◄ انرژی زمین گرمایی؛ ویژگی های مثبت و منفی

بخش 26 از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش 27  آن در ادامه می آید.

انرژی زمین‌ گرمایی (geothermal energy)

انرژی زمین‌ گرمایی از تبادل حرارت درونی زمین با آب های مخازن زیرزمینی حاصل می شود. بدین ترتیب که عموما بر اثر نفوذ و سپس برخورد آب های زیر زمینی با صخره های بسیار داغ پوسته زمین، انرژی زمین‌ گرمایی حاصل می شود. پوسته زمین در زیر قاره ها 25 تا 55 کیلومتر و زیر اقیانوس ها 5 تا 8 کیلومتر عمق دارد. در واقع مقداری از گرمای صخره ها در نتیجه دریافت گرمای گدازه های جبّه زمین ایجاد می گردد. در اطراف اقیانوس آرام و در پیرامون صفحات تکتونیکی، حلقه آتش به طول 40 هزار کیلومتر قرار دارد که با حرکت این صفحات، گدازه ها به سمت سطح زمین روان می شوند. 90 درصد زلزله ها و 75 درصد آتشفشان ها در این گسل ها رخ می دهند. طبق آزمایشاتی که درباره اعماق زمین صورت گرفته، بخشی از حرارت زمین‌ گرمایی نیز حاصل شکافت طبیعی مواد رادیواکتیو موجود در صخره ها و یا ناشی از تابش مستقیم آفتاب و نفوذ حرارت به درون زمین ایجاد می شود (تصویر زیر).

بدین ترتیب هر چه به سمت اعماق زمین پیشروی شود، حرارت بیشتری حس می گردد. فاصله مخازن آب زمین‌ گرمایی بسته به منطقه، از اعماق 1.5 تا 3 کیلومتری تا نزدیکی سطح زمین است. معمولا برای دسترسی به آب این مخازن به چاه هایی به عمق 50 تا 150 متر نیاز است. با نصب تأسیسات زمین‌گرمایی، از این آب های گرم بهره برداری می شود. وقتی آب به سطح زمین می رسد، به دلیل کاهش فشار به بخار آب تبدیل می شود. این بخار پس از کمی سرد شدن به آب تبدیل شده و برای مقاصد مختلفی چون گرمایش منازل، تولید انرژی برقی، چشمه های آبگرم، گلخانه‌ ها، مناظر زیبای آبفشان های طبیعی مورد استفاده قرار می گیرد. به کارگیری مستقیم انرژی زمین‌ گرمایی، قدمتی چند هزار ساله دارد.

زمین گرمایی به این دلیل یک انرژی تجدید پذیر و پایدار اطلاق می شود که اولا سهم اندکی از انرژی زمین را مصرف می کند و ثانیا میزان برداشت آب و تزریق آب سرد شده به منابع زیر‌زمینی تقریبا برابر است. کره زمین حاوی انرژی نهفته ای معادل 15^10*3 (30^10 ژول) است. این انرژی معادل 100 میلیارد برابر انرژی مصرفی جهان در سال 2010 می باشد. اما انرژی عظیم مزبور به طور متوازن در همه جا گسترده نیست. با اینکه زمین به تدریج و طی میلیون ها سال در حال سرد شدن است، بر اساس نظر دانشمندان این نوع انرژی بر خلاف انرژی های فسیلی که مدت محدودی از عمرشان باقی مانده، حتی تا میلیاردها سال دوام خواهد داشت.

 منابع انرژی زمین‌گرمایی به دو شکل غالب بخار یا آب وجود دارند. دمای منابع بخار بین 240 تا 300 درجه سانتی‌گراد است که بخاری بسیار داغ (superheat)  تولید می کند. مخازن آبی با میانگین دمای 200 درجه سانتیگراد عمومیت بیشتری در جهان دارند و در نزدیکی آتشفشان های جوان پیرامون اقیانوس آرام و در گسل ها و نقاط بالقوه آتشفشانی زمین یافت می شوند. در کل از انرژی زمین‌گرمایی به سه طریق حرارت مستقیم، پمپاژ حرارتی و تولید انرژی برق  استفاده به عمل می آید (تصویر زیر).

از دوران باستان، انرژی زمین‌گرمایی به روش حرارت مستقیم  و به صورت منبع یک سویه برای مصارفی چون حمام، گرمایش ساختمان ها و چشمه های آبگرم مورد بهره‌برداری قرار می گرفته است. اما آب زمین‌گرمایی به مخزن زیر زمینی مربوطه برگشت داده نمی شد، به همین دلیل به محیط زیست آسیب رسانده می شد. با این وجود به سبب طبیعی بودن سرریز چشمه های آبگرم و مصرف اندک، زیان وارده چندان چشمگیر نبوده است. ولی امروزه در بسیاری از نقاط برای حفظ پایداری محیط زیست، آب مصرفی به مخزن مربوطه برگشت داده می شود. این سیستم دارای تطابق با محیط زیست، بازدهی مناسب، ساده برای بهره‌برداری و مقرون به صرفه است. در برخی از نقاط سردسیر جهان، از آب گرم برای عبور از لوله کشی زیر اسفالت و پیاده رو یا باند فرودگاه ها یا زمین های ورزشی روباز و ذوب برف ها استفاده می شود.

روش پمپاژ حرارتی، بر اثر نوآوری های تمدن در قرون اخیر ابداع شده است. در شکل زیر نحوه استفاده از انرژی زمین‌گرمایی عمودی برای گرمایش و سرمایش منازل نشان داده شده است. دمای محیط  آبخوان (aquifer)  در اعماقی چند ده متری زیر زمین، مقداری معین و ثابت دارد. اما دمای سطح زمین در تابستانها و زمستانها تا 50 درجه سانتی گراد تغییر می کند. با کشیدن لوله و نصب یک مبدل حرارتی و پمپ در ساختمان ها، از اختلاف دمای آبخوان زیرزمینی با محیط ساختمان استفاده به عمل می آید. با وجودی که مبلغ سرمایه‌گذاری برای برپایی این نوع تأسیسات نسبتاً زیاد است، ولی عمر مفید آن 25 سال و هزینه های نگهداری مربوطه نسبتا ناچیزی است. سیستم پمپاژ حرارتی نسبت به سابر سیستم های متداول به میزان 25 تا 50 درصد کمتر برق مصرف می کند، فضای کمتری را اشغال می نماید و ارزانتر است. اما استفاده از فیلتر آب و تمیز کردن دوره ای مبدل حرارتی یک ضرورت است. این نوع تأسیسات گاهی به طور مشترک برای چند ساختمان (یا حتی یک محله) مورد استفاده قرار می گیرد.

در کل بازدهی گرمایشی (دو روش یاد شده فوق)، به دلیل نبود واسطه تبدیل انرژی، به نسبت تولید برق بسیار بالاتر است. ولی به سبب استفاده از آن عمدتا در ماه های سرد سال، ضریب ظرفیتی به 20 درصد تنزل می یابد.  

روش تولید برق از انرژی زمین‌گرمایی، به کمی بیش از یک قرن قبل باز می گردد. در این صورت برای تولید برق، به بهره گیری یکی از سه فناوری شامل: کارکرد بخار خشک (dry steam) یا تقلیل فشار آب زیرزمینی برای ایجاد بخار آبفشان (flash steam) یا سیستم دو مداره (binary steam) متشکل از یک مدار مایع سرد و یک مدار آب گرم زیرزمینی ، نیاز است.

در مدل نیروگاه بخار خشک (dry steam) که قدیمی ترین نوع می باشد، برای به چرخش درآوردن توربین و تبدیل انرژی جنبشی به برق توسط یک ژنراتور، مستقیماً از بخار آب زیر زمینی استفاده می شود. (تصویر زیر). این نوع نیروگاه ها در جاهایی احداث می شوند که دمای بخار آب بسیار زیاد باشد ( تا 320 درجه سانتی‌گراد).  اولین تأسیسات زمین‌گرمایی بخار خشک با توان 250 کیلووات در سال 1904 در توسکانی ایتالیا توسط پیرو جنیرو کونتی ابداع و راه‌اندازی شد.

نیروگاه های بخار آبفشانی (flash steam)  در چاه هایی که نیاز به پمپ ندارند، مورد استفاده قرار می گیرند و بین 2 تا 10 مگا وات برق تولید می کنند. بدین ترتیب که آب گرم بسیار پرفشار ( و با دمایی بالاتر از 380 درجه سانتی گراد) توسط جداکننده های گریز از مرکز دورانی (flash tank)، بخار از مایع جدا می شود . آب خنک شده به مخزن طبیعی منتقل شده تا پس از گرم شدن، انرژی آن دوباره به کار گرفته شود. بخار پر انرژی باعث به حرکت درآمدن توربین می گردد (تصویر زیر). یکی از این نوع نیروگاه ها در مکزیک 750 مگاوات برق تولید می نماید.

در سیستم دو مداره (binary steam)، حرارت آب داغ زمین‌گرمایی موجب بخار شدن هر نوع مایعی با نقطه جوش پایین در مدار دوم (مبدل حرارتی) می شود. این بخارِ مدار ثانویه برای به چرخش درآوردن توربین استفاده می گردد. به منظور افزایش بازدهی و برای ارتقاء سطح تبادل حرراتی، لازم است که دمای مایع درون مبدل کاهش یابد. لذا برای خنک کردن آب مدار ثانویه ضرورت دارد که از یک مدار یا برج خنک کننده یا استخر نیز بهره گیری شود. گاهی از مدار سوم برای گرمایش استفاده می شود (تصویر زیر).

سیستم مزبور بر خلاف دو مدل قبلی قابل کار کردن با آبهای 100 تا 180 درجه سانتی‌گراد است. اما مخازن آب دارای دمای پایین‌تر، نیازمند پمپاژ آب از اعماق زمین به سطح هستند. از آنجایی که این سیستم دارای دومدار بسته است، میزان آلایندگی آن نسبت به سیستم های مشابه زمین‌گرمایی ناچیز است. از این نوع نیروگاه ها (که در دهه  60 م. توسط شوروی ابداع شده)، چندین نمونه در غرب آمریکا و ترکیه وجود دارند. به نظر می رسد که فناوری دو مداره به دلیل قابلیت تبدیل به انرژی برق، بازدهی نسبتاً مطلوب و آلایندگی اندک، در آینده توسعه بسیار یابد.  

 استفاده از حرارت مستقیم آب زیر‌زمینی در 70 کشور و نیروگاه های زمین‌گرمایی در 26 کشور برقرار است. در سال 2019 مجموع توان تولید نیروگاه های زمین‌گرمایی قریب 15.4 گیگاوات بوده که حدود یک چهارم آن در ایالات متحده مورد بهره برداری قرار می گیرد. ظرفیت بالقوه کل جهان 2 تِراوات است. کشورهایی که بیش از 15 درصد انرژی خود را از طریق زمین‌گرمایی به دست می آورند نظیر السالوادر، کنیا، فیلیپین، ایسلند، نیوزیلند و کاستاریکا هستند. کشور ایسلند با داشتن 600 آبفشان و 200 نقطه آتشفشانی، از سال 1907 از این نوع انرژی استفاده می کند. با حفر چند متر چاه می توان از انرژی زمین‌گرمایی استفاده نمود و لذا برای مردم این کشور صرفه جویی قابل توجهی در مبلغ انرژی مصرفی به ارمغان می آورد. این کشور که خود را پیشگام در صنعت زمین‌گرمایی می داند، در حال حاضر قریب یک سوم انرژی‌اش را از آن استحصال می کند.

 از طرف دیگر میانگین مقدار انتشار گازهای گلخانه ای نیروگاه های زمین‌گرمایی حدود 45 گرم گازکربنیک بر هر کیلووات ساعت برق یا کمتر از 5 درصد نیروگاه های سوخت زغال سنگی است. طبق برآوردهای کنونی، انرژی زمین‌گرمایی به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر، قابلیت برآورده کردن تقاضای جهانی برای تولید انرژی برق و گرمایش به میزان 3 تا 5 درصد در سال 2050 و 10 درصد در سال 2100 را خواهد داشت.

طبق برآورد سال 2015 ، کشور ایران با ظرفیت بالقوه  81.5 مگاوات، یکی از 14 کشور بزرگ دارای منابع انرژی زمین‌گرمایی است. در حال حاضر فقط 8 کشور در جهان صاحب ظرفیتی بالقوه تولید بیش از یک گیگاوات هستند. چین و آمریکا به ترتیب با 17.8 و 17.4 گیگاوات و سهمی برابر با 35.2 و 34.3 درصد از ظرفیت انرژی زمین‌گرمایی جهان دارای غنی ترین منابع تجدیدپذیر از این نوع هستند. بزرگترین نیروگاه جهان شامل 22 تأسیسات زمین گرمایی، در زمینی به وسعت 117 کیلومترمربع و با توان 1.5 گیگاوات، در آمریکا دایر است. دومین نیروگاه بزرگ در ایتالیا با 34 تأسیسات و ظرفیت 769 مگاوات و سومین نیروگاه در مکزیک با 4 تأسیسات و 720 مگاوات قرار دارند.

در تصویر زیر 10 کشور برتر در زمینه ظرفیت نصب شده نیروگاه های زمین‌گرمایی بر حسب مگاوات در سال 2019 نشان داده شده است. قرن 21 عصر فناوریهای نوین در زمینه انرژیهای تجدیدپذیر است. دو کشور اندونزی و فیلیپین نیز با تکیه بر همین فناوری ها، برای ساخت نیروگاه های جدید و جایگزینی سوخت های فسیلی سرمایه گذاری های سنگینی را به عمل می آورند. همان گونه که ملاحظه می شود، کشور چین از منابع عظیم خود به طریق گرمایش مستقیم استفاده می کند و هنوز برای تولید برق سرمایه گذاری زیادی نکرده است.

در سیستم زمین گرمایی، هزینه های مربوط به حفاری چاه ها بسته به نوع زمین و عمق مخزن،گاهی تا نیمی از مبلغ سرمایه گذاری ها را به خود اختصاص می دهد. حفر چاه های نیمه عمیق به سرمایه گذاری های سنگین با ریسک بالا نیاز دارد. برای برپایی هر نیروگاه به دو چاه، یکی برای استخراج و دیگری برای تزریق مجدد آبی که انرژی آن ستانده شده به اعماق زمین، نیاز است. حفرچاه آب نسبت به چاه نفت بسیار گرانتر است. از جمله دلایل آن داغ بودن محیط کار که استفاده از تجهیزات الکترونیکی را محدود می سازد. داغ بودن صخره ها و همچنین نوع، جنس و شکسته بودن صخره ها که موجب فرسایش و خرد شدن مته ها می گردد. ضمناً به سبب اینکه چگالی آب از نفت کمتر است، قطر چاهها بزرگتر و پوشش سطح درونی چاهها به طور وسیعتر، صورت می پذیرد.

علاوه بر حفر چاه ها، میزان سرمایه لازم برای تأسیسات گرمایشی (نظیر مبدلهای حرارتی و پمپ ها) و همچنین سیستمهای خنک کننده برای آب برگشتی، نسبتاً زیاد است. عموماً ساخت تأسیسات و حفر چاه حدود 2 تا 5 میلیون یورو به ازای هر مگاوات ظرفیت تولیدی برق، هزینه در بردارد. نقطه سربه‌سر تولید برق زمین‌گرمایی بین 4 تا 10 سنت (یورو) به ازای هر کیلووات ساعت است. ظرفیت این نوع نیروگاه ها قابلیت تطابق با نیازهای یک روستا تا یک شهر را دارند.

آینده انرژی زمین‌گرمایی به عواملی چون نوع فناوری ها، قیمت انرژی های مختلف، یارانه‌ ها، وضعیت حرکت صفحات تکتونیکی زمین، نرخ های بهره وابسته است. بر اساس گزارش اداره انرژی آمریکا (DOE) در حال حاضر قیمت تمام شده این نوع انرژی در تاسیسات جدید، مبلغ 5 سنت به ازای هر کیلووات ساعت است. پس از چیرگی بر موانع فناورانه و مالی و در راستای کنترل ظرفیتهای عظیم مهار نشده زمین گرمایی، سطح بهره برداری از این نوع انرژی تا سال 2050 حدود 26 برابر می گردد.

در سال 2019 توان مراکز تولید انرژی برق زمین‌گرمایی جهان حدود 13.9 گیگاوات و میزان بهره برداری از انرژی مستقیم آب گرم برای مقاصدی چون گرمایش متمرکز منازل محله، فرایندهای صنعتی، آب شیرین کن و کاربریهای کشاورزی حدود  28 گیگاوات بوده است. با این وجود، در سال 2007 این نوع زمین‌ گرمایی تنها 0.7 درصد از انرژی مصرفی جهان را تأمین می کرده است. بر اساس مطالعات آژانس بین المللی انرژی تجدیدپذیر IRENA ، مصرف انرژی های زمین‌گرمایی در طول زمان رشد یافته است. به گونه ای که از 10 گیگاوات سال 2010 به 13.3 گیگاوات در سال 2018 رسیده است. در نمودار زیر روند رشد ظرفیت نصب شده برحسب مگاوات انرژی نشان داده شده است. اگرچه ضریب رشد زیاد نیست، ولی مستدام و امیدوارکننده می باشد.

برخی نکات منفی درباره انرژی زمین گرمایی:

• با استخراج آب های زمین‌ گرمایی از اعماق زمین ، مقادیری از گازهای کربنیک، سولفید هیدروژن (H2S)، متان و آمونیاک، (از جمله گازهای عامل گرم شدن زمین، باران های اسیدی و بوهای آزاردهنده)، آزاد می شوند.
• علاوه بر آن، گاهی با استخراج آب های مزبور، فلزات سنگینی چون جیوه، آرسنیک، بُرم و آنتیموان تبخیر شده و موجب تخریب محیط زیست می شوند.
• قیمت تمام شده انرژی مزبور نسبت به برخی دیگر از انرژی ها، قدری گرانتر است.
• ساخت، بهره برداری و نگهداری تأسیسات زمین‌گرمایی نیازمند فناوریهای بالا و کارکنان ماهر است.
• اگر چه به لحاظ نظری انرژی زمین‌گرمایی برای رفع نیازهای انرژی کل جهان کفایت می کند، اما به لحاظ عملی، بیشتر در مناطقی خاص (به ویژه در پیرامون صفحات تکتونیکی زمین یا مناطق فعال آتشفشانی) یافت می شود. بدین ترتیب بهره گیری از انرژی زمین‌گرمایی به مناطقی خاص در کره زمین محدود است.
• برقراری پایداری محیط زیست (داشتن مدیریت قوی برای بازگرداندن سریع آب به مخازن زیر زمینی) مهم و قدری دشوار است.
• برداشت از مخازن زیرین زمین‌گرمایی در قالب جهش آب گرم و جایگزینی آن با آب سرد (همچون سیستم فرکینگ نفت و گاز)، موجب ایجاد شوکهای خفیف و لرزشهای ضعیف در زمین و احتمالاً بر هم خوردن ثبات پوسته زمین و تحریک صفحات تکتونیکی برای ایجاد زلزله می شود.
• حفر چاهها و ساخت و نصب تأسیسات زمین‌گرمایی در مقایسه با انرژیهای بادی و خورشیدی، به منابع مالی بیشتر و صرف زمان افزونتر نیازمند است. ضمن اینکه مدت برگشت سرمایه هم طولانی‌تر است.

برخی نکات مثبت درباره انرژی زمین گرمایی:

• ظرفیت قابل استحصال بسیار زیاد است، به گونه ای که از ظرفیت بالقوه 2 تِراواتی کره زمین، می توان به میزان 0.035 تِراوات به بالا استفاده کرد.
• بهره گیری از این نوع انرژی در سه دهه اخیر رشد چشمگیری داشته است.
• بر خلاف انرژیهای بادی و خورشیدی، زمین‌گرمایی یک منبع واسط نیست.
• نیروگاه زمین‌گرمایی به 3.5 کیلومتر مربع به ازای تولید هر گیگاوات برق نیاز دارد. در حالی که موارد مشابهی چون زغال سنگ و مزرعه بادی به ترتیب به 32 و 12 کیلومتر مربع اراضی نیاز دارند.
•  به ازای هر مگاوات ساعت، انرژی زمین‌گرمایی به 20 لیتر آب شیرین و در عوض مواردی چون انرژیهای هسته‌ای، زغال سنگ و نفتی به 1000 لیتر نیاز دارند.
• بنا بر دلایلی چون نوسان ننمودن میزان دسترسی به انرژی، عدم وابستگی به عوامل دیگر و امکانپذیر بودن کنترل میزان توان خروجی با دقت بالا، انرژی زمین‌گرمایی از قابلیت اعتماد بالایی برخوردار است.
• این نوع انرژیِ تجدیدپذیر، نسبت به سوخت های فسیلی، اثر ناچیزی بر محیط‌ زیست می گذارد.
• نیروگاههای زمین‌گرمایی موجود به طور میانگین 122 کیلوگرم گاز کربنیک به ازای هر مگاوات ساعت برق ایجاد می کنند که نسبت به شدت انتشار نیروگاههای متداول سوخت فسیلی، اندک است.
• هیچ آلودگی صوتی ندارد و تا کنون آلودگی آبها گزارش نشده است..
• در صورت استفاده مستقیم گرمایشی، میزان صرفه جویی آن نسبت به سوختهای فسیلی 80 درصد است. 
• بر خلاف انرژی های بادی و خورشیدی، انرژی زمین‌ گرمایی در تمامی طول سال قابل دسترس است.
• به دلیل فعال بودن این نوع انرژی در زمین به مدت میلیون ها سال ، از پایداری زیادی برخوردار است.
• اگرچه میزان سرمایه گذاری قدری زیادتر است، اما نحوه بهره برداری و نگهداری آن با بازدهی بالا مقدور است. میانگین بازدهی آن به تقریب حدود 20 درصد است که در میان سایر تأسیسات تولید نیرو تقریباً مشابه است.
• با توجه به سرمایه‌ گذاری های تحقیقاتی مشمول یارانه های دولتی در مورد این نوع انرژی، هزینه های تولید انرژی زمین‌گرمایی از دهه 80 م. تا به امروز مرتبا کاهش یافته است.
• بر اثر کاهش مستمر قیمت تمام شده این نوع انرژی، گستره استفاده از آن به طور روزافزون، زیاد شده است.
• در راستای ایجاد تاسیسات مصرف مستقیم آب برای امور گرمایش جمعیتی بین 15 تا 20 هزار نفر، مدت برگشت سرمایه حدود 4 سال است.

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته