انرژی (زمین‌گرمایی)

این مطالب توسط ثمین نعمتیان نوشته شده است
انرژی زمین گرمایی به گرمای موجود در زیر سطح کره زمین گفته می‌شود.
مقدار این انرژی به مراتب بیشتر از مصرف فعلی انرژی در جهان است ولی تولید آن به جز در نواحی‌ای که به عنوان محل آتش فشان یا زلزله شناخته می‌شوند بسیار کم است.
ژئوترمال از کلمه یونانی "ژئو" به معنی زمین، و (ترمال) به معنی گرما و گرمایی گرفته شده‌است. بنابراین، انرژی ژئوترمال به معنای (انرژی زمین گرمایی) یا انرژی با منشا درونی زمین است. این انرژی، به شکل گرمای محسوس، از بخش درونی زمین است. این انرژی، به شکل گرمای محسوس، از بخش درونی زمین منشا می‌گیرد و این انرژی در سنگ‌ها و آب‌های موجود در شکاف‌ها و منافذ داخل سنگ در پوسته زمین وجود دارد. مشاهدات به عمل آمده از معادن عمیق و چاه‌های حفاری شده نشان می‌دهد که درجه حرارت سنگ‌ها به طور پیوسته با عمق زمین افزایش می‌یابد، هر چند نرخ افزایش درجه حرارت ثابت نیست. با این روند، درجه حرارت در قسمت بالایی جبه به مقادیر بالایی می‌رسد و سنگ‌ها در این قسمت به نقطه ذوب خود نزدیک می‌شوند.
منشا این گرما در پوسته و جبه زمین، به طور عمده تجزیه مواد رادیواکتیو است. در طول عمر زمین، این گرمای درونی به طور آرام تولید شده و در درون زمین محفوظ و محبوس مانده‌است. همین امر موجب شده‌است که منبع انرژی مهمی فراهم شود و امروزه به عنوان انرژی نامحدودی در مقیاس انسانی مورد توجه قرار گیرد.
از طرف دیگر، نظریه‌های موجود در خصوص تکامل زمین نیز مبنایی برای توضیح وجود گرما در داخل زمین هستند. مطالعات نشان می‌دهد که زمین در زمان پیدایش (حدود ۵/۴ میلیارد سال قبل) حالت مذاب داشته، تدریجا سرد شده و بخش خارجی آن به صورت جامد درآمده‌است. اما بخش‌های داخلی آن، به دلیل کندی از دست دادن گرما، حالت مذاب خود را حفظ کرده و دارای درجه حرارت بالایی است و می‌تواند منبع گرمایی درونی پوسته باشد که از هسته به طرف خارج منتقل می‌شود.
چگونگی انتقال گرمای زمین به سطح زمین
گرما از هسته زمین به طور پیوسته به طرف خارج حرکت می‌کند. این جریان از طریق انتقال و هدایت گرمایی، گرما را به لایه‌های سنگی مجاور (جبه) می‌رساند. وقتی درجه حرارت و فشار به اندازه کافی بالا باشد، بعضی از سنگ‌های جبه ذوب می‌شوند و ماگما به وجود می‌آید. سپس به دلیل سبکی و تراکم کمتر نسبت به سنگ‌های مجاور، ماگما به طرف بالا منتقل می‌شود و گرما را در جریان حرکت، به طرف پوسته زمین حیل می‌کند.
گاهی اوقات، ماگمای داغ به سطح زمین می‌رسد و گدازه را به وجود می‌آورد. اما بیشتر اوقات، ماگما در زیر سطح زمین باقی می‌ماند و سنگ‌ها و آب‌های مجاور را گرم می‌کند. این آب‌ها بیشتر منشاء سطحی دارند و حاصل آب بارانی هستند که به اعماق زمین نفوذ کرده‌است. بعضی از این آب‌های داغ از طریق گسل‌ها و شکست‌های زمین به طرف بالا حرکت می‌کنند و به سطح زمین می‌رسند که به عنوان چشمه‌های آب گرم و آبفشان شناخته می‌شوند. اما بیشتر این آب‌ها در اعماق زمین، در شکاف‌ها و سنگ‌های متخلخل محبوس می‌مانند و منابع زمین گرما را به وجود می‌آورند.
مکان‌های مناسب برای بهره برداری از انرژی زمین گرمایی:
مناطق دارای چشمه‌های آب گرم و آبفشان‌ها، اولین مناطقی هستند که در آن‌ها انرژی زمین گرمایی مورد بهره برداری قرار گرفته و توسعه یافته‌است. در حال حاضر، تقریبا تمام نیروی الکتریسیته حاصل از انرژی زمین گرمایی از چنین مکان‌هایی به دست می‌اید. در بعضی از مناطق، تزریق ماگما به درون پوسته زمین، به اندازه کافی جدید و هنوز خیلی داغ است. در این نواحی، درجه حرارت سنگ ممکن است به ۳۰۰ درجه سانتی گراد برسد و مقادیر عظیمی انرژی گرمایی فراهم کند. بنابراین، انرژی زمین گرمایی در مکان‌هایی که فرایندهای زمین‌شناسی اجازه داده‌اند ماگما تا نزدیکی سطح زمین بالا بیاید، یا به صورت گدازه جریان یابد، می‌تواند تشکیل شود. ماگما نیز در سه منطقه می‌تواند به سطح زمین نزدیک شود:
۱- محل برخورد صفحات قاره‌ای و اقیانوسی (فرورانش)؛ مثلا حلقه آتش دور اقیانوس آرام.
۲- مراکز گسترش؛ محلی که صفحات قاره‌ای از هم دور می‌شوند، نظیر ایسلند و دره کافتی آفریقا
۳- نقاط داغ زمین؛ نقاطی که ماگما را پیوسته از جبه به طرف سطح زمین می‌فرستند و ردیفی از آتشفشان را تشکیل می‌دهند.
کاربرد
از زمان‌های دور، مردم از آب زمین گرمایی که آزادانه در سطح زمین به صورت چشمه‌های گرم جاری بودند، استفاده کرده‌اند. رومی‌ها برای مثال از این آب برای درمان امراض پوستی و چشمی بهره می‌گرفتند. در (پمپئی) برای گرم کردن خانه‌ها از آن استفاده می‌شد. بومی‌های آمریکا نیز از آب زمین گرمایی برای پختن و مصارف دارویی بهره می‌گرفتند. امروزه، با حفر چاه به درون مخازن زمین گرمایی، و مهار آب داغ و بخار، از آن برای تولید نیروی الکتریسیته در نیروگاه زمین گرمایی یا مصارف دیگر بهره برداری می‌کنند.
در نیروگاه زمین گرمایی، آب داغ و بخار خارج شده از مخازن زمین گرمایی، نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می‌آورد و انرژی الکتریسیته تولید می‌کند. آب مورد استفاده، از طریق چاه‌های تزریق به مخزن برگشت داده می‌شود تا دوباره گرم شود و در عین حال، فشار مخزن حفظ، و تولید آب داغ و بخار تقویت شود و ثابت باقی بماند.
سه نوع نیروگاه زمین گرمایی برای تولید برق وجود دارد:
۱- نیروگاه خشک: این نیروگاه روی مخازن ژئوترمالی که بخار خشک با آب خیلی کم تولید می‌کنند، ساخته می‌شوند. در این روش، بخار از طریق لوله به طرف نیروگاه هدایت می‌شود و نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می‌کند. این گونه مخازن با بخار خشک کمیاب است. بزرگترین میدان بخار خشک در دنیا، آب گرم جیزرز در ۹۰ مایلی شمال کالیفرنیاست که تولید الکتریسیته در آن، از سال ۱۹۶۲ شروع شده‌است و امروزه به عنوان یکی از موفق‌ترین پروژه‌های تولید انرژی جایگزین محسوب می‌شود.
۲- نیروگاه بخار حاصل از آب داغ: این نوع نیروگاه روی مخازن دارای آب داغ احداث می‌شود. در این مخازن با حفر چاه، آب داغ به سطح می‌آید و به دلیل آزاد شدن از فشار مخازن، بخشی از آن به بخار تبدیل می‌شود. این بخار برای چرخاندن توربین به کار می‌رود. چنین نیرگاه‌هایی عمومیت بیشتری دارند، زیرا بیشتر مخازن زمین گرمایی حاوی آب داغ هستند. فناوری مزبور برای اولین بار در نیوزیلند به کار گرفته شد.
۳- نیروگاه ترکیبی (بخار و آب داغ): در این سیستم، آب گرم از میان یک مبدل گرمایی می‌گذرد و گرما را به یک مایع دیگر می‌دهد که نسبت به آب در درجه حرارت پائین‌تری می‌جوشد. مایع دوم در نتیجه گرم شدن به بخار تبدیل می‌شود و پره‌های توربین را می‌چرخاند. سپس متراکم می‌شود و مایع حاصله دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرد. آب زمین گرمایی نیز دوباره به درون مخازن تزریق می‌شود. این روش برای استفاده از مخازنی که به اندازه کافی گرم نیستند که بخار با فشار تولید کنند، به کار می‌رود.
نیروگاه تولید برق از انرژی زمین گرمایی
مزایای استفاده از انرژی گرمایی برای تولید الکتریسیته:
۱- تمیز بودن: در این روش همانند نیروگاه بادی وخورشیدی، نیازی به سوخت نیست، بنابراین سوخت‌های فسیلی حفظ می‌شوند و هیچگونه دودی وارد هوا نمی‌شود.
۲- بدون مشکل بودن برای منطقه: فضای کمتری برای احداث نیروگاه نیاز دارد و عوارضی چون ایجاد تونل، چاله‌های روباز، کپه‌های آشغال یا نشت نفت و روغن را به دنبال ندارد.
۳- قابل اطمینان بودن: نیروگاه می‌تواند در طول سال فعال باشد و به دلیل قرار گرفتن روی منبع سوخت، مشکلات مربوط به قطع نیروی محرکه در نتیجه بدی هوا، بلایای طبیعی یا تنش‌های سیاسی را ندارد.
۴- تجدید پذیری و دائمی بودن
۵- صرفه جویی ارزی: هزینه‌ای برای ورود سوخت از کشور خارج نمی‌شود و نگرانی‌های ناشی از افزایش هزینه سوخت وجود نخواهد داشت.
۶- کمک به رشد کشورهای در حال توسعه: نصب آن در مکان‌های دور افتاده می‌تواند، استاندارد و کیفیت زندگی را با آوردن نیروی برق بالا ببرد.
با توجه به فوایدی که برشمردیم، انرژی زمین گرمایی به رشد کشورهای در حال توسعه بدون آلودگی کمک می‌کند.
مصارف دیگر
آب زمین گرمایی در سرتاسر دنیا، حتی زمانی که به اندازه کافی برای تولید برق داغ نیست، مورد استفاده قرار می‌گیرد. آب‌های زمین گرمایی که درجه حرارت آنها بین ۵۰ تا ۳۰۰ درجه فارنهایت است، مستقیما مورد استفاده قرار می‌گیرند که موارد مصرف آنها به شرح زیر است:
۱- برای تسکین درد عضلات در چشمه‌های داغ و درمان با آب معدنی (آب درمانی).
۲- گرم کردن داخل ساختمان‌های منفرد و حتی منطقه‌ای که مجاور چشمه‌های گرم است. در این روش، سیستم‌های گرم کننده، آب زمین گرمایی را از طریق یک مبدل گرمایی پمپ می‌کنند و گرما را به آب شهری انتقال می‌دهند و آب شهری گرم شده، از طریق لوله کشی به ساختمان‌های شهر منتقل می‌شود. در داخل ساختمان‌ها نیز، یک مبدل گرمایی دیگر گرما را به سیستم گرمایی ساختمان‌ها منتقل می‌کند (شکل ۹).
۳- برای کمک به رشد گیاهان، سبزیجات و محصولات دیگر در گلخانه (زراعت).
۴- برای کوتاه کردن زمان مورد نیاز رشد و پرورش ماهی، میگو، نهنگ و تمساح (آبزی پروری).
۵- برای پاستوریزه کردن شیر، خشک کردن پیاز، الوارکشی و برای شستن پشم (استفاده صنعتی).
بزرگترین واحد این سیستم گرمایی در دنیا، در (ریکیاویک) در ایسلند قرار دارد. از زمانی که این سیستم برای تامین گرمای شهر مذکور به کار می‌رود، ریکیاویک به یکی از تمیزترین شهرهای دنیا تبدیل شده است؛ در صورتی که قبل از آن بسیار آلوده بود.
موارد مصرف دیگری نیز از گرمای زمین گرمایی وجود دارد. برای مثال، در (کلامث فالز) در اورگن آمریکا، زیر جاده‌ها و پیاده روها آب ژئوترمال لوله کشی می‌شود، تا از یخ زدن آن‌ها در شرایط هوای یخبندان جلوگیری شود. در نیومکزیکو، ردیفی از لوله‌ها که زیر خاک دفن شده‌اند، آب زمین گرمایی را انتقال می‌دهند تا گل‌ها و سبزیجات پرورش یابند. با این شیوه، اطمینان حاصل می‌شود که زمین یخ نمی‌زند. به علاوه، فصل رویش طولانی‌تر می‌شود و روی هم رفته، محصولات کشاورزی سریع‌تر رشد می‌کنند و بدون استفاده از گلخانه محافظت می‌شوند.
کشورهایی که در حال حاضر از مخازن زمین گرمایی برای تولید الکتریسیته استفاده می‌کنند، عبارتند ازک آمریکا، نیوزیلند، ایسلند، مکزیک، فیلیپین، اندونزی و ژاپن. استفاده از این انرژی در بسیاری از کشورها در حال گسترش است. راه حل استفاده بیشتر از انرژی زمین گرمایی، افزایش آگاهی عمومی و تقویت فناوری مرتبط با زمین گرمایی است.