دانلود گزارش ژئوترمال

پیش گفتار

توسعه شگرف علم و فن در جهان امروز، ظاهراَ آسایش و رفاه زندگی بشر را موجب شده است، لیکن این توسعه یافتگی ، مایه بروز مشکلات تازه ای نیز برای انسانها شده است که از آن جمله می توان به آلودگی محیط زیست، تغییرات گسترده آب و هوایی در زمین و غیره اشاره نمود. بحران آلودگی در جهان و کاهش ذخایر فسیلی در جهان از یک سو و رشد فزاینده جمعیت از سوی دیگر، موجب گرایش روز افزون دانشمندان علوم مختلف به سوی انرژی های نو شده است. انرژی ژئوترمال یا زمین گرمایی یکی از انواع انرژی های تجدیدپذیر است که می تواند جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی باشد و با وجود گسترش قابل ملاحظه آن درکشورهای پیشرفته و برخی از کشورهای در حال توسعه، در ایران کماکان ناشناخته باقی مانده است. هدف از ارایه این نوشتار آشنایی بیشتر با این سرمایه با ارزش و همیشگی می باشد.

مقدمه

اصطلاح ژئوترمال واژه ای است یونانی که از کلمات Geo به معنای زمین و ther/ me به معنی حرارت تشکیل شده است و انرژی زمین گرمایی هم نامیده می شود. این انرژی از سیال داغ موجود دراعماق زمین به دست می آید. در واقع آب داغ یا بخار خروجی از زمین عامل انتقال انرژی ازمخزن ژئوترمال به سطح زمین است. این انرژی در مخزن زمین گرمایی، متمرکز شده است که برای دسترسی به آن در محل مخزن ، چاهی عمیق حفر می شود.

طبق محاسبات به عمل آمده مشخص شده است که انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 کیلومتر فوقانی پوسته زمین ، معدل 50 هزار برابر کل انرژی به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته امروز جهان است.

این منبع طبیعی فراوان و تمیز ، به طور پیوسته و یکنواخت در دسترس است در حال حاضر در بیشتر کشورهای پیشرفته ، بخار ژئوترمال و آب داغ برای تولید انرژی الکتریکی با کمترین تاثیرات محیطی مورد استفاده قرار می گیرد. آب های گرم مستقیماَ از زمین ، برای گرم کردن گلخانه ها، حوضچه های پرورش ماهی و سیستمهای گرمایش و سرمایش و غیره به کار می روند. همچنین پمپهای حرارتی ژئوترمال را می توان تقریباَ در هر جایی نصب کرده  بهره برداری از انرژی ژئوترمال به عنوان یک منبع انرژی پتانسیل در اعماق زمین، مستقل از شرایط جوی بوده و قابلیت جوابگویی به نیاز کنونی و آتی بشر دارد.

امروزه از ژئوترمال در 21 کشور جهان برای تولید الکتریسته و در 55 کشور دنیا برای استفاده مستقیم از منابع استفاده می شود. بدیهی است که بهره برداری گسترده از ذخایر انرژی ژئوترمال مستلزم تحقیق و توسعه بیشتر در زمینه روش های اکتشاف و استخراج آن است.

تاریخچه ژئوترمال در جهان:

این انرژی از ابتدای خلقت مورد استفاده انسان بوده است. به این ترتیب که از آن برای شستشو، پخت و پز، استحمام، کشاورزی و درمان بیماریها استفاده می شده است. اسناد و مدارک موجود ثابت میکند که ساکنان کشورهایی نظیر چین، ژاپن اسلند و نیوزلند در گذشته های دور از این انرژی استفاده می کردند. در سال 1828 فردی به نام لار در للو در کشور ایتالیا برای تهیه اسیدبوریک به جای سوزاندن هیزم از حرارت آبهای گرم استفاده  کرد که بعدها نام محل اجرای طرح مزبور را لاردرللو نامیدند.

در سال 1870 با روش های پیشرفته علمی نوع رفتار حرارتی زمین مورد مطالعه قرار گرفت. نخستین تلاش ها در لاردرللو در سال 1904 برای تولید برق با استفاده از انرژی ژئوترمال صورت گرفت. در سال 1908 در همان منطقه، نخستین نیروگاه ژئوترمال به ظرفیت 20 کیلووات راه اندازی شد که در سال 1940 ظرفیت آن به میزان 127 مگاوات افزایش یافت تا سال 1950 بهره گیری از انرژی ژئوترمال رشد چندانی نداشت اما حد فاصل سال های 1950 تا 1973 بهره گیری از انرژی ژئوترمال رشد چندانی نداشت اما حد فاصل سال های 1950 تا 1973 به دلیل گران شدن بی سابقه و ناگهانی نفت، همه کشورها به فکر استفاده از انرژی های جایگزین افتادند و به تدریج کشورهایی چون امریکا ، اسیلند،  فیلیپین، اندونزی و اغلب کشورهایی که روی کمربند ژئوترمال جهانی قرار دارند شروع به بهره برداری از این انرژی کردند.

تاریخچه ژئوترمال در ایران:

شناخت  انرژی  ژئوترمال در ناحیه دماوند  در  چهارچوب   بررسی های انرژی ژئوترمال در مناطق آذربایجان و دماوند از سال 1975 به وسیله شرکت ایتالیایی انل (ENEL) و با نظارت وزارت نیرو آغاز شد و تا سال 1983 به طول انجامید. این مطالعات شامل زمین شناسی نوری ، زمین شناسی، آتشفشان شناسی، آب شناسی، هیدرولوژی، ژئوشیمی و ژئوفیزیک است.

سازمان انرژی های نو ایران (سانا) وابسته به وزارت نیرو از سال 1374 فعالیت رسمی خود را آغاز کرده تا از انرژی های نو مانند انرژی خورشیدی، انرژی ژئوترمال، انرژی باد، بیوماس و بیوگاز، انرژی امواج و غیره بهره گیری کند.

استفاده از انرژی ژئوترمال در ایران به سال های دور می رسد به طوری که مردم به شیوه های سنتی از این انرژی در محل هایی که چشمه آب گرم وجود داشت، در قالب حمامها و استخرهای شنا جهت مصارف آب درمانی و تفریحی استفاده می کردند. هم اکنون مطالعات احداث اولین نیروگاه ژئوترمال در کشور توسط سا زمان انرژی های نو وابسته  به وزارت نیرو در منطقه مشکین شهر در حال اجرا است که تا کنون سه حلقه چاه اکتشافی به عمق های حدود 3200 متر، 3170 متر و 2200 متر جهت برآورد و تخمین پتانسیل انرژی ژئوترمال در منطقه سبلان حفاری شده است و نتایج اولیه حاکی از وجود پتانسیل بالا و مطلوبی برای احداث نیروگاه در این منطقه است. همچنین در این سازمان پروژه پمپ حرارتی در شهر تبریز جهت تأمین گرمایش و سرمایش ساختمان ها  در حال انجام است. تاکنون مناطقی از ایران که دارای پتانسیل مناسب جهت بهره برداری از انرژی ژئوترمال هستند، مورد مطالعه قرار گرفته اند و پروژه های تحقیقاتی در این زمینه در دست مطالعه و اجرا می باشد.

گرمای زمین

گرمای درونی زمین به تدریج با افزایش عمق، افزایش می یابد( 3 درجه به ازای هر 100 درجه  که در مناطق آتشفشانی جوان این میزان حدود 3 تا 5 برابر است)  به طوریکه در مرکز زمین این گرما به بیش  4200 درجه سانتی گراد (7600 درجه فاز نهایت ) از می رسد. بخشی از این گرما مربوط به آثار باقی مانده از توده ای آتشین مانند در حدود 5/4 بیلیون سال پیش می باشد، اما بیشتر این گرما از فساد و زوال ایزوتوپ های رادیواکتیو به وجود آمده است. همانطور که گرما به طور طبیعی از نواحی گرمتر به نواحی سردتر حرکت می کند،  گرمای زمین هم همراه یک افت و خیز نسبی از مرکز به سطح جریان دارد یعنی از جایی که 42 میلیون مگاوات گرما تخمین زده شده که مدام در فضا بخش می گردد. حجم ذخیره شده این گرمای بی اندازه را نمی توان بدست آورد،  زیرا گرمای درونی کمی به سطح می رسد. بر اساس نظریه تکتونیک صفحه ای، مشخص شده است که مقداری از این گرما ، که در اعماق مطلوب برای استخراج تجاری آن تمرکز یافته، مراقبت می شود. طبق این نظریه پوسته زمین از تعدادی صفحه تشکیل شده است که نسبت به یکدیگر درحال حرکتند. این صفحات متحرک روی ماده نیمه سیالی که در عمق تقریبی 100 کیلومتری واقع شده است، قرار دارد. با توجه به اینکه مرز صفحات مزبور جز مناطق فعال زمین است مناطق زلزله خیز فعال آتشفشانی و ذخایر زمین گرمایی جهان نیز روی این مناطق واقع شده است. جایی که دو صفحه با هم برخورد می کنند معمولاَ یکی به زیر دیگری می رود. در عمق زیاد ، درست بالای صفحه ای که به پایین رفته، گرمای درونی، به اندازه ای بالا می رود که مناسب ذوب سنگها می باشد. در نتیجه جرم ماگما که تراکم کمتری نسبت به محیط سنگها دارد تا پوسته و گاهی اوقات تا آتشفشانهای محترق صعود می کند.

تحت شرایط درست این گرمای نزدیک سطح زمین می تواند تولید تجاری انرژی ژئوترمال را فراهم کند.

نشانه های انرژی ژئوترمال

مهمترین نشانه های منابع ژئوترمال عبارت است از: سنگهای آتش فشانی جوان (جوانتر از یک میلیون سال )، چشمه های آب گرم، بخار فشان یا گاز فشان ، آب فشان (گایرز)، نواحی و دگرسان شده، گل فشان و کوههای آتشفشانی فعال.

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

در کل نواحی که دارای پتانسیل انرژی ژئوترمال هستند منطبق بر مناطق آتشفشانی و زلزله خیز جهان هستند.

مخزن  ژئوترمال

توده یا حجمی از سنگهای نفوذپذیر و متخلخل است که در اعماق مختلف زمین قرار داشته و خلل در فرج آن ها را آب داغ یا بخار تحت فشار اشغال کرده است. مخازن ژئوترمال تحت شرایط خاص زمین شناسی به وجود می آیند. گسل ها یکی از عوامل مهم کنترل کننده اندازه و شکل مخازن زمین گرمایی هستند.

عمق این مخازن نباید بیش از سه هزار متر باشد زیرا بهره برداری از انرژی آن بافن آوری کنونی بشر، توجیه اقتصادی ندارد.

اجزای یک مخزن زمین گرمایی عبارتند از:

سنگ مخزن که سنگی نفوذپذیر و متخلخل است.

 سیال مخزن که آب داغ یا بخار تحت فشار است.

 سنگ پوشش که سنگی متراکم و غیر قابل نفوذ بوده و مانع خروج سیال از مخزن و در نتیجه افت فشار آن می شود.

منبع حرارت که ممکن است عوامل مختلفی باشد مانند یک توده نفوذی آذرین جوان و عمیق یا حرارت حاصل از حرکات زمین یا تجزیه عناصر رادیواکتیو

 منبع سیال که بارش های جوی، منابع آب زیرزمینی و یا آب موجود در ماگماست.

انواع مخازن ژئوترمال

1 مخازن گرمایی: در حال حاضر این دسته از مخازن تنها مخازن اقتصادی جهان است که حاوی سیال بوده و بر حسب نوع سیال به دو دسته آب بالنده و بخار بالنده تقسیم می شوند . مخازن آب بالنده فراوانتر از مخازن بخار بالنده است. کشورهای نیوزلند و ایسلند دارای تعداد قابل توجهی مخازن آب بالنده است . در مخازن بخار بالنده بخار تحت فشار با دمای زیاد منبسط شده و به بخار خشک فوق العاده گرم تبدیل می شود. در مخازن آب بالنده حجم آب داغ بیش از حجم بخار و گاز مخزن است. حدود 95% مخازن ژئوترمال را مخازن آب بالنده تشکیل می دهد. منابع تآمین کننده آب این مخازن بارش های جوی و آبهای سطحی است هر چه حجم آب داغ قابل استخراج مخزن بیشتر باشد، بهره برداری از آن اقتصادی تر است.

2 مخازن سنگ داغ خشک: در نواحی که سنگهای متراکم و آذرین و داغ و بدون تخلخل در عمق کم قرار دارند می توان آب را به طور مصنوعی به سنگها تزریق کرد. لابه لای سنگها آبها بخار شده و به بالا صعود میکند و برای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد. این طرح از نظر اقتصادی به صرفه نیست و در مرحله مطالعاتی است.

3 مخازن تحت فشار: این گونه مخازن در اعماق زیاد (بیش از چهار هزار و 600 متر) قرار دارد. این گونه مخازن از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیستند و اکثراَ در حین انجام مطالعات اکتشافی ذخایر نفت و گاز شناسایی شده اند.

4 مخازن ماگمایی : در برخی نقاط کره زمین به ویژه در مناطق فعال آتشفشانی توده های آذرین جوان کم عمق وجود داردکه دارای انرژی حرارتی فوق العاده زیادی هستند. این توده های آذرین را مخازن ماگمایی می نامند که بهترین نمونه آن در جزایر هاوایی وجود دارد. این طرح نیز با مشکلاتی نظیر خطرات حفاری و عدم کارایی روش های ژئوفیزیکی کنونی در حرارتهای بالا مواجه است.

 تکنولوژی  ژئوترمال

امروزه، تنها عالی ترین درجات منابع ژئوترمال می توانند مورد استفاده اقتصادی قرار بگیرند. مانع اصلی در راه پیشرفت سریع جهان گسترده ژئوترمال، گرانی و تکنولوژی نامناسب و محدود می باشد. پیشرفت این تکنولوژی نیاز به  مراکز تحقیق  به  ویژه  نظارت بر کاوش ها و اکتشافات حفاری و طراحی نیروگاهها دارد.

کاوش و اکتشاف [1]

تکنیکهای ژئوفیزیکی، ژئوشیمی و زمین شناسی برای تعیین محل منابع ژئوترمال مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از مشکلات اساسی که کمپانی های ژئوترمال با آن مواجه هستند، اینست که چطور اقتصادی ترین و مؤثرترین مکان را برای حفر چاهها پیشگویی کنندکه بیشترین شانس برای به هم رسیدن کانالهای جریان گرما و مخازن گرمایی عمیق وجود داشته باشد.

روش های جدید ژئوشیمی و زمین شناسی و سنورهای با حساسیت بالا بسیاری از اکتشافات را میسر می سازد اما هنوز جا برای پیشرفت در آینده به منظور به حداقل رساندن هزینه های اکتشاف اما نه تولید چاههای خشک[2] وجود دارد.

در زمین شناسی آنچه از نقطه نظر ژئوترمال پر اهمیت است تراوایی سنگهاست و در نتیجه اینکه کدامیک از این سنگها و طبقات رسوبی به عنوان سنگ مخزن و کدامیک به صورت سنگ پوششی عمل می کنند. همچنین با استفاده از نظریه تکنوییک صفحه ای می توان نحوه پراکندگی مناطق ژئوترمال جهان را توجیه کرد. به طور کلی ، استخراج و اکتشاف بدون شناخت و وضعیت زمین شناسی منابع ژئوترمال ممکن نیست. مطالعات ژئوشیمی شامل نمونه برداری و آزمایش نمونه های متعدد از آب های جاری، گازها ، رسوبات ، آلتراسیون و آب چشمه ها و غیره است که با توجه به نتایج حاصل می توان محدوده هایی که از نظر اکتشافات انرژی ژئوترمال پر اهمیت هستند را مشخص کرد. به عنوان مثال تغییرات در محدوده های زیاد نشانگر وجود آبخیزهای متعدد و اختلاط آب های ژئوترمال با آب های سطحی است. استفاده از داده های ایزوتوپی که از طریق مدار تریتیوم موجود درمحل ظهور آب چشمه ها می توان زمان توقف آب ها را در یک مخزن عمیق تخمین زد. اب چشمه های سرد دارای مقادیر زیاد تریتیوم و آب چشمه های گرم دارای مقادیر کمتری تریتیوم بوده که این مورد نشانگر گردش طولانی تر آب چشمه های گرم است.

همچنین از طریق کاربردهای ژئوترمومترهای مختلف می توان درجه حرارت مخزن ژئوترمال را تخمین زد.

برای اکتشاف مخزن ژئوترمال، استفاده از روش های ژئوفیزیکی هم ضروری می باشد مثلاً در ناحیه دماوند روش های ژئوفیزیکی تلوریک و مگنتوتلوریک برای اکتشاف مخزن ژئوترمال به کار گرفته شد.

مطالعات حرارت سنجی نیز به منظور اندازه گیری شیب حرارتی و مقدار جریان حرارت در زیر سطح زمین انجام می گیرد. همچنین میزان پتانسیل حرارتی را با توجه به داده هایی همچون درجه حرارت سیال مخزن ضخامت سنگ مخزن، میزان تخلخل سنگ ، مخزن، درجه حرارت پس از بهره برداری و …. محاسبه می کنند.

به دنبال استفاده مفید از بعضی انواع سیستمهای سنور، باید این سیستمها معرفی و مطرح گردند. اخیراً نتایج چندین پروژه و انواع سنسورهای به کار رفته در آنها توسط کمپانی های سازنده دستگاهها  به نمایش گذاشته شده و آزمایشات آنها شرح داده شد.

هنوز هم بیشتر سنسورهای معمول در زمینه بازدید و نقشه برداری ، دوربین های فیلمبرداری قدیمی هستند. فرض بر اینست که حدود 1000 سیستم گسترده جهانی قابل دسترسی وجود دارد که از آن تعداد، حدود 500 دوربین، روزانه استفاده می گردند. انواع مناسب آن که در معرض انعکاس های سیاه و سفید، رنگی و مادون قرمز هستند برای نقشه برداری فتوگرامتریک و تفسیر و ترجمه به کار گرفته می شوند. در پیشرفتهای اخیر، سنسورهای دیجیتال چشمی جایگزین دوربین های فیلمبرداری شده اند. که آزمایشات و اولین پروژه تجاری، نتایج خیلی منطقی در خصوص استعمال این سیستم نشان داد. علاوه بر سنسورهای چشمی برای نقشه برداری مانند استریوهای فتوگرامتریک یا عکس های درست دیجیتالی، سیستمهای LiDAR هستند که با پیشرفت سریع این سیستمها در طول 12 سال گذشته تا حال، روز به روز قابل اجراتر و نتیجه بخش تر بوده اند. به عنوان مثال ، با استفاده از برخی روش های اندازه گیری، قطر دهنده داخلی سیستم در نقشه برداری LiDAR با دقت بالای 15 سانتی متر نشان داد.

 در میان همه سیستمهای چند طیفی مختلف، طرح های اسکن گرما خیلی اوقات برای مشاهده و کنترل گرمای قسمت های مختلف زمین مانند رودخانه ها، دریاچه ها و پمپ های حرارتی و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.

از 10  سال پیش تا اکنون سیستمهای LiDAR همراه با سیستم های Gps/Ins [3]که با موفقیت بالا همراه بوده، استفاده می شوند. دریافت کننده GpsوINS با هم ، همراه با یک سیستم لیزری یک واحد فشرده و ترکیبی است.

حفاری [4]

به خاطر اینکه جریانات ژئوترمال حرارت بالایی دارند می توانند خورنده و فاسد کننده باشند که این در مخازن سخت اتفاق می افتد. حفر  چاههای  ژئوترمال  نسبت به حفر چاههای نفت و گاز خیلی مشکل تر و گرانتر می باشد. حفر هر چاه ژئوترمال 1 میلیون دلار تا 4 میلیون دلار هزینه دارد که ممکن است در یک فضای کاملاً پیشرفته به وجود 10  تا 100 چاه نیاز باشد.  حفر چاه ها می تواند به آسانی حدود 50% - 30 از هزینه های مالی کل پروژه را شامل شود.

در آلمان ، فقط حفر چاهها حدود 3 میلیون DM هزینه داشته که مجموع مخارج برای تأسیسات ژئوترمال حدود 12 میلیون DM بوده است. از طرف دیگر قیمت هر مگاوات ساعت از انرژی که ثابت خواهد بود بین 180-150 DM است که حدود 90 DM از هر MWh توسط مشتری شارژ می شود،  بنابراین نیمی از سرمایه ای که در یک سال گذاشته می شود به دین طریق باز می گردد. همچنین اداره ضمانت انرژی ایالت متحده با اختراعات متعدی که در زمینه حفاری داشته است باعث شده تا هزینه های حفاری در امریکا و سایر نقاط دنیا کاهش یابد.

نیروگاه ها [5]

دو تغییر مهم در نیروگاهها در توانایی تولید انرژی ژئوترمال به شدت  تأثیر داشته است:

1.کارایی و توانایی تبدیل انرژی ژئوترمال به الکتریسیته

 مخارج  لوازم و ساخت

افزایش اولی و کاهش دومی منجر به پیشرفت های سودمندی در انرژی ژئوترمال خواهد شد. برای رسیدن به این اهداف برنامه های تحقیقاتی ژئوترمال انجام شد و اجرای آن با موفقیت در آزمایشگاه های ملی و دانشگاهها تحت حمایت اداره انرژی ، دفتر تکنولوژی باد و ژئوترمال و با حمایت اساسی از صنعت ژئوترمال ایالات متحده شروع شده است. همچنین برنامه های تحقیقاتی قوی در جوامع اروپایی، ژاپن، نیوزلند، ایسلیند، ایتالیا، اندونزی، فیلیپین، مکزیک و آمریکای مرکزی وجود دارد. در نتیجه این تحقیقات و پیشرفت هایی که در این تکنولوژی حاصل شد، هزینه تولید از منابع ژئوترمال طی دو دهه گذشته حدود 25% کاهش یافته است.

مزایای استفاده از انرژی ژئوترمال

امروزه تولید انرژی به کمک منابع سوختهای فسیلی یا نیروگاههای هسته ای با آلودگی قابل ملاحظه محیط زیست توام ست. انرژی ژئوترمال علاوه بر تجدید پذیر بودن در مقایسه با سایر منابع تولید انرژی آلایندگی کمتری داشته و جزو منابع پاک انرژی به شمار می رود. البته این به این معنا نیست که انرژی ژئوترمال کاملاً فاقد آلودگی است ولی میزان آلایندگی آن نسبت به نیروگاههای فسیلی یا هسته ای به حدی کم است که می توان با هزینه نسبتاً کمی آن را به حداقل ممکن رساند. البته برخی نیروگاهها و طرح های بهره برداری از این انرژی کاملاً فاقد آلودگی هستند.

از سوی دیگر، میزان آاودگی تأسیسات مزبور ، ارتباط مستفیمی با درجه حرارت منبع ژئوترمال دارد ،به این ترتیب که منابع حرارت پایین نسبت به منابع حرارت بالا آلودگی کمتری تولید می کنند و همچنین طرح های کاربرد مستقیم نیز کمتر از نیروگاههای ژئوترمال ، محیط زیست را آلوده می کنند. مزایای ژئوترمال را می توان به دو دسته کلی مزایای زیست محیطی و کابردی تقسیم بندی کرد.