان یک معضل زیست محیطی عمده قلمداد شود.سولفید هیدروژن یکی از آلاینده های اصلی است.

*تخلیه پساب های خروجی نیز یکی از منابع پتانسیل آلودگی شیمیایی قلمداد می شوند.

*استخراج مقادیر فراوانی از سیالات زمین گرمایی از منابع آبی زیرزمینی می تواند باعث وقوع پدیده نشست یا به عبارتی فرونشینی تدریجی سطح زمین شود.

*آلودگی صوتی ناشی از فعالیت واحدهای ژئوترمال را می توان در مواردی که واحد به تولید انرژی می پردازد  هم یک معضل زیست محیطی قلمداد نمود.

مقایسه انرژی زمین گرمایی با انرژی حاصل از سوخت های فسیلی:انرژی زمین گرمایی علاوه بر تجدیدپذیر بودن،در مقایسه با سایر منابع تولید انرژی ،آلایندگی کمتری داشته و جزو منابع پاک انرژی به شمار می رود.البته به این معنا نیست که کاملاً فاقد آلودگی است ولی میزان آلایندگی آن نسبت به نیروگاههای فسیلی  ویا هسته ای به حدی اندک است.مزایای انرژی زمین گرمایی را می توان به دو دسته کلی مزایای زیست محیطی و کاربردی تقسیم بندی کرد.مهمترین مزایای زیست محیطی کاربرد انرژی زمین گرمایی عبارتند از:عدم آلودگی هوا و منابع آب

زیرزمینی و عدم نیاز به زمین وسیع.نیروگاههای زمین گرمایی به دلیل تولید بسیار کم گازهای مضر جز پاکیزه ترین انواع نیروگاههای مولد برق به شمار می روند.گاز دی اکسید کربن (CO₂) از جمله مهمترین گازهای گلخانه ای است که جزو گازهای آلاینده به شمار نمی رود ولی باعث افزلیش درجه حرارت کره زمین می شود.

 

 

 

انرژی زمین گرمایی در ایران:رشد روز افزون جمعیت،توسعه ی شهری و نیز اقتصاد انرژی در کشور ما،تولید 90هزار مگاوات برق در سال 2020 را اجتناب ناپذیر ساخته است در حدود 98% ظرفیت تولید فعلی نیروگاههای برق کشور به کاربرد سوخت های فسیلی متکی است.در کشور ما ایران از سال 1354 و به منظور شناسایی پتانسیل های منبع انرژی زمین گرمایی مطالعات گسترده ای توسط وزارت نیرو با همکاری

مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده ای به وسعت 260هزار کیلومتر مربع آغاز گردید.مناطق سبلان،دماوند،خوی،ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر 31 هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب می باشند.عملیات اجرای حفر اولین چاه اکتشافی زمین گرمایی ایران به عمق سه هزار متر آبان ماه 1381 آغاز و با نظارت مهندسین مشاور SKM از نیوزلند و تحت بدترین شرایط جوی و دمای 30درجه سانتیگراد زیر صفر در طول زمستان ادامه یافت.

پتانسیل های انرژی زمین گرمایی در کدام بخش های ایران قرار دارد و بر چه اساسی انتخاب شده اند؟

پتانسیل انرژی زمین گرمایی در ایران بر اساس مطالعات انجام شده در بیش از 10 منطقه شناسایی شده است.این مناطق به شرح زیر می باشند:

*منطقه سبلان (مشکین شهر-سرعین-بوشهر)                *منطقه دماوند ناحیه ناندل                          *منطقه ماکو ناحیه سیاه چشمه

*منطقه خوی ناحیه قطور          *منطقه سهند                                   *منطقه تفتان-بزمان                     *منطقه نایبند

*منطقه بیرجند-فردوس           *منطقه تکاب-هشترود                         *منطقه خور-بیابانک                     *منطقه اصفهان-محلات

*منطقه رامسر                       *منطقه بندرعباس-میناب                     *منطقه بوشهر-کازرون                  *منطقه لار-بستک

معرفی پروژه توسعه میدان و احداث نیروگاه زمین گرمایی مشکین شهر:

اهداف پروژه:

*اکتشاف و توسعه میدان زمین گرمایی سبلان(مشکین شهر)جهت احداث نیروگاه به ظرفیت 55 مگاوات در 2 فاز.

*دستیابی به فناوری بهره برداری از منابع زمین گرمایی در کشور و بومی نمودن دانش آن.

*شناسایی پتانسیل های غیر فسیلی منابع انرژی.

*ایجاد تنوع در سبد انرژی کشور.

*حفاظت از محیط زیست با بهره برداری از منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر و متناسباً کاهش مصرف منابع فسیلی.

فعالیت های انجام شده:این پروژه در دو مرحله انجام می گیرد که مرحله اول شامل اکتشاف و ارزیابی پتانسیل نیروگاهی میدان زمین گرمایی سبلان به منظور انجام مقدمات لازم جهت ساخت،نصب و راه اندازی نیروگاه زمین گرمایی برای اولین بار در کشور بوده و مرحله دوم شامل فازهای ذیل می باشد:

 

 

 

 

1) حفر چاه های تولیدی،توصیفی،تزریقی (جمعاً 20 حلقه)

2) نصب نیروگاه 5 مگاوات پایلوت

3) نصب نیروگاه 50 مگاوات(پس از برنامه چهارم توسعه)

4) پایشهای زیست محیطی در خلال توسعه میدان