พลังงานความร้อนใต้พิภพ

พลังงานความร้อนใต้พิภพ หรือ พลังงานอุณหธรณี เป็นการนำเอาพลังงานความร้อนที่อยู่ใต้ดินขึ้นมาใช้ ความร้อนดังกล่าวอยู่ในแกนกลางของโลกเกิดขึ้นมาตั้งแต่โลกกำเนิดขึ้น อุณหภูมิอาจสูงถึง 5,000 องศาเซลเซียส ความร้อนดังกล่าวทำให้น้ำที่เก็บกักอยู่ในโพรงหิน ร้อนมีอุณหภูมิอาจสูงถึง 370 องศาเซลเซียส ความดันภายในโลก ดันน้ำขึ้นมาผิวดิน กลายเป็นไอ ลอยขึ้นไปบนชั้นบรรยากาศ แล้วตกลงมาเป็นฝนหรือหิมะ แล้วไหลกลับลงไปใต้ดินนำความร้อนขึ้นมาอีก พลังงานนี้จึงถูกเรียกว่า พลังงานหมุนเวียน เราสูบน้ำร้อนนี้ขึ้นมาใช้ให้ความอบอุ่นแก่บ้านเรือนในประเทศหนาว ละลายหิมะตามถนนหนทาง ปรุงอาหาร ให้ความร้อนในเรือนกระจกเพื่อปลูกผักสวนครัว และที่จะกล่าวถึงมากที่สุดในหัวข้อนี้ ก็คือ การนำมาผลิตกระแสไฟฟ้า

พลังงานความร้อนใต้พิภพ คือ พลังงานความร้อนที่เก็บกักอยู่ใต้ผิวโลกโดยความร้อนที่เกิดขึ้นภายในโลกส่วนใหญ่เกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีที่มีเวลาครึ่งชีวิตยาวเช่น ยูเรเนียม ทอเรียม และโพแทสเซียม ที่สะสมในเปลือกโลก อุณหภูมิใต้ผิวโลกจะเพิ่มขึ้นตามความลึกกล่าวคือยิ่งลึกลงไปอุณภูมิยิ่งสูงขึ้น พลังงานความร้อนใต้พิภพที่สะสมอยู่ใต้เปลือกโลกมีค่ามหาศาล แต่มีส่วนน้อยเท่านั้นที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีในปัจจุบัน เพราะระดับความลึกที่สุดที่สามารถเจาะลงไปใต้ผิวโลกได้ ประมาณ 10 กิโลเมตรเท่านั้น พลังงานความร้อนที่สะสมใต้ผิวโลก ที่ระดับความลึก 10 กิโลเมตร ขึ้นมามีค่าประมาณ จูล พลังงานจำนวนนี้สามารถเดินโรงไฟฟ้าขนาด 20 เมกะวัตต์ จำนวน 1 ล้านโรงในระยะเวลา 10,000 ปี แต่ในการพัฒนานำพลังงานความร้อนใต้พิภพมาใช้ประโยชน์ ถูกจำกัดด้วยสภาพทางธรณีวิทยา โดยแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพจะต้องตั้งอยู่ในบริเวณที่มีความเหมาะสม ทางธรณีวิทยา ที่น้ำจากพื้นดินสามารถซึมลงไปในเปลือกโลก เพื่อรับความร้อนจากหินร้อน แล้วไหลกลับขึ้นมาสู่ผิวโลกได้ การประยุกต์นำพลังงานความร้อนใต้พิภพมาใช้ประโยชน์ได้มีการพัฒนามาเป็นลำดับเริ่ม จากการพัฒนานำไอน้ำร้อนจากหลุมเจาะมาใช้ในรูปของความร้อนโดยตรง และพัฒนามาผลิตกระแสไฟฟ้า โดยได้มีการพัฒนาโรงไฟฟ้าแห่งแรกในปี คริสต์ศักราช 1904 ที่เมืองลาร์เดอเรลโล ประเทศอิตาลี และมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในประเทศต่างๆที่มีแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ เช่นประเทศญี่ปุ่น นิวซีแลนด์และสหรัฐอเมริกา สำหรับประเทศไทยแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ มีกระจายอยู่ทั่วไปโดยส่วนใหญ่ อยู่ในภาคเหนือของประเทศ

พลังงานความร้อนใต้พิภพหมายถึงการใช้งานความร้อนด้านในของโลกแกนของโลกนั้นร้อนมากถึง 5500 องศาเซลเซียส จากการประมาณการ ที่พื้นผิว 3 เมตรด้านบนสุดของโลกก็มีอุณหภูมิใกล้เคียง 10- 26 องศาเซลเซียส อย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งปี นอกจากนี้กระบวนการทางธรณีวิทยาที่แตกต่าง ทำให้ในบางที่มีอุณหภูมิสูงกว่าในที่แหล่งเก็บน้ำร้อนจากความร้อนใต้ดินอยู่ใกล้ผิวโลก น้ำร้อนนั้นสามารถส่งผ่านท่อโดยตรงไปยังที่ที่ต้องการใช้ความร้อนนี่เป็นวิธีการหนึ่งที่ความร้อนใต้พิภพสามารถใช้ทำน้ำร้อนในการทำความร้อนให้กับบ้านทำให้เรือนกระจกอุ่นขึ้นและแม้แต่ลายหิมะบนถนน แม่ในสถานที่ที่ไม่มีแหล่งเก็บความร้อนใต้พิภพที่สามารถเข้าถึงได้โดยง่าย เครื่องปั๊มความร้อนจากพื้นดินสามารถส่งความร้อนสู่พื้นผิวและรูอาคารได้สิ่งนี้เป็นไปได้ในทุกแห่งนอกจากนี้เนื่องจากอุณหภูมิใต้ดินนั้นเกือบคงที่ตลอดทั้งปีทำให้ระบบเดียวกันนี้ช่วยส่งความร้อนให้อาคารในฤดูหนาวจึงทำให้ความเย็นในอาคาร ในฤดูร้อนได้

แบ่งลักษณะของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพไว้ 4 ลักษณะคือ

1 แหล่งที่เป็นไอน้ำ(Steam sources) เป็นแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพที่อยู่ใกล้กับแหล่งหินหลอมเหลวในระดับตื้น ทำให้น้ำในบริเวณนั้นได้รับพลังงานความร้อนสูงจนกระทั่งเกิดการเดือดเป็นไอน้ำร้อนแหล่งพลังงานนี้จะมีลักษณะเป็นไอน้ำมากกว่าร้อยละ 95 มีอุณหภูมิของไอน้ำร้อนสูงเฉลี่ยกว่า 240 องศาเซลเซียส สามารถใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้ดีที่สุดเพราะนำเอาไอน้ำไปหมุนใบพัดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้โดยตรงเช่นที่ เกรย์เซอร์ฟิลด์ (The geyser field) ซึ่งอยู่ในตอนเหนือของสหรัฐอเมริกา และที่ลาร์เดอเรลโล(Larderello) ในประเทศอิตาลี เป็นต้น

2 แหล่งที่เป็นน้ำร้อนซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นน้ำเค็ม (Hot brine sources) เป็นแหล่งพลังงานความร้อนที่พบเห็นได้ทั่วไปมีลักษณะเป็นน้ำเค็มร้อน โดยมีอุณหภูมิต่ำกว่า 180 องศาเซลเซียสและบางแหล่งหรืออาจมีก๊าซธรรมชาติเป็นส่วนประกอบอยู่ซึ่งเป็นแหล่งน้ำที่น่าสนใจมากเพราะสามารถแยกก๊าซธรรมชาติออกมาใช้ประโยชน์ได้อีกทางหนึ่งแหล่งความร้อนใต้พิภพลักษณะนี้พบมากที่สุดในโลก เช่นที่ เซอร์โรพรีโต(Cero prieto) ในประเทศเม็กซิโก และฮัตชูบารู(Hatchubaru)ในประเทศญี่ปุ่น เป็นต้น

3 แหล่งที่เป็นหินร้อนแห้ง (Hot dry rock) เป็นแหล่งที่สะสมพลังงานความร้อนในรูปของหินเนื้อแน่นโดยไม่มีน้ำร้อนหรือไอน้ำเกิดขึ้นเลยแหล่งลักษณะนี้จะมีค่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามความลึกเกินกว่า 40 องศาเซลเซียสต่อกิโลเมตร ดังนั้นในการนำมาใช้ประโยชน์จะต้องมีการอัดน้ำลงไปเพื่อให้น้ำได้รับพลังงานความร้อนจากหินร้อนก่อนจากนั้นจึงทำการสูบน้ำร้อนขึ้นมาใช้ในการผลิตไฟฟ้า

4 แหล่งที่เป็นแมกมา (Molten magma) แมกมาหรือลาวาเหลวเป็นแหล่งพลังงานความร้อนที่มีค่าสูงสุดในบรรดาแหล่งพลังงานความร้อนที่กล่าวมาโดยมีอุณหภูมิสูงกว่า 650 องศาเซลเซียสส่วนใหญ่จะพบในแหล่งใต้ภูเขาไฟ ในปัจจุบันยังไม่สามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าได้แต่ยังอยู่ในระหว่างการศึกษาและวิจัยความเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้ในการผลิตไฟฟ้าการประยุกต์ใช้พลังงานความร้อนจากใต้พิภพจากแหล่งต่างที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น โดยแท้จริงแล้วการนำเอาพลังงานความร้อนมาใช้ประโยชน์มิใช่เพียงแค่การผลิตไฟฟ้าเท่านั้นแต่ยังมีการใช้พลังงานความร้อนจากใต้พิภพเพื่อประโยชน์ด้านอื่นๆอีกหลายด้าน ซึ่งมีความเหมาะสมในการประยุกต์ใช้พลังงานความร้อนจากใต้พิภพจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ตัวเลขเมื่อปี 2010 รายงานว่า มี 24 ประเทศ ที่ผลิตไฟฟ้าจากความร้อนใต้พิภพ โดยมีปริมาณการผลิตรวมกัน 10,959.7 MW (ประเทศไทย 0.3 MW มีโรงเดียวที่ อ.ฝาง จ.เชียงใหม่ มาตั้งแต่ปี 2533) มีอัตราเจริญเติบโตที่ 20% ต่อปี คาดว่าในปี 2015 จะมีการผลิตไฟฟ้าได้ถึง 18,500 MW เนื่องจาก มีปัญหาในบางพื้นที่ สหรัฐเป็นผู้ผลิตสูงสุด โดยมีกำลังการผลิตที่ 3,086 MW อันดับสอง ได้แก่ ฟิลิปปินส์ ที่ 1,904 MW ซึ่งเป็น 27% ของพลังงานที่ใช้ในประเทศทั้งหมด

หลักการเบื้องต้นก็คือ นำน้ำร้อนที่มีอุณหภูมิสูงมากๆขึ้นมา แยกสิ่งเจือปนออก แล้วทำให้ความดันและอุณหภูมิลดลง ได้ไอน้ำ เอาแรงอัดของไอน้ำไปหมุนกังหันเพื่อผลิตไฟฟ้า ไอน้ำที่ออกมาจากกังหันจะถูกทำให้เย็นลง แล้วนำไปใช้ประโยชน์อย่างอื่นก่อนปล่อยลงแหล่งน้ำธรรมชาติ หรือปล่อยกลับลงไปใต้ดินใหม่ เทคนิคของแต่ละโรงไฟฟ้า อาจใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อนกว่านี้ ก็เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตให้สูงกว่า 20% เช่น ให้ไอน้าถ่ายเทความร้อนให้สารอย่างไอโซบิวทีน ที่มีจุดเดือดต่ำกว่า เป็นต้น

ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานใต้พิภพได้อยู่ไม่เกิน 23% เพราะอุณหภูมิของของเหลวนำความร้อนไม่สูงถึงจุดสูงสุด ด้วยข้อจำกัดด้านเทอร์โมไดนามิคส์ ดังนั้น การออกแบบขนาดกำลังไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าต้องให้สูงกว่าความต้องการใช้จริง เช่นถ้ามีความต้องการ 23 MW อาจต้องออกแบบโรงไฟฟ้าให้มีกำลังการผลิตถึง 100 MW เป็นต้น ก็เหมือนการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานทดแทนอย่างอื่น คือต้นทุนในการผลิตไฟฟ้าจะสูง จำเป็นที่ต้องได้รับการช่วยเหลือจากภาครัฐถึงจะมีความเป็นไปได้ทางด้านการลงทุน แต่มีข้อดีกว่าพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ เพราะแหล่งผลิตพลังงานต้นทุนคือน้ำร้อน ไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัวแปรหลากหลาย เช่นการเปลี่ยนแปลงของฤดูกาลหรือสภาพอากาศ ประสิทธิภาพการผลิตจึงอาจทำได้สูงถึง 96% ของกำลังการผลิตจริง ตามรูปประกอบ

น้ำที่ใช้ในกระบวนการผลิต มี 2 ส่วนคือ น้ำร้อนที่สูบขึ้นมา กับน้ำที่ใช้หล่อเย็นที่สูบมาจากแหล่งน้ำตามธรรมชาติ การสูบน้ำร้อนขึ้นมาใช้จากใต้ดินมากเกินไป เคยทำให้เกิดปัญหาดินทรุดขึ้นในบริเวณโรงไฟฟ้าบางแห่ง จึงต้องมีการเติมน้ำลงไปในดินให้สมดุลกัน

ถ้าน้ำหล่อเย็นมีปริมาณไม่เพียงพอ หรือ น้ำร้อนที่ระบายสู่แหล่งน้ำธรรมชาติ มีอุณหภูมิสูงเกินไป อาจเป็นอันตรายต่อสัตว์น้ำและระบบนิเวศน์ท้องถิ่น

บ่อน้ำร้อนบางแห่งอาจมีปริมาณไอน้ำน้อยหรือไม่มีเลยในบางฤดู ชุมชนที่ต้องพึ่งไฟฟ้าอาจมีไฟฟ้าไม่พอใช้ได้

บ่อน้ำร้อนบางแห่งอาจมีสารเคมีที่มีพิษกับสิ่งแวดล้อมปะปนมากับน้ำร้อน การนำน้ำร้อนนี้ไปใช้ทางการเกษตรอาจเป็นอันตรายกับผู้บริโภคได้ สารเคมีเช่นสารซัลเฟอร์ เมื่อผสมกับไอน้ำกลายเป็นกรดซัลฟูริค เมื่อตกลงมาเป็นฝน ก็จะกลายเป็นฝนกรดได้