تعداد صفحات : 70 صفحه -
قالب بندی : word
پیشگفتار
فناپذیری سوخت‌های فسیلی، تنوع بخشی به منابع انرژی، توسعه پایدار و ایجاد امنیت انرژی و مشکلات زیست محیطی ناشی از مصرف انرژی فسیلی از یک طرف و پاک و تجدیدپذیر بودن منابع انرژی‌های نو نظیر خورشید، باد، زمین گرمایی و ... از طرف دیگر باعث توجه جدّی جهانیان به توسعه و گسترش استفاده از انرژی جهانی شده است. امروزه ما شاهد افزایش چشمگیر فعالیت‌ها و بودجه دولت‌ها و شرکت‌ها در امر تحقیق، توسعه و عرضه سیستم‌های انرژی‌های تجدیدپذیر هستیم و این فعالیت‌ها و صرف بودجه‌های مذکور در نهایت باعث کاهش قیمت تمام شده انرژی‌های تجدیدپذیر و رقابت‌پذیری با سیستم‌های انرژی سنتی موجود می‌گردد. این امر در مورد انرژی باد و برخی کاربردهای انرژی زیست توده محقق شده و روند سریع کاهش قیمت‌ها در مورد سایر منابع انرژی‌های تجدیدپذیر نیز در حال انجام است.
با نیم‌نگاهی به آمارهای به دست آمده در سال 2007 می‌توان مشاهده کرد که در این سال بیش از 100 میلیارد دلار در بخش افزایش ظرفیت‌ها، ساخت نیروگاه‌ها و تحقیق و توسعه انرژی‌های نو در دنیا سرمایه‌گذاری شده است.
میزان ظرفیت تولید الکتریسیته در نیروگاه‌های جهان در سال 2007 به طور چشمگیری افزایش یافته است و بر طبق آمار این میزان به 240 گیگاوات رسید که نسبت به سال 2004 حدود 50% افزایش یافته است. همچنین ظرفیت‌های موجود در انرژی‌های تجدیدپذیر 4/3 درصد در تولید الکتریسته جهان سهم داشته‌اند (این ارقام بدون در نظر گرفتن انرژی آبی (Hydropower) بوده زیر این انرژی به تنهایی 15 درصد در تولید الکتریسیته دنیا سهم دارد).
در این مقاله تلاش شده است تا به مباحث انرژی زمین گرمایی به صورت علمی‌تر و تخصصی‌تر پرداخته شود امید است که به یاری خداوند متعال بتوان قدم‌های مؤثرتری در جهت رشد و ارتقاء سطح فرهنگ عمومی جامعه در این راستا برداشته شود.
1. مقدمه
زمینی که زیر پای ما قرار دارد، منبع بسیار عظیم انرژی است. انرژی زمین گرمایی از انرژی خورشیدی که در طول هزاران سال در داخل زمین ذخیره شده و همچنین فروپاشی عناصر رادیو اکتیو در عمق زمین نشات گرفته است. این انرژی که به صورت حرارت از اعماق زمین به سطح هدایت میشود در صورت توسعه فن آوری استخراج آن، به تنهایی قادر خواهد بود کلیه نیازهای انرژی امروز و آینده بشر را تامین کند. انرژی زمین گرمایی در واقع گرمای موجود در عمق زمین است و درجه حرارت زمین با ر فتن به عمق آن افزایش می‌یابد. البته میان افزایش درجه حرارت و افزایش عمق زمین ، رابطه خطی وجود ندارد.نظر به اینکه حرارت همیشه از سمت ناحیه گرم‌تر به ناحیه سردتر انتقال پیدا میکند، حرارت و گرمای درون زمین به نواحی نزدیک به سطح حرکت میکند.تقریبا توانی معادل با 42 میلیون مگاوات حرارتی به طور پیوسته از کل سطح کره زمین قابل استحصال است که این مقدار انرژی، به طور پیوسته به فضای سردی که زمین را در بر گرفته
است منتقل میشود. طبق محاسبات،مشخص شده است که انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی به دست آمده از منابع نفت وگاز شناخته شده امروز جهان است.پس این منبع عظیم انرژی می‌تواند در آینده جایگزین قابل اعتمادی برای انرژی حاصل از سوخت های فسیلی باشد.البته بدیهی است که بهره‌برداری گسترده از ذخایر زمین گرمایی، مستلزم توسعه بیشتر در زمینه تکنیکهای اکتشاف و استخراج آن است.
2. انرژی وابسته به حرارت مرکزی زمین
گرما شکلی از انرژی می‌باشد و انرژی وابسته به حرارت مرکزی زمین به طور تحت‌اللفظی یکنوع انرژی داخل زمینی می‌باشد که باعث ایجاد پدیده‌های زمین‌شناسی در مقیاس جهانی می‌گردد. زمین مانند یک دیگ بخار می‌باشد که در آن سیالات زمین گرمایی می‌توانند گرمای بالا و فشار زیاد موردنیاز برای رسیدن به سطح زمین را به دست آورند. معمولاً، این سیالات در مخازنی روی می‌دهند که در عمق بیش از 3000 متری زمین قرار گرفته‌اند و می‌توان آنها را با استفاده از حفر چاه بازیافت نمود. تأسیسات سطحی انرژی زمین گرمایی را به نوعی مفید از انرژی، نظیر الکتریسیته و یا گرما برای مقاصد دیگر نظیر گرمای خانگی، تبدیل می‌کنند.
3. طبیعت گرمای زمین 1-3. پوسته، جبه و هستۀ زمین
سیارۀ ما متشکل از پوسته، با ضخامتی در حدود 20 تا 65 کیلومتر در نواحی قاره‌ای و 5 تا 6 کیلومتر در نواحی اقیانوسی، یک جبه با ضخامت 2900 کیلومتر و یک هسته با شعاع در حدود 3470 کیلومتر می‌باشد. بیرونی‌ترین سطحزمین به نام لیتوسفر خوانده میشود که بالای سطح پوسته قرار گرفته است. ضخامت آن از حداقل 80 کیلومتر در نواحی اقیانوسی تا بیش از 200 کیلومتر در نواحی قاره‌ای می‌باشد.
خصیصۀ لیتوسفر، داشتن یک بدنۀ سخت می‌باشد. در زیر لیتوسفر ناحیه‌ای به نام استنوسفر، با 200 تا 300 کیلومتر ضخامت قرار دارد که دارای سختی کمتر و انعطاف‌پذیری بیشتر می باشد.
به واسطۀ تفاوت در دمای بین قسمت‌های مختلف استنوسفر، حرکت‌های رسانای گرمایی و احتمالاً سلول‌های رسانای گرمایی در حدود ده‌ها میلیون سال قبل تشکیل یافته‌اند. حرکت کاملاً آهستۀ آنها (چندین سانتی‌متر در سال) به وسیله تداوم تولید گرما از طریق اضمحلال عناصر رادیواکتیو و گرمای متصاعد شده از عمیق‌تر قسمت‌های زیمن ناشی گردیده است. حجم‌های بسیار بزرگی از صخره‌های گرم با تراکم کمتر و دارای گرمای بیشتر از مواد اطراف، باعث تداوم این حرکت به سوی بالا گشته است. در حالی که صخره‌های سردتر، متراکم‌تر و سنگین‌تر نزدیک سطح زمین تمایلی به فرورفتگی، داشتن گرمای مجدد و بازگشت به سطح داشتند، که بسیار مشابه با جوشیدن آب در یک کتری می‌باشد.
در نواحی که لیتوسفر نازک‌تر می‌باشد، و مخصوصاً در نواحی اقیانوسی لیتوسفر به سمت بالا آمده و به وسیلۀ مواد مذاب بسیار داغ که از استنوسفر ناشی میشود، مترادف با بالا آمدن قسمتی از سلول‌های رسانا، شکسته می‌گردد. چنین مکانیسمی باعث تولید برآمدگی‌های پراکنده در قدیم و حال حاضر گردیده که بیش از 60.000 کیلومتر زیر دریا را پوشش داده و در برخی از نواحی به سطح آب می‌آید. این پدیده حتی در بین قاره‌ها نیز روی می‌دهد مانند دریای سرخ. قسمت نازکی از صخره‌های مذاب پدیدار شده از استنوسفر نیز باعث به وجود آمدن پوسته‌های سخت گردیده و در تماس با آب دریا منجمد شده و پوسته جدید اقیانوسی را به وجود آورده است.
2-3. موتور گرمای زمین
گرمای تولید شده در داخل زمین و گرمای انتشار یافته به سطح زمین به نظر غیرمتعادل می‌باشند. برحسب یک تئوری سیاره ما به سوی سرد شدن در حرکت می‌باشد.
فرایند سرد شدن لایه میانی زمین عملاً بسیار آهسته صورت می‌گیرد، به طوری که دمای آن در طول سه میلیارد سال گذشته بیشتر از 350-300 درجه سانتیگراد کاهش نیافته و هم‌اینک دمای نواحی مرکزی آن در حدود 4000 درجه سانتیگراد است.
در اینجا به نظر می‌رسد که کل حرارت موجود در اعماق زمین، با فرض اینکه میانگین دمای سطح زمین را 15 درجه سانتیگراد در نظر بگیریم، به میزان مگاژول و سهم پوسته از این مقدار مگاژول باشد. بنابراین انرژی حرارتی زمین فوق‌العاده زیاد است. اما کسر کوچکی از آن می‌تواند توسط بشر مورد بهره‌برداری قرار گیرد. تا کنون بهره‌برداری ما از این انرژی، محدود به مناطقی بوده است که شرایط زمین‌شناسی آنها این اجازه را به یک سیال حامل (آب در فاز مایع یا بخار) می‌داده تا حرارت از لایه‌های داغ عمقی به سطح زمین یا نزدیکی آن انتقال داده و بدین‌ترتیب منابع زمین گرمایی را به وجود آورد. اما تکنیکهای جدید و نوآوری شده ممکن است در آیندۀ نزدیکی دیدگاه‌های جدیدی را در این زمینه به وجود آورد.
گرادیان زمین‌شناختی توضیح دهندۀ افزایش دما در عمق پوستۀ زمین می‌باشد. چنانچه دما در چند متر اول زیر سطح زمین،که بصورت میانگین مساوی دمای متوسط سالیانه فضای خارجی یعنی ۱۵ درجه سانتیگراد می‌باشد، می‌توانیم به طور منطقی تصویر کنیم که دما در عمق ۲۰۰۰ متر ۶۵ تا ۷۵ درجه سانتیگراد باشد. در عمق ۳۰۰۰ متر و بیشتر نیز دما در حدود ۹۰ تا ۱۰۵ درجه سانتیگراد خواهد بود.
با این وجود، نواحی وسیعی وجود دارد که در آن گرادیان گرمای زمین از مقدار میانگین فاصله دارد، نواحی مانند صخره های عمیق که در زیر زمین فرو رفته و حوضچه هایی که با رسوباتی که از نظر زمین شناختی بسیار جوان می باشند پوشیده گردیده است، گرادیان گرمای زمین ممکن است کمتر از ۱۰ درجه سانتیگراد بر ۱۰۰ متر باشد. از طرف دیگر، در برخی نواحی گرم زمین، گرادیان حتی بیش از ۱۰ برابر حد میانگین خواهد بود.
4. تعریف انرژی زمین گرمایی (ژنوترمال)
ژنوترمال از کلمه‌ی یونانی «ژئو» به معنی زمین، و «ترمال» به معنی گرما و گرمایی گرفته شده است. 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 شکاف ها و منافذ داخل سنگ در پوسته ی زمین وجود دارد. مشاهدات به عمل آمده از معادن عمیق و چاه های حفاری شده نشان می دهد که درجه ی حرارت سنگ ها به طور پیوسته با عمق زمین افزایش می یابد، هر چند نرخ افزایش درجه ی حرارت ثابت نیست. با این روند، درجه‌ی حرارت در قسمت بالایی جبه به مقادیر بالایی می رسد و سنگ ها در این قسمت به نقطه ی ذوب خود نزدیک می شوند.
منشا این گرما در پوسته و جبه ی زمین، به طور عمده تجزیه ی مواد رادیواکتیو است. در طول عمر زمین، این گرمای درونی به طور آرام تولید شده و در درون زمین محفوظ و محبوس مانده است. همین امر موجب شده است 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 5/4 میلیارد سال قبل) حالت مذاب داشته، تدریجا سرد شده و بخش خارجی آن به صورت جامد درآمده است. اما بخش‌های داخلی آن، به دلیل کندی از دست دادن گرما، حالت مذاب خود را حفظ کرده و دارای درجه‌ی حرارت بالایی است و می‌تواند منبع گرمایی درونی پوسته باشد که از هسته به طرف خارج منتقل می شود.
دانلود مقاله زمین گرمایی
