منابع انرژی

ژئوترمال

مبانی زمین گرمایی
انرژی زمین گرمایی چیست؟

انرژی زمین گرمایی گرمای درون زمین است. کلمه زمین گرمایی از کلمات یونانی geo (زمین) و therme (گرما) گرفته شده است. انرژی زمین گرمایی یک منبع انرژی تجدید پذیر است زیرا گرما به طور مداوم در داخل زمین تولید می شود. مردم از حرارت زمین گرمایی برای حمام کردن، گرم کردن ساختمانها و تولید برق استفاده می کنند.

انرژی زمین گرمایی از اعماق زمین می آید

منبع: برگرفته از نمودار ملی توسعه آموزش آموزش انرژی (مالکیت عمومی)

فروپاشی آهسته ذرات رادیواکتیو در هسته زمین، فرایندی که در همه سنگها اتفاق می افتد، انرژی زمین گرمایی تولید می کند.

زمین دارای چهار قسمت یا لایه اصلی است:

  • هسته داخلی آهن جامد که قطر آن حدود 1500 مایل است
  • یک هسته خارجی سنگ مذاب داغ به نام ماگما که حدود 1500 مایل ضخامت دارد.
  • گوشته ای از ماگما و سنگ هسته اصلی را احاطه کرده است که ضخامت آن حدود 1800 مایل است
  • پوسته ای از سنگ جامد که قاره ها و کف اقیانوس ها را تشکیل می دهد که زیر قاره ها 15 تا 35 مایل و زیر اقیانوس ها 3 تا 5 مایل ضخامت دارد

دانشمندان کشف کرده اند که دمای هسته داخلی زمین در حدود 10800 درجه فارنهایت (درجه فارنهایت) است که به اندازه سطح خورشید گرم است. دما در گوشته از حدود 392 درجه فارنهایت در مرز بالایی با پوسته زمین تا تقریباً 7،230 درجه فارنهایت در مرز هسته گوشته است.

پوسته زمین به قطعاتی موسوم به صفحات تکتونیکی شکسته شده است. ماگما نزدیک به سطح زمین نزدیک لبه های این صفحات می آید، جایی که آتشفشان های زیادی در آن رخ می دهد. گدازه ای که از آتشفشان ها فوران می کند تا حدی ماگما است. سنگها و آب گرما را از ماگما در عمق زیر زمین جذب می کنند. صخره ها و آبی که در عمق زیر زمین قرار دارند بالاترین دما را دارند.

جایی که انرژی زمین گرمایی پیدا می شود

مخازن زمین گرمایی مناطقی از منابع گرمابی هستند که به طور طبیعی وجود دارند. این مخازن در اعماق زمین قرار دارند و تا حد زیادی از سطح زمین قابل تشخیص نیستند. انرژی زمین گرمایی از سه طریق به سطح زمین راه پیدا می کند:

  • آتشفشان ها و بخورها (سوراخ هایی در زمین که گازهای آتشفشانی آزاد می شود)
  • چشمه های آب گرم
  • آبشارها
بیشتر منابع زمین گرمایی نزدیک مرزهای صفحات تکتونیکی زمین هستند

فعال ترین منابع زمین گرمایی معمولاً در امتداد مرزهای اصلی صفحه زمین ساختی یافت می شوند که بیشتر آتشفشان ها در آن قرار دارند. یکی از فعال ترین مناطق زمین گرمایی در جهان حلقه آتش نام دارد که اقیانوس آرام را محاصره می کند.

وقتی ماگما به سطح زمین نزدیک می شود ، آب زمینی محبوس شده در سنگ متخلخل یا آبی که در امتداد سطوح شکسته شده سنگ و گسل ها جریان دارد را گرم می کند. ویژگی های هیدروترمال دارای دو ماده مشترک است: آب (هیدرو) و گرما (گرمایی).

زمین شناسان از روش های مختلفی برای یافتن مخازن زمین گرمایی استفاده می کنند. حفر چاه و آزمایش دما در اعماق زمین مطمئن ترین روش برای تعیین محل مخزن زمین گرمایی است.

نیروگاه های زمین گرمایی ایالات متحده در غرب واقع شده اند

بیشتر نیروگاه های زمین گرمایی در ایالات متحده در ایالت های غربی و هاوایی هستند، جایی که منابع انرژی زمین گرمایی نزدیک به سطح زمین هستند. کالیفرنیا بیشترین انرژی الکتریکی را از انرژی زمین گرمایی تولید می کند. مخزن بخار خشک Geysers در شمال کالیفرنیا بزرگترین میدان بخار خشک شناخته شده در جهان است و از سال 1960 تولید برق می کند.

استفاده از انرژی زمین گرمایی

برخی از کاربردهای انرژی زمین گرمایی از دمای زمین در نزدیکی سطح استفاده می کنند، در حالی که برخی دیگر نیاز به حفاری مایل در زمین دارند. سه نوع اصلی از سیستم های انرژی زمین گرمایی وجود دارد:

  • استفاده مستقیم و سیستم های گرمایش منطقه ای
  • نیروگاه های تولید برق
  • پمپ های حرارتی زمین گرمایی
استفاده مستقیم و سیستم های گرمایش منطقه ای

استفاده مستقیم و سیستم های گرمایش منطقه ای از آب گرم چشمه ها یا مخازن واقع در نزدیکی سطح زمین استفاده می کنند. فرهنگ های روم باستان، چین و بومیان آمریکا از چشمه های آب گرم معدنی برای استحمام، پخت و پز و گرمایش استفاده می کردند. امروزه هنوز از بسیاری از چشمه های آب گرم برای استحمام استفاده می شود و بسیاری از مردم معتقدند که آبهای گرم و غنی از مواد معدنی قدرت درمانی طبیعی دارند.

از انرژی زمین گرمایی برای گرم کردن ساختمانها از طریق سیستمهای گرمایش منطقه ای نیز استفاده می شود. آب گرم نزدیک به سطح زمین برای گرم شدن مستقیماً به داخل ساختمان ها منتقل می شود. سیستم گرمایش منطقه ای گرما را برای بسیاری از ساختمانهای ریکیاویک، ایسلند فراهم می کند.

کاربردهای صنعتی انرژی زمین گرمایی شامل کمبود آب در غذا، استخراج طلا و پاستوریزاسیون شیر است. کمبود آب بدن یا خشک شدن محصولات سبزیجات و میوه ها، متداول ترین کاربرد صنعتی انرژی گرمایی است.

تولید برق زمین گرمایی

تولید برق زمین گرمایی به آب یا بخار در دمای بالا (300 درجه تا 700 درجه فارنهایت) نیاز دارد. نیروگاه های زمین گرمایی معمولاً در جاهایی ساخته می شوند که مخازن زمین گرمایی در آن قرار دارند، در فاصله یک یا دو مایل از سطح زمین.

ایالات متحده از نظر تولید برق با انرژی زمین گرمایی، جهان را رهبری می کند. در سال 2019، نیروگاه های زمین گرمایی در هفت ایالت وجود داشتند که حدود 16 میلیارد کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) تولید می کردند، برابر با 0.4 درصد کل تولید برق در مقیاس سودمند ایالات متحده.

ایالت های دارای نیروگاه های زمین گرمایی در سال 2019
سهم ایالت از کل تولید برق زمین گرمایی ایالات متحده سهم زمین گرمایی از کل تولید برق دولتی
کالیفرنیا 71.2٪ 5.6٪
نوادا 23.5٪ 9.5٪
یوتا 2.8٪ 1.1٪
اورگان 0.9٪ 0.2٪
هاوایی 0.7٪ 1.1٪
آیداهو 0.5٪ 0.4٪
نیومکزیکو 0.4٪ 0.2٪

در سال 2018، 27 کشور از جمله ایالات متحده در مجموع حدود 83 میلیارد کیلووات ساعت برق از انرژی زمین گرمایی تولید کردند. اندونزی با 14 میلیارد کیلووات ساعت برق دومین تولید کننده بزرگ برق زمین گرمایی جهان پس از ایالات متحده بود که برابر با 5٪ کل تولید برق اندونزی بود. کنیا با حدود 5 میلیارد کیلووات ساعت هشتمین تولید کننده بزرگ برق زمین گرمایی در جهان بود، اما حدود 46 درصد بیشترین سهم را در کل تولید سالانه برق از انرژی زمین گرمایی داشت.

پمپ های حرارتی زمین گرمایی

پمپ های حرارتی زمین گرمایی از دمای ثابت نزدیک سطح زمین برای گرم کردن و خنک سازی ساختمان ها استفاده می کنند. پمپ های حرارتی زمین گرمایی در طول زمستان گرما را از زمین (یا آب) به داخل ساختمان منتقل می کنند و در تابستان روند آن را معکوس می کنند.

نیروگاه های زمین گرمایی

نیروگاه های زمین گرمایی از منابع گرمابی استفاده می کنند که هم دارای آب (آب) و هم گرما (گرمایی) هستند. نیروگاه های زمین گرمایی به منابع گرمابی گرمایی (300 درجه فارنهایت تا 700 درجه فارنهایت) نیاز دارند که از چاه های بخار خشک یا از چاه های آب گرم حاصل می شود. مردم از این منابع با حفر چاه در زمین و سپس لوله کشی بخار یا آب گرم به سطح زمین استفاده می کنند. آب گرم یا بخار توربی را تولید می کند که برق تولید می کند. عمق بعضی از چاه های زمین گرمایی به اندازه دو مایل است.

انواع نیروگاه های زمین گرمایی

سه نوع اساسی از نیروگاه های زمین گرمایی وجود دارد:

  • نیروگاه های بخار خشک مستقیماً از مخزن زمین گرمایی برای چرخاندن توربین های ژنراتور از بخار استفاده می کنند. اولین نیروگاه زمین گرمایی در سال 1904 در توسکانی ایتالیا ساخته شد، جایی که بخار طبیعی از زمین فوران کرد.
  • کارخانه های بخار فلش، آب گرم با فشار بالا را از اعماق زمین گرفته و آن را به بخار تبدیل می کنند تا توربین های مولد را به حرکت در آورند. وقتی بخار سرد می شود، به آب متراکم می شود و دوباره به زمین تزریق می شود تا دوباره مورد استفاده قرار گیرد. بیشتر نیروگاه های زمین گرمایی نیروگاه های بخار فلش هستند.
  • نیروگاه های چرخه دوتایی گرما را از آب گرم زمین گرمایی به مایع دیگری منتقل می کنند. گرما باعث می شود که مایع دوم به بخار تبدیل شود، که برای راه اندازی توربین ژنراتور استفاده می شود.
پمپ های حرارتی زمین گرمایی
پمپ های حرارتی زمین گرمایی از دمای ثابت زمین برای گرمایش و سرمایش استفاده می کنند

گرچه دمای هوا در سطح زمین در طول روز و با تغییر فصول تغییر می کند، دمای زمین 10 فوت زیر زمین به طور مداوم بین 50 درجه فارنهایت و 60 درجه فارنهایت است. برای اکثر مناطق ایالات متحده، این بدان معناست که دمای خاک معمولاً گرمتر از هوا در زمستان و از هوا در تابستان سردتر است. پمپ های حرارتی زمین گرمایی از دمای ثابت زمین برای گرم کردن و خنک سازی ساختمان ها استفاده می کنند. پمپ های حرارتی زمین گرمایی در طول زمستان گرما را از زمین (یا آب) به داخل ساختمان منتقل می کنند و روند آن را در تابستان معکوس می کنند.

پمپ های حرارتی زمین گرمایی از نظر انرژی و مقرون به صرفه هستند

براساس آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA)، پمپ های حرارتی زمین گرمایی از کم مصرف ترین، پاک ترین محیط زیست و مقرون به صرفه ترین سیستم ها برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها هستند. انواع ساختمان ها از جمله خانه ها، ساختمان های اداری، مدارس و بیمارستان ها می توانند از پمپ های حرارتی زمین گرمایی استفاده کنند.

انرژی زمین گرمایی و محیط زیست

اثرات زیست محیطی انرژی زمین گرمایی به نحوه استفاده از انرژی زمین گرمایی و یا تبدیل آن به انرژی مفید بستگی دارد. کاربردهای استفاده مستقیم و پمپ های حرارتی زمین گرمایی ممکن است تأثیر بسیار کمی بر محیط داشته باشد. در واقع، آنها ممکن است استفاده از منابع انرژی را که ممکن است اثرات بیشتری بر محیط داشته باشند کاهش دهند.

نیروگاه های زمین گرمایی سطح انتشار کمی دارند

نیروگاه های زمین گرمایی سوخت را برای تولید برق نمی سوزانند ، اما ممکن است مقدار کمی دی اکسید گوگرد و دی اکسید کربن آزاد کنند. نیروگاه های زمین گرمایی نسبت به نیروگاه های سوخت فسیلی با اندازه مشابه 97٪ ترکیبات گوگردی ترش باران اسیدی و 99٪ دی اکسید کربن کمتری منتشر می کنند. نیروگاه های زمین گرمایی با استفاده از دستگاه های اسکرابر ، سولفید هیدروژن را که به طور طبیعی در مخازن زمین گرمایی یافت می شود ، از بین می برند. بیشتر نیروگاه های زمین گرمایی بخار زمین گرمایی و آبی را که استفاده می کنند دوباره به زمین تزریق می کنند. این بازیافت آب می تواند به حفظ منبع انرژی زمین گرمایی کمک کند.

بسیاری از ویژگی های زمین گرمایی گنجینه ملی است

ویژگی های زمین گرمایی در پارک های ملی، مانند آبفشان و بخور در پارک ملی یلوستون، توسط قانون محافظت می شود.