تعریف انرژی

انرژی )از واژه یونانی ἐνεργός به معنی فعالیت ( یا کارمایه، در فیزیک و دیگر علوم، یک کمیت بنیادین فیزیکی است. انرژی کمیتی است که برای توصیف وضعیت یک ذره، شیئ یا سامانه به آن نسبت داده می‌شود. در کتاب‌های درسی فیزیک انرژی را به صورت توانایی انجام کار تعریف می‌کنند. ِ تا به امروز گونه‌های متفاوتی از انرژی شناخته شده که با توجه به نحوهٔ آزادسازی و تأثیر گذاری به دسته‌های متفاوتی طبقه‌بندی می‌شوند از آن جمله می‌توان انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل، انرژی گرمایی، انرژی الکترومغناطیسی، انرژی شیمیایی و انرژی الکتریکی و انرژی هسته‌ای را نام برد. در علم فیزیک انرژی را به دو بخش تفسیم می‌کنند:
۱- اکسرژی (بخش مفید انرژی)
۲-انرژی (بخش قابل تبدیل انرژی (انرژی در واقع به نوعی از انرژی تبدیل می‌شود که در آن شرایط برای ما ممکن مفید یا غیر مفید باشد)).

عامل، حامل و منبع همه گونه انرژی‌هایی که بشر از آن استفاده می‌کند (انرژی مواد فسیل، انرژی آبی و غیره) خورشید است، بجز انرژی هسته‌ای.

طبق نظریهٔ نسبیت مجموع «جرم و انرژی» پایدار و تغییر ناپذیر است (و آن را قانون پایستگی انرژی می‌نامند)؛ بدین معنا که انرژی از شکلی به شکل دیگر و یا به جرم تبدیل شود ولی هرگز تولید یا نابود نمی‌شود. بر طبق تئوری نور بقای جرم و انرژی پیامدی از این اصل است که قوانین فیزیکی در طول زمان بدون تغییر باقی می‌مانند. انرژی هر جسم (طبق نسبیت خاص) جنبش ذرات بنیادی آن جسم است و مقدار آن از معادلهٔ معروف آلبرت اینشتین بدست می‌آید:  

 باید توجه کرد که این معادله تنها انرژی موجود ذرات را بدست می‌دهد و نه دیگر گونه‌های انرژی (مانند جنبشی یا پتانسیل).

اصل حفاظت از انرژی در معماری

هر ساختمان باید به گونه‌ای طراحی و ساخته شود که نیاز آن به سوخت فسیلی به حداقل ممکن برسد. ضرورت پذیرفتن این اصل در عصرهای گذشته بدون هیچ شک و تردیدی با توجه به نحوه ساخت و سازها غیرقابل انکار می‌باشد و شاید تنها به سبب تنوع بسیار زیاد مصالح و فناوری‌های جدید در دوران معاصر چنین اصلی در ساختمان‌ها به دست فراموشی سپرده شده است و این بار با استفاده از مصالح گوناگون ویا با ترکیب‌های مختلفی از آنها، ساختمان‌ها، محیط را با توجه به نیازهای کاربران تغییر می‌دهند. اشاره به نظریه مجتمع زیستی نیز خالی از لطف نمی‌باشد، که از فراهم آوردن سر پناهی برای درامان ماندن در برابر سرما و یا ایجاد فضایی خنک برای سکونت افراد سرچشمه می‌گیرد، به این دلیل و همچنین وجود عوامل دیگر مردمان ساختمانهای خود را به خاطر مزایای متقابل فراوان در کنار یکدیگر بنا می‌کردند. ساختمان‌هایی که در تعامل با اقلیم محلی و در تلاش برای کاهش وابستگی به سوخت فسیلی ساخته می‌شوند، نسبت به آپارتمانهای عادی امروزی، حامل تجربیاتی منفرد و مجزا بوده و در نتیجه، به عنوان تلاشهای نیمه کاره برای خلق معماری سبز مطرح می‌شوند. بسیاری از این تجربیات نیز بیشتر حاصل کار و تلاش انفرادی بوده؛ و بنابراین روشن است به عنوان اصلی پایدار در طراحی‌ها و ساخت و سازهای جامعه امروز لحاظ نمی‌گردد.

 

انرژی باد

 

گستردگی نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی مهم در  زندگی بشر بوده و تلاش برای دستیابی به یک منبع تمام نشدنی انرژی از آرزوهای دیرینه انسان بوده است. از نقوش حک شده بر دیوار غارها می توان دریافت که بشر اولیه توانسته بود نیروی ماهیچه‌ای را به عنوان یک منبع انرژی مکانیکی به خوبی شناخته و از آن استفاده کند. ولی از آنجایی که این نیرو بسیار محدود و ضعیف است انسان همواره در تصورات خود نیرویی تمام نشدنی را جستجو می‌کرد که همواره و در هر زمان و مکان در دسترس باشد. این موضوع را می‌توان در داستان‌های مختلف که ساخته تخیل و ذهن بشر نخستین بوده به خوبی دریافت.

به تدریج با پیشرفت تمدن بشری، چوب و پس از آن ذغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژی گردیده‌اند. اما به  دلیل افزایش روز افزون نیاز به انرژی و محدودیت منابع فسیلی از یک سو و افزایش آلودگی محیط زیست ناشی از سوزاندن این منابع از سوی دیگر استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر را روز به روز با اهمیت‌تر و گسترده‌تر نموده است.

انرژی باد یکی  از انواع اصلی انرژی‌های تجدیدپذیر می باشد که از دیر باز ذهن بشر را به خود معطوف کرده بود به طوری که وی همواره به فکر کاربرد این انرژی در صنعت بوده است. بشر از انرژی باد برای به حرکت درآوردن قایق‌ها و کشتی‌های بادبانی و آسیاب‌های بادی استفاده می‌کرده است. در شرایط کنونی نیز با توجه به موارد ذکر شده و توجیه‌پذیری اقتصادی انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی های نو، پرداختن به انرژی باد امری حیاتی و ضروری به نظر می‌رسد. در کشور ما ایران قابلیت‌ها  و پتانسیل‌های مناسبی جهت نصب و راه‌اندازی توربین‌های برق بادی وجود دارد که با توجه به توجیه پذیری آن و تحقیقات، مطالعات و سرمایه‌گذاری که در این زمینه صورت گرفته، توسعه و کاربرد این تکنولوژی چشم انداز روشنی را فرا روی سیاست‌گذاران بخش انرژی کشور در این زمینه قرار داده است.

 

تعریف باد:

جابجایی مکانی یک توده (بسته) هوایی را باد می‌نامند. این جابجایی در اثر عوامل مختلف طبیعی و مصنوعی می‌تواند امکان‌پذیر گردد:

الف – مصنوعی: این شکل از جابجایی هوا در اثر نیروهای وارده بر یک توده هوا از طریق دستگاهها و یا عوامل انسانی صورت می‌گیرد، مثل حرکت یک ماشین که پس از عبور آن یک سری اغتشاشات و ناهنجاری هوا در توده هوای پشت سر آن ایجاد می‌گردد یا جابجایی دست، استفاده از بادبزن دستی و…..

ب- طبیعی: وزش باد در روزهای گرم و سرد سال، وزش باد در اطراف سواحل دریاها و اقیانوس‌ها، وزش باد از کوه به دره و برعکس و…

همه مثال های یاد شده یک نوع حرکت فیزیکی می‌باشند که بر اثر نیروی وارده رخ می دهند که در حالت طبیعی وزش باد، این نیرو می‌تواند در اثر تغییرات دمایی و فشار بین دو نقطه از یک توده هوا (گرادیان حرارتی و فشاری) صورت گیرد.

حاصل این گرادیان‌ها ایجاد نیرو می‌باشد که می‌تواند عامل اصلی در جابجایی منظور گردد.

با تمرکز بر روی ساختار جوی کره زمین و عوامل موثر در آن می‌توان به نکات زیر اشاره نمود:

الف) تابش خورشید :

– تابش مستقیم نور خورشید و تأثیر قسمت حرارتی آن در سطوح پایین جو باعث ایجاد تغییرات دمایی در توده‌های هوایی می‌گردد که این عامل نیز با تغییرات فشار همراه است.

– بخار نمودن آب های سطحی و تشکیل توده هوای گرم و مرطوب و صعود آن به بالا و تشکیل ابرها.

– برخورد مستقیم با سطح زمین و گرم نمودن آن با توجه به متفاوت بودن ظرفیت (جذب) گرمایی سطوح مختلف و در نهایت تغییرات دمایی.

ب) حرکت وضعی زمین :

چرخش زمین به دو خود در هر 24 ساعت یکبار باعث ایجاد امواج مختلف جوی از جمله امواج راسبی می‌گردد و با در نظر گرفتن قوانین نیوتن، نیروی گریز از مرکز ایجاد شده در اتمسفر آن باعث جابجایی نسبتاً منظم مکانی و زمانی آن گردیده که توده های کم فشار و پرفشار نمونه‌هایی از آن می باشند.

ج) جاذبه زمین :

وجود جاذبه زمین باعث ایجاد فشار متعادل در اتمسفر زمین و جلوگیری از فرار توده‌های هوایی اطراف آن در اثر نیروی گریز از مرکز شده و یک تعدیل در برآیند نیروها بوجود می‌آورد.

با در نظر گرفتن عوامل یاد شده، وقتی یک توده هوا شروع به حرکت می‌کند، در هنگام حرکت (افقی) به عوامل طبیعی همچون توپوگرافی (کوهها، دره ها و…..) برخورد می نماید که این تغییرات افقی و قائم و تغییرات در گرادیان دمایی و فشار صعود و نزول توده‌های هوایی را شامل می‌شود.

شکل حرکت یک توده هوا

امروزه انرژی باد به یک فعالیت اقتصادی بین‌المللی تبدیل شده است و با نرخی سریعتر از دیگر انواع انرژی رشد می‌نماید.در سال 2005 بازارهای جهانی باد با نرخ 40/7 درصد رشد کرده بطوری که درآمد حاصل از تولید تجهیزات تولید کننده باد 12 میلیارد یورو یا 14 میلیارد دلار آمریکا بوده است.

این در حالی است که پیش‌بینی می‌شود طی 30 سال آینده تقاضای جهانی انرژی با نرخ خیره‌کننده ای افزایش یافته و میزان تقاضا در سال 2030 بسیار بیشتر از تقاضای فعلی آن باشد. بطوری که تنها در بخش برق لازم است تا سال مذکور 4800 گیگاوات ظرفیت جدید نصب شود. این امر خود مستلزم 2 تریلیون دلار سرمایه‌گذاری در تولید برق و 1/8 تریلیون دلار سرمایه‌گذاری در شبکه های انتقال و توزیع است.

یکی از دلایل و الزامات توسعه برق بادی، مقابله با تغییرات جهانی آب و هوا است که به شدت جهان را تهدید می‌کند. بر اساس پیش‌بینی تغییرات آب و هوا (IPCC) درجه حرارت جهان بطور متوسط در طی صد سال آینده 5/8 درجه سانتیگراد افزایش خواهد یافت که این خود می‌تواند پدیده‌هایی مانند وقوع سیل و خشکسالی و نوسانات شدید آب و هوایی را به همراه داشته باشد. به همین جهت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به عنوان یک ضرورت جهانی شناخته شده است.

پیشرفت‌های فنی در 20 سال اخیر موجب شده است تا اندازه، کارایی و سهولت استفاده از توربین‌های بادی دنیا نسبت به اولین بکارگیری آن در سال 1980 به شدت بهبود یابد. مزرعه‌های بادی امروزی همچون نیروگاه‌های متعارف عمل نموده و توربین‌های مدرن بصورت واحدی و با نصب سریع و آسان در دسترس می باشند. این امر برای کشورهایی که نیاز مبرم به افزایش سریع در تولید برق دارند حایز اهمیت است. امروزه توربین‌های بادی، بزرگتر و ارتفاع آنها بیشتر شده است. اندازه ژنراتورهای کنونی 100 برابر اندازه توربین‌های مشابه سال 1980 می‌باشد و قطر پره‌ها چندین برابر فن‌آوری‌های اولیه می‌باشد. همچنین با افزایش کارآیی توربین‌ها که ناشی از اندازه بزرگتر آنها، بهبود قطعات و اجزاء مورد استفاده و دقت در انتخاب سایت‌های مزارع بادی می‌باشد یک توربین مدرن می‌تواند 180 برابر بیشتر از فن آوری های 30 سال گذشته برق تولید کند.

 

منشا باد

منشا باد

 

هنگامی که تابش خورشید به طور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می‌رسد سبب ایجاد تغییرات در دما و فشار می‌گردد و در اثر این تغییرات باد به وجود می‌آید. همچنین اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می‌دهد که این امر نیز باعث به وجود آمدن باد می‌گردد. جریانات اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل 30% انتقال حرارت کلی در جهان می‌باشند. در مقیاس جهانی این جریانات اتمسفری به صورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می‌نمایند. دوران کره زمین نیز می‌تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره‌ای در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد نماید. پس همان طور که عنوان شد باد یکی از صورت های مختلف انرژی حرارت خورشیدی می‌باشد که دارای یک الگوی جهانی پیوسته می‌باشد. تغییرات سرعت باد، ساعتی ،روزانه و فصلی بوده و متأثر از هوا و توپوگرافی سطح زمین می‌باشد. بیشتر منابع انرژی باد در نواحی ساحلی  و کوهستانی واقع شده‌اند.

 

تاریخچه انرژی خورشیدی

 

شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ما قبل تاریخ باز می‏گردد؛ شاید به دوران سفالگری. در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جام‌های بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدان های محراب ها را روشن می کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می‌شد. ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده، داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می‌باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید. گفته می‌شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتی های رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده بود. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و موثر از انرژی خورشید در زمان های قدیم بوده است.

با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستم هایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر، سد راه پیشرفت این سیستم ها شده بود. تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال 1973 باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولید انرژی از راه های دیگر (غیر از سوخت های فسیلی) توجه جدی تری نمایند.

کاربردهای انرژی خورشیدی

 

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که عبارتند از :

1- استفاه از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی

2- تبدیل مستقیم نور حاصل از پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک

استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی

این بخش از کاربردهای انرژی خورشیدی شامل دو گروه کاربردهای نیروگاهی و غیر نیروگاهی می باشد.

1- کاربرد نیروگاهی

2- کاربردهای غیر نیروگاهی

 

کاربردهای نیروگاهی انرژی خورشیدی

تاسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می شود. این تاسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند.

الف- نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه های سهموی ناودانی هستند (شلجمی باز)

ب- نیروگاههایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می شود. (دریافت کننده مرکزی)

پ- نیروگاههایی که گیرنده آنها بشقاب سهموی (دیش) می باشد (شلجمی بشقابی)

قبل از توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاه های تولید الکتریسیته داده شود.

بهتر است بدانیم در هر نیروگاهی اعم از نیروگاه های آبی، نیروگاه های بخاری و نیرگاه های گازی برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می شود که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می شود. این ژنراتورهای الکتریکی انرژی دورانی خود را از دستگاهی به نام توربین تامین می کنند. بدین ترتیب می توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. تامین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربین ها هستند توربین ها انواع مختلف دارند؛ در نیروگاه های بخاری توربین هایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره های توربین می گردد. در نیروگاه های آبی که روی سدها نصب می شوند انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش درآمدن پره های توربین می شود بدین ترتیب می‏توان گفت در نیروگاه های آبی انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود، در نیروگاه های حرارتی براثر سوختن سوخت های فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل میشود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود؛ و اما در نیروگاه های حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین ها است یا به عبارت دیگر می توان گفت که این نوع نیروگاه ها شامل دو قسمت هستند:

الف ) سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می نماید.

ب ) سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاه های حرارتی، بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می کند.

نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی

در این نیروگاه ها، از منعکس کننده‏هایی که به صورت سهموی خطی می باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده میشود و گیرنده به صورت لوله ای در خط کانونی منعکس کننده ها قرار می گیرد. در داخل این لوله روغن مخصوص در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می گردد. این روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل می کند. این سیستم آب و بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاه های حرارتی انتقال داده می شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد. در این نیروگاه ها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می نمایند.

نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع دریافت کننده مرکزی

در این نیروگاه ها، پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است متمرکز می گردد. در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب می شود و به وسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه های سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد. این سیال عامل در مبدل های حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می گردد. در برخی از سیستم ها سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می شود. برای استفاده دائمی از این نوع نیروگاه، در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد مثلا ساعات ابری و شب ها از سیستم های ذخیره کننده حرارت و احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند جهت ایجاد بخار برای تولید برق کمک گرفته می شود.

مطالعات و تحقیقات در زمینه فناوری و سیستم های این نیروگاه ها ادامه دارد و آزمایشگاه ها  و موسسات متعددی در سراسر دنیا در این زمینه فعالیت می کنند.

نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع شلجمی بشقابی

در این نیروگاه ها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشد. جهت تمرکز نقطه ای پرتوهای خورشید استفاده می گردد و گیرنده ای که در کانون قرار می گیرد به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به توان مکانیکی و الکتریکی تبدیل می نماید.

 

دودکش های خورشیدی

روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از دودکش های خورشیدی می‏باشد. در این سیستم از خاصیت دودکش ها استفاده میشود؛ به این صورت که با استفاده ازیک برج بلند به ارتفاع حدود 200 متر و تعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که به وسیله انرژی خورشیدی در یک گرم خانه تولید می شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه قرار دارد، هدایت می شود.

این هوای گرم به علت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده است می گردد و به وسیله این ژنراتور برق تولید می شود. هم اکنون یک نمونه از این سیستم در 160 کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به 200 متر می رسد.

کاربردهای غیر نیروگاهی انرژی خورشیدی

 

کاربردهای غیرنیروگاهی انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می باشد که اهم آنها عبارتند از : آبگرمکن و حمام خورشیدی، سرمایش و گرمایش خورشیدی، آب شیرین کن خورشیدی، خشک کن خورشیدی، اجاق خورشیدی، کوره های خورشیدی و خانه های خورشیدی.

الف) آبگرمکن خورشیدی و حمام خورشیدی

تولید آب گرم مصرفی ساختمان ها از اقتصادی ترین روش های استفاده از انرژی خورشیدی است. می توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان هایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد و چنانچه ظرفیت این سیستم ها افزایش یابد می توان از آنها در حمام های خورشیدی نیز استفاده نمود.

تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آبگرمکن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور از جمله استان های خراسان- سیستان و بلوچستان و یزد نصب و راه اندازی شده است.

ب ) گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی

 گرمایش و سرمایش ساختمان‏ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه ای بود که در سالهای 1930 مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفت های قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم های خورشیدی می توان علاوه بر تهیه آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم ها در فصول گرم برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.

ج ) آب شیرین کن خورشیدی

هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می ماند.

سپس با استفاده از روش های مختلف می توان آب تبخیر شده را تقطیر کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارد مانند جزایر را تامین کرد.

آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.

د ) خشک کن خورشیدی

خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها از زمان های بسیار قدیم مرسوم بوده و انسان های نخستین خشک کردن را یک هنر می دانستند. خشک کردن عبارتست از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات، که هدف از خشک کردن، خارج نمودن آب از یک ماده و در نتیجه افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتری ها می باشد. در خشک کن های خورشیدی به طور مستقیم و یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می گردد. خشک کن‏های خورشیدی در اندازه ها و طرح های مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می شوند.

ه) اجاق خورشیدی

دستگاه های خوراک پز خورشیدی اولین بار به وسیله شخصی به نام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه ای درپوش آن را تشکیل می دادند. اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به 88 درجه افزایش می داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می باشد. امروزه طرح های متنوعی از این سیستم ها وجود دارد که این طرح ها در مکان های مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده اند استفاده از این اجاق ها به ویژه در مناطق شرقی کشور ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه می باشند بسیار مفید خواهد بود.

و) کوره خورشیدی

در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تکه چوب را در فاصله 60 متری آتش زد. بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تامین می کرد. متداول ترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می‏باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی باز تابیده می شود. طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز میشوند به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود که این نقطه به دماهای بالایی می رسد. امروزه پروژه های متعددی در زمینه کوره های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجرا می باشد.

ز ) خانه خورشیدی

ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه های خود در زمستان استفاده می کردند. آنان ساختمان ها را به ترتیبی بنا می کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت.

در اغلب فرهنگ های دیگر دنیا نیز می توان نمونه هایی از این قبیل طرح ها را مشاهده نمود. در سال های بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرح های فراوانی در زمینه خانه‏های خورشیدی مطرح و آزمایش شد.

از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران به طور جدی ساخت خانه های خورشیدی را آغاز کرده اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی و نیز دست یافته اند. مثلاً در ایالات متحده در سال 1890 به تنهایی حدود 10 تا 20 هزار خانه خورشیدی ساخته شده است.

در این گونه خانه ها سعی می شود از انرژی خورشید برای روشنایی، تهیه آب گرم بهداشتی، سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.

در ایران نیز پروژه ساخت اولین ساختمان خورشیدی واقع در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت و به منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهینه سازی مصرف انرژی و امکان بررسی روش های استفاده از انواع انرژی های تجدید پذیر به ویژه انرژی خورشیدی اجرا گردیده است.

مزایای نیروگاه های خورشیدی

امید است درآینده نیروگاه های خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل می کنند با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاه های فسیلی و اتمی دارند به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست می باشند، مشکل برق به خصوص در دوران اتمام ذخایر نفت و گاز را حل نمایند. تاسیس و بکار گیری نیروگاه های خورشیدی آینده ای پر ثمر و زمینه ای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد. اکنون شایسته است که به ذکر چند مورد از مزایای این نیروگاه ها بپردازیم.

الف ) تولید برق بدون مصرف سوخت

نیروگاه های خورشیدی نیاز به سوخت ندارد و بر خلاف نیروگاه های فسیلی قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می باشد، در نیروگاه های خورشیدی این نوسان وجود نداشته و می توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگه داشت.

ب ) عدم احتیاج به آب زیاد :

نیروگاه های خورشیدی بخصوصی دودکش های خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند. لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می باشد ( نیروگاه های حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند.)

ج ) عدم آلودگی محیط زیست

نیروگاه های خورشیدی ضمن تولید برق هیچ گونه آلودگی در هوا نداشته و مواد سمی و مضر تولید نمی کنند. در صورتی که نیروگاه های فسیلی، هوا و محیط اطراف خود را با مصرف نفت گاز و یا ذغال سنگ آلوده کرده و نیروگاه های اتمی با تولید زباله های هسته ای خود که بسیار خطرناک و رادیو اکتیو هستند محیط زندگی را آلوده و مشکلات عظیمی را برای ساکنان کره زمین به وجود می آورند.

د ) امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای

نیروگاه های خورشیدی می توانند با تولید برق به شبکه سراسری برق تزریق نمایند و در عین حال امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای را نیز به ما می دهند. در حالی که، احتیاج به تاسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق ندارند و نیاز به هزینه زیاد احداث شبکه‏های انتقال نمی باشد.

هـ) استهلاک کم و عمر زیاد

نیروگاه های خورشیدی به دلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می باشند در حالی که عمر نیروگاه های فسیلی بین 15 تا 30 سال محاسبه شده است.

و) عدم احتیاج به متخصص

نیروگاه های خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارد و می توان آنها را به طور اتوماتیک به کار انداخت، در صورتی که در نیروگاه های اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاه ها احتیاج به مراقبت های دائمی و ویژه دارند.

سیستم های فتوولتائیک

به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم های فتوولتائیک یکی از پرمصرف ترین کاربرد انرژی های نو می باشند و تاکنون سیستم های گوناگونی با ظرفیت های مختلف (5/0 وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده می شود. از سری و موازی کردن سلول های خورشیدی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلول های سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می گویند. امروزه اینگونه سلول ها عموماً از ماده سیلیسیم تهیه می شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می گردد. بنابراین از نظر تامین ماده اولیه این سلول ها هیچ گونه کمبودی در ایران وجود ندارد.

سیستم های فتوولتائیک را می توان به طول کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود که به طور خلاصه به توضیح آنها می پردازیم.

الف) پنلهای خورشیدی:

این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی بدون واسطه مکانیکی می‌باشد. لازم به ذکر است، جریان و ولتاژ خروجی از این پنل ها DC (مستقیم) می باشد.

ب) تولید توان مطلوب یا بخش کنترل:

این بخش در واقع کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده و توان ورودی پنل ها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق و کنترل می کند. لازم به ذکر است که در این بخش مشخصات و عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتریکی و مصرف کننده و نیز شرایط آب و هوایی محلی تغییر می کند.

ج) مصرف کننده یا بار الکتریکی:

با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتائیک، مصرف کننده می تواند از دو نوع DC یا AC باشد، همچنین با آرایش های مختلف پنل های فتوولتائیک می توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توان های متفاوت تامین نمود.

با توجه به کاهش روز افزون ذخایر سوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکار گیری نیروگاههای اتمی، گمان قوی وجود داردکه در آینده ای نه چندان دور سلول های خورشیدی با تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی برق بعنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوخت های فسیلی و نیروگاه های اتمی توسط بشر بکار گرفته شود.

کاربردهای سیستم فتوولتائیک

الف) مصارف فضانوردی و تامین انرژی مورد نیاز ماهواره ها جهت ارسال پیام

ب) روشنایی خورشیدی:

در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم های فتوولتائیک را در سراسر جهان دارد و سالانه ده ها هزار نمونه ازاین سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می‏گردد، مانند تامین برق جاده ها و تونل ها به خصوص در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارد، تامین برق مناطق شکاربانی و مناطق حفاظت شده نظیر جزیره های دورافتاده که جنبه نظامی دارند.

ج ) سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی :

انرژی مورد نیاز کلیه لوازم برقی منازل ( شهری و روستایی ) و مراکز تجاری را می توان با استفاده از پنل های فتوولتائیک و سیستم های ذخیره کننده و کنترل نسبتا ساده، تامین نمود‏.

د ) سیستم پمپاژ خورشیدی :

سیستم پمپ های فتوولتائیک قابلیت استحصال آب از چاه ها، قنوات، چشمه ها، رودخانه هاو… را جهت مصارف عمومی دارا می باشد.

ه ) سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری :

اغلب ایستگاه های مخابراتی و یا زلزله نگاری در مکان های فاقد شبکه سراسری و صعب العبور و یا در محلی که احداث پست فشار قوی به فشار ضعیف و تامین توان الکتریکی ایستگاه مذکور صرفه اقتصادی و حفاظت الکتریکی ندارد نصب شده اند.

و) تجهیزات الکترونیک

ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله ای که تاکنون با باطری خشک کار می کرده است یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می باشد.

مثلاً کشور ژاپن در سال 1983 حدود 30 میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده است که سلول های خورشیدی تولید کرده است که سلول های خورشیدی بکار رفته در آنها مساحتی حدود 20000 متر مربع و توان الکتریکی معادل معادل 500 کیلووات داشته اند.

ز) نیروگاههای فتوولتائیک:

همزمان با استفاده از سیستم های فتوولتائیک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمان ها اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگتر حاصل گردید و هم اکنون در بسیاری از کشورهای جهان نیروگاه فتوولتائیک در واحدهای کوچک و بزرگ وبه صورت اتصال به شبکه و یا مستقل از شبکه نصب و راه اندازی شده است ولی این تاسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری بالایی می باشند که فعلا مقرون به صرفه اقتصادی نیست.

ح ) یخچالهای خورشیدی :

از یخچال های خورشیدی جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور استفاده می گردد. عملکرد مناسب یخچال های خورشیدی تا حدی بوده است که در طی 5 سال گذشته بیش از 10000 یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده است.

ط ) سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل :

قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه انداری ازجمله مزایای این سیستم ها می باشد. بازده توان این سیستم ها از 100 وات الی یک کیلو وات تعریف شده است. از جمله کاربردهای آن می توان به تامین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیر مترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ های جنگلی اشاره نمود.

انرژی زیست توده

زیست توده چیست؟

زیست توده ترجمه لغت انگلیسی بیوماس (Biomass) می باشد. برای زیست توده تعاریف مختلف و متنوعی در جهان مطرح میباشد. بعنوان یک تعریف ساده میتوان گفت:

·         زیست توده شامل کلیه موادی در طبیعت می شود که در گذشته نزدیک جاندار بوده، از موجودات زنده بعمل آمده و یا زائدات، ضایعات و یا فضولات آنها می‌باشند. زیست توده در مقابل منابع فسیلی مطرح می‌باشد. میدانیم که منشاء منابع فسیلی نیز منابع زیست توده می‌باشد ولی تفاوت آنها در این است که منابع فسیلی از منابع زیست توده که در گذشته بسیار دور زنده بوده اند (دهها میلیون سال پیش) و تحت شرایط فشار و دمای خاص حاصل شده اند.

·         بعنوان یک تعریف علمی، زیست توده اصطلاحی است در زمینه انرژی که برای توصیف یک رشته از محصولات که از فتوسنتز حاصل می شوند، بکار می رود. هر سال ازطریق فتوسنتز معادل چندین برابر مصرف سالانه انرژی جهان انرژی خورشیدی در برگهای درختان ذخیره می‌شود.

·         اتحادیه اروپا مطابق ابلاغیه EC 20011771 جهت توسعه استفاده از زیست توده در تولید برق در بازار داخلی اروپا تعریف زیست توده را به شکل زیر مطرح نمود:

زیست توده کلیه اجزاء قابل تجزیه زیستی از محصولات، فاضلابها و زایدات کشاورزی (شامل مواد گیاهی و حیوانی)، صنایع جنگلی و سایر صنایع مرتبط، فاضلابها و زباله های شهری و صنعتی می باشد.

·         چرخه زیست توده در طبیعت

بخشی از تشعشع خورشید که به اتمسفر زمین می‌رسد، بواسطه فرآیند فتوسنتز در گیاهان جذب و ذخیره می‌شود. ماکزیمم راندمان تبدیل انرژی خورشیدی دراین فرآیند بین 5 تا 6 درصد است. گیاهان بعنوان منابع ذخیره کربن هستند و CO2 را از هوا جذب کرده و بصورت کربن ذخیره می‌نمایند. وقتی گیاهی توسط جانوری خورده می شود، بخشی از کربن موجود در گیاه خورده شده به انرژی تبدیل می‌شود و بخشی دیگر در بافت های زنده ذخیره می گردد. بخش سوم نیز با فضولات حیوانی دفع می گردد. در صورتیکه چوب یا گیاهان سوزانده شوند، علاوه بر انرژی، بخش اعظمی ازکربن ذخیره شده بصورت CO2 آزاد می شود و بخشی نیز در خاکستر باقی می ماند.

 جالب است بدانید که میزان انرژی که سالانه توسط فتوسنتز ذخیره می شود، چندین برابر بیشتر از کل مصرف معمولی انرژی جهان و حدوداً 200 برابر مصرف انرژی غذایی کل جهان است. و نیز توجه به این نکته جالب توجه است ذخایر انرژی زیست توده در درختان معادل ذخائر سوختهای فسیلی قابل استخراج و به ثبت رسیده می باشد. مطالعات FAO نشان می دهد که زیست توده می تواند سه برابر انرژی مورد تقاضای جهان را تأمین کند و بیواتانول بالقوه حاصل از زیست توده به تنهایی معادل 3.1 میلیارد تن نفت خام در سال می باشد که حدود 37% مصرف نفت جهان در سال 1998 است.

تاریخچه زیست توده

به جرات میتوان گفت که بهره برداری از انرژی زیست توده شامل چوب، خاروخاشاک به دوران کشف آتش باز می گردد. منابع زیست توده بویژه چوب تا زمان کشف و بهره برداری از منابع فسیلی همواره نقش غالب و بلامنازعی در تامین انرژی جامعه بشری عهده دار بوده اند و این نقش تا اوایل قرن بیستم نیز ادامه داشته است.

بشر از زمان های دور آتش سوزی خودبخودی در محل تجمع منابع زیست توده نظیر مرداب‏ها، فضولات و پسماندها را مشاهده می کرده ولی از دلایل آن آگاهی نداشته است. قدیمی ترین مورد خروج گاز و اشتعال ناقص آن ناشی از دفن زباله در طبقات زیرین زمین توسط پیلی نی روسی گزارش شده است. وی خروج گاه به گاه گاز و اشتعال ناقص آن را از طبقات زیرین زمین مشاهده کرد. ولی وان هلمونت درسال 1630 شناسائی و اشتعال این گاز را رسماً اعلام کرد. در سال 1667 دانشمندی به نام شرلی گازمرداب (متان بیوگاز) را کشف نمود ولی از نظر علمی و عملی شناسائی گاز متان به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز از مواد تخمیر شده توسط ولتا و در سال 1776 صورت گرفته است. وی پس از مطالعات زیاد دریافت که مقدار گاز متان تولید شده بستگی به میزان خاک و برگ پوسیده گیاهان دارد که در طبقات زیرین زمین دفن شده اند. وی همچنین دریافت که در صورتی که نسبت معینی از گازمتان با هوا ترکیب شود تولید انفجار می نماید. اولین تجزیه شیمیایی گاز متان نیز به وسیله نامبرده صورت گرفته است.

شروع تحقیقات عمده در زمینه تخمیر بیهوازی و کاربرد آن را به شخصی به نام دیوی و در سال 1808 نسبت داده اند. در سال 1884 فردی به نام گاین طرحی را به اجراء در آورد که به وسیله بیوگاز حاصل از انرژی زیست توده روشنائی خیابانهای شهر پاریس را تامین نمود.

در ایران نیز استفاده از زیست توده سابقه ای قدیمی دارد. محمد بن حسین عاملی معروف به شیخ بهائی (1031 -935 هجری قمری) جزء نخستین کسانی بوده که از بیوگاز حاصل از زیست توده (فاضلاب حمام) استفاده کرده و آن را به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان به کار برده است. متاسفانه این تجربه بصورت بین المللی انعکاسی نیافته است.

قبل و بعد از انقلاب اسلامی ایران، فعالیت های پراکنده ای در خصوص تولید و استفاده از بیوگاز صورت گرفته است. اولین هاضم تولید گاز متان در ایران در روستاهای نیاز آباد لرستان در سال 1354 ساخته شده است. این دستگاه به گنجایش 5 متر مکعب فضولات گاوی روستا را مورد استفاده قرار داده و بیوگاز مصرفی حمام مجاور را تامین می نموده است.

در سال 1359 دو واحد کوچک آزمایشی در دانشگاه بوعلی سینا همدان احداث گردید که با فضولات کشتارگاه و کود گاوی تغذیه می گردید. دانشگاه صنعتی شریف نیز در سال 1361 یک واحد 3 متر مکعب رابه صورت آزمایشی مورد مطالعه قرار داد که با فضولات گاوی بارگیری می شد.

در ایران تاکنون به صورت عمده تاسیسات استخراج بیوگاز از دفنگاه زباله در سه شهر شیراز، مشهد و اصفهان به اجرا در آمده است و در دو نیروگاه از نوع لندفیل در دو شهر مشهد و شیراز به ظرفیت های 650 کیلووات و 1 مگاوات در سال 1388 به بهره برداری رسید.

منابع زیست توده

تقسیم بندی ها و دسته بندی های مختلفی نیز برای منابع زیست توده وجود دارد. یک دسته بندی ساده، دسته بندی ارائه شده در مطالعه پتانسیل زیست توده در وزارت نیرو (80-1379) می باشد. مطابق نتایج مطالعه مذکور منابع زیست توده به شکل زیر دسته بندی شده ‏اند:

·         زایدات و ضایعات کشاورزی و جنگلی

·         فضولات دامی

·         زباله های شهری

·         فاضلابهای شهری

·         فاضلابها و پسماندهای صنعتی (عمدتاً صنایع غذایی)

دسته بندی دیگر توسط وزارت انرژی آمریکا در کتاب داده های انرژی زیست توده Biomass Data book 2006) ارایه شده است. در کتاب مذکور منابع زیست توده به سه دسته مواد اولیه، ثانویه و ثالثیه به شرح زیر دسته بندی شده است:

·         مواد اولیه: کلیه گیاهان زمینی که از فتوسنتز بعمل می آیند و در خشکی ها و آب ها وجود دارند.

·         مواد ثانویه: کلیه زایدات، ضایعات و محصولات جنبی صنایع غذایی، چوبی، جنگلی و فضولات دامی را شامل می شود.

·         مواد ثالثیه: کلیه ضایعات، زباله ها و زایدات پس از مصرف نظیر چربی ها، روغن ها، زباله‏های جامد شهری، نخاله های چوبی محیط های شهری، زباله های بسته بندی، فاضلابها و گاز دفنگاه را شامل میشود.

همچنین آزمایشگاه ملی انرژی تجدید پذیر آمریکا (NREL) در سال 2005 در راستای مطالعه‏ای که جهت تعیین پتانسیل منابع زیست توده انجام داده است، دسته بندی زیر را انجام داده است:

·         زایدات کشاورزی شامل زایدات زراعی و متان حاصل از فضولات دامی

·         زایدات چوبی شامل زایدات جنگلی، صنایع چوبی و ضایعات چوبی شهری (باغچه ها، سرشاخه ها و نخاله های چوبی)

·         پسماندهای شهری شامل گاز دفنگاه، گاز فاضلاب

·         گیاهان انرژی زا

حال توضیح مختصری در خصوص منابع زیست توده ارایه می گردد:

·         پسماندهای جامد شهری: شامل مواد زائد جامدی هستند که از مراکز تجاری، اداری، خانگی و برخی صنایع حاصل می‌شود. این مواد یک منبع مناسب برای تولید انرژی می‏باشند. فرآیندهای تبدیل و تولید مواد و انرژی از زباله در دنیا توسعه یافته و پروژه‏های زیادی در زمینه تولید انرژی (برق – حرارت) از زباله در دنیا مورد بهره برداری قرار گرفته اند. توجه به این امر می تواند علاوه بر حفظ محیط زیست و جلوگیری از انتشار گازهای سمی و آلاینده نقشی مهمی در تامین انرژی داشته باشد.

·         زائدات کشاورزی و جنگلی: چوب با همان سوخت های چوبی اصطلاحی است شامل انواع سوختهای حاصل از جنگل کاری، ضایعات حاصل از بهره برداری منابع جنگلی، ضایعات حاصل از صنایع تبدیلی چوب، صنایع چوب و کاغذ و تاسیسات پردازشی مجاور مناطق جنگلی که می تواند به عنوان یک ماده اولیه جهت احداث نیروگاه برای تامین انرژی همان صنایع یا صنایع دیگر مورد استفاده قرار گیرد. زائدات کشاورزی نیز مواد سرشار از انرژی بوده که ارزش غذایی برای انسان ندارند. سالانه میزان زیادی از زائدات کشاورزی نظیر کاه و کلش غلات، شاخه و برگ انواع گیاهان و محصولات باغی در مراحل مختلف کشاورزی تولید می گردد که می تواند در فرایند تولید انرژی مورد استفاده قرار بگیرد.

·         فضولات حیوانی: فضولات حاصل از دام و طیور سرشار از مواد آلی بوده و درفرآیند تولید انرژی می تواند بعنوان یک ماده اولیه مناسب در نیروگاه های زیست توده مورد استفاده قرار می گیرد.

·         پسماندهای صنایع غذایی و کشاورزی: در فرآیندهای تولید و تبدیل در صنایع غذایی و کشاورزی سالانه مقدار زیادی پسماندهای آلی جامد و مایع تولید می گردد که میتواند ماده اولیه مناسبی برای نیروگاههای زیست توده باشد. انرژی حاصل از این پسماندها میتواند در همان صنایع و یا صنایع دیگر مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این ضایعات در فرآیند تولید انرژی و احداث نیروگاههای زیست توده میتواند در راستای توسعه پایدار در صنعت کشاورزی مد نظر قرار گیرد.

·         فاضلابهای شهری: سالانه میلیونها تن لجن در فرآیند تصفیه فاضلاب در تصفیه خانه های شهرها و صنایع مختلف تولید می گردد که دارای پتانسیل مناسبی برای تولید انرژی می‏باشد‏. در حالیکه دفع و دفن این لجن ها از معضلات اساسی تصفیه خانه ها بوده و هزینه های گزافی در این زمینه صرف می گردد. با بهره گیری از فناوریهای مناسب می توان ضمن حل معضل این پسماندهای آلی به تولید انرژی پاک اقدام نمود.

·         محصولات انرژی زا: در حال حاضر با توجه به اقتصادی بودن تولید انرژی و نیز برق از درختان در اروپا و آمریکای شمالی، کشاورزان بخش هایی از زمین های کشاورزی خود را به کشت درختان سریع الرشد و انرژی زا اختصاص می دهند. از انواع مختلف محصولات انرژی زا میتوان به کشت درختان سریع الرشد نظیر اکالیپتوس، کشت محصولات کشاورزی (گیاهان) انرژی زا (مثل سورگوم و نیشکر)، کشت گیاهان روغنی با محتوی انرژی بالا مثل سویا وشلغم روغنی و درخت نخل اشاره کرد. این محصولات می توانند به عنوان سوخت امن و بی خطردر نیروگاه های زیست توده مورد استفاده قرار گیرند. توجه به این محصولات میتواند ضمن تامین آسان و پایدار قسمتی از انرژی مورد نیاز و امنیت تامین انرژی با ایجاد درآمد برای کشاورزان از جهت اختصاص ظرفیت های خالی و زمین های غیر قابل استفاده در بخش کشاورزی به این امر همراه باشد.

 

بیوگاز

از آنجا که بیوگاز یکی از عمده ترین حامل های انرژی ناشی از فرآوری منابع زیست توده بوده و اخیراً به شدت مورد توجه کشورهای جهان، بویژه کشورهای پیشرفته قرار گرفته است، بصورت جداگانه به آن پرداخته شده است. محصول هضم بیهوازی با ارزش حرارتی متوسط به نام بیوگاز می باشد.

منابع زیست توده حاوی ترکیبات آلی با مولکول های درشت زنجیر می باشد که در طی فرآیندهای هضم (مدفون در زمین، داخل مخازن مخصوص و یا رها شده در طبیعت)، مولولهای مذکور شکسته شده و به مولکولهای ساده تر تبدیل می گردند. حاصل نهایی این فرآیند گازی است قابل اشتعال که بیوگاز نام دارد. به بیوگاز، گاز مرداب نیز گفته می شود. این گاز شامل دو جزء عمده متان (و اندکی سایر هیدروکربورها) ودی اکسید کربن به همراه مقادیر جزئی ناخالصی از قبیل H2S، بخار آب، N2 و… می باشد.این مخلوط گازی با ارزش حرارتی 15 تا 25 مگاژول به ازاء هر متر مکعب بوده (40 تا 70 درصدر ارزش حرارتی گاز طبیعی) و در صورت تبدیل به برق با استفاده از موتورهای بیوگازسوز موجود می توان 1.5 تا 2.2 کیلووات ساعت برق از هر مترمکعب آن بدست آورد (از هر متر مکعب گاز طبیعی 3 کیلووات ساعت برق حاصل می شود). این گاز بوی قابل تشخیص مانند تخم مرغ گندیده دارد و از هوا سبک تر است.

مکانیسم تولید بیوگاز

مکانیسم تولید بیوگاز در فرآیند هضم بیهوازی نسبتاً پیچیده و تحت تاثیر عوامل شیمیایی و بیوشیمیایی متنوعی می باشد، این مکانیسم به طور کلی به 3 مرحله (در برخی مراجع 4 مرحله) تقسیم میگردد:

مرحله اول: هیدرولیز مواد آلی پیچیده و نامحلول و تبدیل این مواد به ترکیبات محلول

مرحله دوم: ترکیبات آلی حاصل از مرحله اول به وسیله باکتریهای اسیدساز شکسته شده و اسیدهای آلی تولید می شود. معمولاً هیدروکربن های پنج و شش کربنی در آب حل شده و توسط باکتریهای اسیدساز مصرف گردیده و به ترکیباتی ازقبیل هیدروژن، فورمات، استات، پروپیونات و گاز کربنیک تبدیل می گردند.

مرحله سوم: تمام ترکیبات آلی و اسیدهای تولید شده در مرحله اسیدسازی توسط باکتریهای متان ساز به بیوگاز تبدیل می گردند.

عمل هضم بیهوازی در محدوده دمایی نسبتاً وسیع 10 تا 60 درجه سلسیوس صورت می گیرد. مناسبترین درجه حرارت برای تولید بیوگاز از نظر فنی و اقتصادی حدود 37 درجه سلسیوس می باشد.

بیوگاز طیف وسیعی از کاربردها از سنتی تا مدرن را در بر می‌گیرد. بعنوان نمونه در شکل زیر نمونه‌ای از هاضم بیهوازی که با فضولات انسانی و دامی در مناطق روستائی و دور افتاده کاربرد دارد، نشان داده شده است. در حال حاضر بیش از 21 میلیون واحد از این سیستم ها در جهان نصب شده است.

تکنولوژی های زیست توده

امروزه برای منابع مختلف زیست توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می باشند. روند توسعه تکنولوژی ها و محصولات نیز در طی سالیان طولانی جالب توجه بوده است. در شکل زیر روند توسعه محصولات زیست توده درسه مقطع زمانی ارائه شده است.

همچنین تکنولوژی های مختلف زیست توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه سازی تا کاملاً تجاری شده را در برمی‏گیرند. درجدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

 

 زیست توده و فرآیندهای ترموشیمیایی

فرآیندهای ترموشیمیایی: این فرآیندها شامل پیرولیز (آرام تا بسیار سریع)، گازی کردن در دمای معمولی (Gasification)، گازی کردن در دمای بسیار بالا ( پلاسما)، کربنیزه کردن و مایع ساز کاتالیستی می باشد.

·         احتراق مستقیم: در این فناوری، منابع جامد زیست توده نظیر زائدات جنگلی، کشاورزی، زائدات صنایع غذایی و زباله های شهری مستقیماً در بویلرهای خاصی سوزانده شده و از حرارت حاصل برای تولید برق، حرارت و یا برق و حرارت استفاده میشود. مهمترین تکنولوژی تولید برق در این گروه زباله سوزها و چوب سوزها می باشند.

·         احتراق زیست توده با ذغال سنگ یا سایر صنایع فسیلی در بویلرهای مدرن (Cofiring)‏: دراین تکنولوژی منابع مختلف زیست توده با منابع فسیلی بصورت مستقیم، بستر سیال، سیکلون و… محترق می شوند. این تکنولوژی بشدت مورد توجه آمریکا  (برنامه ذغال پاک) و اروپا (احتراق با سایر زیست توده، ذغال سنگ و سایر سوخت های فسیلی) واقع شده است.

·         پیرولیز (Pyrolysis): پیرولیز، واکنش منابع زیست توده در دمای بالا و بدون حضور هوا که منجر به تجزیه آنها می شود را می نامند. محصولات نهائی پیرولیز بفرم جامد (ذغال)، مایع (روغنهای اکسیژنه) و گاز (متان، مونواکسید و دی اکسید کربن) می باشد.

·         گازی کردن در دمای پایین (Gasification): این تکنولوژی اساساً تجزیه به کمک گرما می باشد. در این تکنولوژی، ضمن حرارت دادن به منابع زیست توده و در حضور هوای بسیار کم، گازهای متان، دی و مونواکسید کربن و هیدروژن تولید می شود.

·         گازی کردن در دمای بسیار بالا (Plasma): این تکنولوژی اساساً تجزیه به کمک گاز یونیزه دما بالا (حالت چهارم ماده پلاسما) می باشد. در این تکنولوژی، ضمن حرارت داده به منابع زیست توده ایجاد دمای بسیار بالا (3400 تا 20000 درجه سلسیوس)، در حضور هوای بسیار کم، گازهای متان، دی و مونواکسید کربن و هیدروژن تولید می شود.

·         کربنیزه کردن: این تکنولوژی جزو قدیمی ترین تکنولوژی ها می باشد و محصول نهائی آن ذغال چوب، برق و حرارت می باشد. اخیراً نمونه های موفقی از آن در کانادا جهت تولید برق یا ذغال (قابل استفاده در صنایع نظیر سیمان) راه اندازی شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است.

·         مایع سازی کاتالیستی: در این تکنولوژی، منابع زیست توده در دمای پائین و فشار بالا قرار می گیرند و محصول نهائی مایع با ارزش حرارتی نسبتا بالاست.

 

تکنولوژی تولید انرژی از زباله

 

درحال حاضر تکنولوژی ها و روشهای مختلفی برای مدیریت زباله و تولید انرژی مطرح می‏باشد‏. در برخی از این تکنولوژی ها تولید انرژی اولویت اول را دارد و برخی دیگر امحاء زباله در اولویت اول قرار گرفته است. بطور کلی در حال حاضر تکنولوژی های زیر در سطح جهانی بصورت منفرد و ترکیبی با سایر تکنولوژی ها استفاده می‏شود:

·         زباله سوز شامل توده سوز، مدولار و RDF

·         دفنگاه زباله

·         روشهای مکانیکی MBT

·         گاز ساز زباله(Gasification)

·         هضم بیهوازی

·         پلاسما

 

تولید برق از دفنگاه زباله

 

 

در صورت دفن زباله‌های خانگی و درحالت عدم حضور اکسیژن، بخش آلی زباله‌های مدفون تجزیه شده و ترکیبی از گازهای متان، دی اکسید کربن، هیدروژن، ازت و مقدار کمی ترکیبات کلر و فلوئور و رطوبت تولید می‌شود. معمولاً تولید گاز پس از دو ماه از دفن آغاز شده و تا 100 سال نیز ادامه می یابد. در این روش، چاه‌های استحصال گاز با فواصل مختلف نسبت به هم حفر گردیده و لوله‌های پلی اتیلن سوراخدار در درون چاه قرار گرفته و دور آن نیز با شن پر می‌شود. سپس سر چاه با محیط بیرون کاملاً Seal شده و سیستم جمع‌آوری گاز (شیر و متعلقات آن) روی آن نصب می‌گردد. لوله‌های جمع‌آوری و انتقال گاز به شیرهای مذکور متصل شده و گاز تولیدی پس از عبور از سیستم رطوبت گیر و حذف گازهای خورنده وارد سیستم تولید برق می‌شود. سیستم تولید برق می‌تواند دیزل ژنراتور (GasEngine)، توربین گازی (Gas Turbine) و یا میکرو توربین باشد. همچنین استفاده مستقیم (تولید حرارت و بخار) در بویلرها با سوزاندن گاز لندفیل و یا تزریق به شبکه گاز طبیعی محلی نیز قابل انجام است.

 

زباله سوز

سوزاندن زباله‌ها راه حل دیگری برای دفع زباله‌ها می‌باشد که از سالها قبل در کشورهای پیشرفته صنعتی دنیا مرسوم بوده است. زمانی که بحث دفع زباله‌های خطرناک و بیمارستانی مطرح می‌گردد، نقش زباله سوزها بیشتر نمایان می‌گردد.

زباله سوز ها به عنوان واحدهایی تعریف می‌گردند که توسط حرارت، مواد زائد را اکسید و مواد کربنی را کاهش می‌دهند. محصولات خروجی از زباله سوزها، دی اکسید کربن، آب، خاکستر و حرارت حاصل از احتراق می‌باشد. علاوه بر این، آلاینده‌های هوا نظیر ترکیبات سولفور و نیتروژن و هالوژنها و فلزات سنگین گوناگون (مانند کادمیم، جیوه و…) نیز از محصولات دیگر احتراق می‌باشند. در برخی موارد، سوزاندن زباله‌ها یکی از مناسب‌ترین شیوه‌های مدیریت زباله به شمار می‌رود.

 زباله سوز با سوخت RDF: سوخت‌های RDF از باقیمانده زباله‌های جامد شهری پس از جداسازی موادی از آن مانند شیشه‌ها و سایر ترکیباتی که نمی‌سوزند، تشکیل می‌شود. این سوخت می‌تواند به صورت یک سوخت جامد در بویلرهای RDF سوز استفاده شده و یا به همراه زغال سنگ و یا نفت در بویلرهای چند سوخته سوزانده شود. همچنین در حال حاضر RDF در کوره سیمان بعنوان جانشین سوخت های فسیلی تزریق می شود.

امحاء زباله و تولید انرژی به روش پلاسما

سیستم گازساز شیشه‌ای ساز پلاسما (PGV) راهی موثر برای تفکیک کامل همه اجزای (آلی و غیر آلی) و وصول به ترکیب اولیه آنها برای بازیافت می‌باشد. مهمترین جزء سیستم PGV، گازساز آن است که می‌تواند یک یا چند مشعل قوسی پلاسما را در خود جای دهد. با عبور یک جریان مستقیم بین کاتد و آند مشعل قوس پلاسما و عبور همزمان هوا در فضای حلقوی شکل، یک محیط با گرمای بسیار زیاد که بین 5000 تا 10.000 درجه سانتیگراد است بوجود می‌آید.

گاز سنتز تولید شده از گازی‌سازی مواد آلی عمدتاً شامل منواکسید کربن و هیدروژن می‏باشد. هالوژنها و مواد گوگردی که در مواد اولیه (زباله) موجود هستند به ترتیب به اسید کلریدریک (HCL)، اسید هیدروفلریک (HF) و سولفید هیدروژن (H2S) تبدیل می‌شوند. برای تکنیک‌های خنثی سازی این سه ماده روشهای تایید شده‌ای بکار گرفته می‌شود. گاز سنتز تولیدی اغلب بعد از تصفیه از گاز طبیعی تمیزتر می‌باشد. ارزش گرمای آن بستگی به مواد اولیه (زباله) بکار گرفته دارد اما نوعاً گاز سنتز تولید شده ارزش حرارتی در حدود 10-15 مگاژول بر متر مکعب دارد .

زیست توده و فرآیندهای بیوشمیایی

فرایندهای بیوشیمیائی: هضم (تخمیر بیهوازی)، هضم هوازی و تخمیر الکلی در این رده بندی می گنجند. همانگونه که قبلا نیز گفته شد، محصول تخمیر بیهوازی بعنوان بیوگاز معروف است.

·         هضم بیهوازی: فرآیند تجزیه منابع زیست توده توسط باکتریها در عدم حضور هوا بوده و در آن متان و محصولات جنبی با ارزش حرارتی متوسط (بیوگاز) تولید می شود. بارزترین نمونه این فرآیند در لندفیل هاست. اخیراً نیز هاضم های مخزنی بشدت مورد توجه قرار گرفته اند.

·         هضم هوازی: تخمیر هوازی در منابع زیست توده مایع کاربرد دارد. در این روش نیز باکتری های خاصی عمل تخمیر را انجام می دهند. محصول خروجی حرارت، دی اکسید کربن و نیز مقدار کمی بیوگاز می باشد.

·         تخمیر الکل: این تکنولوژی جهت تولید سوخت های تجدید پذیر کاربرد دارد. محصول نهائی بیواتانول، بیودیزل و انواع روغن ها می باشد.

مزایای زیست توده

استفاده از زیست توده بعنوان یک منبع انرژی نه تنها بدلایل اقتصادی بلکه به دلیل توسعه اقتصادی و زیست محیطی نیز جذاب است و ازطرفی آنرا عامل تسریع در رسیدن به توسعه پایدار می‌دانند. سیستم‌هایی که زیست توده را به انرژی قابل مصرف تبدیل می کنند، می‏توانند در ظرفیت های کوچک به صورت ماژول و ظرفیت‌های متوسط و بالا بکار روند. صنایع کشاورزی و جنگلداری از ذخایر اصلی زیست توده هستند که فرصت های اساسی را برای توسعه اقتصادی مناطق روستایی و دورافتاده فراهم می کند.

میزان نشر مواد آلاینده ناشی از احتراق زیست توده، معمولاً کمتر از سوخت های فسیلی است‏. بعلاوه استفاده و بهره برداری تجاری از زیست توده می تواند مشکلات مربوط به انهدام ضایعات و زباله درسایر صنایع از جمله جنگلداری و تولیدات چوب، فرآوری مواد غذایی و بخصوص ضایعات جامد شهری در مراکز شهری را حذف و یا کاهش دهد.

از موارد شایان توجه درمورد این منبع انرژی می توان به قابلیت عرضه آن در سه شکل گازی، مایع و جامد و نیز قابلیت ذخیره سازی گسترده، رفع آلودگی های مضاعف (رها سازی منابع زیست توده در طبیعت باعث تولید گازهای آلاینده می گردد و استفاده از این منابع بعنوان منبع انرژی ضمن رفع مشکل مزبور، آلودگی کمتری نسبت به منابع سنتی انرژی تولید می‏کند) و گستردگی کاربردها نظیر کاربردهای نیروگاهی، حمل و نقل، CHP و تولید حرارت اشاره نمود. ضمناً این منبع تنها منبع انرژی تجدید پذیر است که در کنار هیدروژن می‌تواند بعنوان سوخت در خودروها نیز استفاده شود.

همانگونه که ذکر شد، عدم بهره برداری از منابع زیست توده یکی از مهمترین عوامل انباشت گازهای گلخانه‌ای بویژه متان در اتمسفر میباشد. در آمریکا حدود نیمی از گاز متان منتشره از منابع زیست توده رها سازی شده در طبیعت ناشی می شود.

انرژی زمین گرمایی

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 رادیواکتیو در عمق زمین نشات گرفته است. این انرژی که بصورت حرارت از اعماق زمین به سطح هدایت می شود 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 رفتن به عمق آن افزایش می یابد. البته میان افزایش درجه حرارت و افزایش عمق زمین، رابطه خطی وجود ندارد. نظر به اینکه حرارت همیشه از سمت ناحیه گرم تر به ناحیه سردتر انتقال پیدا می کند، حرارت و گرمای درون زمین به نواحی نزدیک به سطح حرکت می کند. 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 می شود.

طبق محاسبات، مشخص شده است که انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی بدست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. پس این منبع عظیم انرژی می تواند در آینده جایگزین قابل اعتمادی برای انرژی حاصل از سوخت های فسیلی باشد. البته بدیهی است که بهره برداری گسترده از ذخایر زمین گرمایی، مستلزم توسعه بیشتر در زمینه تکنیک های اکتشاف و استخراج آن است.

ژئوترمال از کلمه ی 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 منشا می گیرد و در سنگ ها و آب های 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، هرچند نرخ افزایش درجه ی حرارت ثابت نیست. با این روند، درجه حرارت در قسمت بالایی جبه به مقادیر بالایی می رسد و سنگ ها در این قسمت به نقطه ی ذوب خود نزدیک می شوند.

در طول عمر زمین، این حرارت 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 یک انرژی نامحدودی مورد توجه قرار گیرد.

از طرف دیگر، نظریه های موجود در خصوص تکامل زمین نیز مبنایی برای توضیح وجود گرما در داخل زمین هستند. مطالعات نشان می دهد که زمین در زمان پیداش (حدود 5/4 میلیارد سال قبل) حالت مذاب داشته، تدریجا سرد شده و بخش خارجی آن به صورت جامد در آمده است. اما بخش های داخلی آن، به دلیل کندی از دست دادن گرما، حالت مذاب خود را حفظ کرده و دارای درجه ی حرارت بالایی است و می تواند منبع گرمایی درونی پوسته باشد که از هسته به طرف خارج منتقل می شود.

 

چگونگی انتقال گرمای زمین به سطح زمین

گرما از هسته ی زمین به طور پیوسته به طرف خارج حرکت می کند. مواد مذاب با استفاده از خاصیت رسانایی (Conduction) و انتقال حرارت از طریق جریانهای همرفتی (Convection) به لایه های فوقانی زمین رسیده و حرارت لازم برای مخازن زمین گرمایی را تامین می کنند. وقتی درجه ی حرارت و فشار به اندازه ی کافی بالا باشد، بعضی از سنگ های جبه ذوب می شوند و ماگما به وجود می آید. سپس به دلیل سبکی و تراکم کمتر نسبت به سنگ های مجاور، ماگما به طرف بالا منتقل می شود و گرما را در جریان حرکت، به طرف پوسته ی زمین حمل می کند.

گاهی اوقات، ماگمای داغ به سطح زمین می رسد و گدازه را به وجود می آورد، اما بیشتر اوقات، ماگما زیر سطح زمین باقی می ماند و سنگ ها و آب های مجاور را گرم می کند. این آب ها بیشتر منشاء سطحی دارند و حاصل آب بارانی هستند که به اعماق زمین نفوذ کرده است . بعضی از این آب های داغ از طریق گسل ها و شکست های زمین به طرف بالا حرکت می کنند و به سطح زمین می رسند که به عنوان چشمه های آب گرم و آبفشان شناخته می شوند. اما بیشتر این آب ها در اعماق زمین، در شکاف ها و سنگ های متخلخل محبوس می مانند و منابع زمین گرمایی را به وجود می آورند.

 

مکانهای مناسب جهت بهره برداری از انرژی زمین گرمایی

مناطق دارای چشمه های آب گرم و آبفشان ها، اولین مناطقی هستند که در آن ها انرژی زمین گرمایی مورد بهره برداری قرار گرفته و توسعه یافته است. در حال حاضر، تقریبا تمام نیروی الکتریسته حاصل از انرژی زمین گرمایی از چنین مکان هایی به دست می آید. در بعضی نواحی، درجه ی حرارت سنگ ها ممکن است به 300 درجه ی سانتی گراد برسد و مقادیر عظیمی انرژی گرمایی فراهم کند. بنابر این، انرژی زمین گرمایی درمکان هایی که فرایندهای زمین شناسی اجازه داده اند ماگما تا نزدیکی سطح زمین بالا بیاید، یا به صورت گدازه جریان یابد، می تواند تشکیل شود. ماگما نیز در سه منطقه می تواند به سطح زمین نزدیک شود:

1.        محل برخورد صفحات قاره ای و اقیانوسی (فرورانش)؛ مثلاً حلقه ی آتش دور اقیانوس آرام.

2.        مراکز گسترش؛ محلی که صفحات قاره ای از هم دور می شوند، نظیر ایسلند و دره ی کافتی آفریقا

3.        نقاط داغ زمین؛ نقاطی که ماگما را پیوسته از جبه به طرف سطح زمین می فرستند وردیفی از آتشفشان را تشکیل می دهند.

 

انرژی وابسته به حرارت مرکزی زمین

گرما شکلی از انرژی می باشد و انرژی وابسته به حرارت مرکزی زمین بطور تحت اللفظی یک نوع انرژی داخلی زمینی می باشد که باعث ایجاد پدیده های زمین شناسی در مقیاس جهانی می‏گردد. زمین مانند یک دیگ بخار میباشد که در آن سیالات زمین گرمایی می توانند گرمای بالا و فشار زیاد مورد نیاز برای رسیدن به سطح زمین را بدست آورند. معمولاً، این سیالات در مخازنی روی می دهند که در عمق بیش از 3000 متری زمین قرار گرفته اند و می‏توان آنها را با استفاده از حفر چاه بازیافت نمود. تاسیسات سطحی انرژی زمین گرمایی را به نوعی مفید از انرژی، نظیر الکتریسیته و یا گرما برای مقاصد دیگر نظیر گرمای خانگی، تبدیل می کنند.

 

طبیعت گرمای زمین

سیاره ما متشکل از یک پوسته، با ضخامتی در حدود 20 تا 65 کیلومتر در نواحی قاره ای و 5 تا 6 کیلومتر در نواحی اقیانوسی، یک جبه با ضخامت 2900 کیلومتر و یک هسته با شعاع در حدود 3470 کیلومتر می باشد. خصیصه های شیمیایی و فیزیکی پوسته، جبه و هسته با سطح و مرکز زمین متفاوت می باشد. بیرونی ترین سطح زمین 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 قاره ای می باشد.

خصیصه لیتوسفر، داشتن یک بدنه سخت می باشد. در زیر لیتوسفر ناحیه ای به نام استنوسفر، با 200 تا 300 کیلومتر ضخامت قرار دارد که دارای سختی کمتر و انعطاف پذیری بیشتر می باشد.

بواسطه تفاوت در دمای بین قسمتهای مختلف استنوسفر، حرکتهای رسانای گرمایی و احتمالاً سلولهای رسانای گرمایی در حدود دهها میلیون سال قبل تشکیل یافته اند. حرکت کاملاً آهسته آنها ( چندین سانتیمتر در سال) بوسیله تداوم تولید گرما از طریق اضمحلال عناصر رادیو اکتیو و گرمای متصاعد شده از عمیق ترین قسمتهای زمین ناشی گردیده است. حجمهای بسیار بزرگی از صخره های گرم با تراکم کمتر و دارای گرمای بیشتری از مواد اطراف‏، باعث تداوم این حرکت به سوی بالا گشته است. در حالیکه صخره های سردتر، متراکم تر و سنگین تر نزدیک سطح زمین تمایلی به فرورفتگی، داشتن گرمای مجدد و بازگشت به سطح داشتند، که بسیار مشابه با جوشیدن آب در یک کتری می باشد.

در نواحی که لیتوسفر نازک تر می باشد، و مخصوصاً در نواحی اقیانوسی لیتوسفر به سمت بالا آمده و بوسیله مواد مذاب بسیار داغ که از استنوسفر ناشی می شود، مترادف با بالا آمدن قسمتی از سلولهای رسانا، شکسته می گردد. چنین مکانیسمی باعث تولید برآمدگی های 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 می آید. این پدیده حتی در بین قاره ها نیز روی می دهد مانند دریای سرخ. قسمت نازکی از صخره های مذاب پدیدار شده از استنوسفر نیز باعث بوجود آمدن پوسته های سخت گردیده و در تماس با آب دریا منجمد شده و پوسته جدید اقیانوسی را بوجود آورده است.

 

موتور گرمای زمین

گرمای تولید شده در داخل زمین و گرمای انتشار یافته به سطح زمین به نظر غیر متعادل می‏باشند. برحسب یک تئوری سیاره ما به سوی سردشدن در حرکت می باشد.

فرایند سردشدن لایه میانی زمین عملاً بسیار آهسته صورت می گیرد، بطوریکه دمای آن در طول سه میلیارد سال گذشته بیشتر از 350 – 300 درجه سانتی گراد کاهش نیافته و هم اینک دمای نواحی مرکزی آن در حدود 4000 درجه سانتیگراد است.

در اینجا به نظر می رسد که کل حرارت موجود در اعماق زمین، با فرض اینکه میانگین دمای سطح زمین را 15 درجه سانتیگراد در نظر بگیریم، به میزان 10²⁴x12.6 مگاژول و سهم پوسته از این مقدار 10²⁴x5.4 مگاژول باشد. بنابر این انرژی حرارتی زمین فوق العاده زیاد است، اما کسرکوچکی از آن می تواند توسط بشر مورد بهره برداری قرار گیرد. تاکنون بهره برداری ما از این انرژی، محدود به مناطقی بوده است که شرایط زمین شناسی آنها این اجازه را به یک سیال حامل (آب در فاز مایع یا بخار) میداده تا حرارت را از لایه های داغ عمقی به سطح زمین یا نزدیکی آن انتقال داده و بدین ترتیب منابع زمین گرمایی را بوجود آورد. اما تکنیکهای جدید و نوآوری شده ممکن است در آینده نزدیکی دیدگاههای جدیدی را در این زمینه بوجود آورد.

گرادیان زمین شناختی توضیح دهنده افزایش دما در عمق پوسته زمین می باشد. چنانچه دما در چند متر اول زیر سطح زمین،که بصورت میانگین مساوی دمای متوسط سالیانه فضای خارجی یعنی 15 درجه سانتیگراد می باشد، می توانیم به طور منطقی تصویر کنیم که دما در عمق 2000 متر 65 تا 75 درجه سانتیگراد باشد. در عمق 3000 متر و بیشتر نیز دما در حدود 90 تا 105 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 10 درجه سانتیگراد بر 100 متر باشد. از طرف دیگر، در برخی نواحی گرم زمین، گرادیان حتی بیش از 10 برابر حد میانگین خواهد بود.

 

دسته بندی منابع زمین گرمایی

معمولاً هنگامیکه راجع به منابع ژئوترمال سخن می گوییم، اشاره اصلی ما به آن بخشی از منابع ژئوترمال است که بهتر است آن را «‏منابع قابل دسترسی» بنامیم. یعنی کل انرژی ذخیره شده ما بین سطح زمین و عمق معینی از پوسته آن (زیر یک ناحیه سطحی معین) که مقدار تقریبی آن با عنایت به میانگین سالیانه دمای محل سنجیده می شود.

«بخش مفید منابع قابل دسترسی ژئوترمال» (Resource) به آن بخش از منابع قابل دسترسی ژئوترمال اطلاق میشود که بهره برداری از آنها در یک آینده معین (کمتر از صد سال آینده) از توجیه اقتصادی کافی و اعتبار قانونی لازم برخوردار خواهد بود.

بخشی از منابع مفید زمین گرمایی را منابعی با سطوح معین تشکیل می دهند که اصطلاحاً آنها را «منابع موجه اقتصادی» (Reserve) می نامند. این منابع، بخشی از منابع موجود در یک ناحیه معین می باشند که هم اینک از توجیه اقتصادی کافی (در مقایسه با سایر منابع متداول انرژی) و اعتبار قانونی لازم برخوردار بوده و با انجام عملیات حفاری یا با استناد به شواهد زمین شناسی و نوع خصوصیات ژئوفیزیک و ژئوشیمیایی منطقه قابل شناسایی می باشد. رایج ترین معیار دسته بندی منابع ژئوترمال، معیاری است که بر اساس انتالپی سیالات زمین گرمایی، که عامل اصلی انتقال حرارت از سنگهای داغ موجود در اعماق زمین به سطح آن قلمداد می شود، پایه ریزی می گردد. آنتالپی، که در حالت کلی می توان آن را متناسب با دما پنداشت، پارامتری است که بر محتوای حرارتی سیالات دلالت داشته و تصویری کلی از ارزش آنها ارائه می دهد. منابع زمین گرمایی بر حسب معیارهای مختلف به سه نوع انتالپی پایین، انتالپی متوسط و انتالپی بالا تقسیم می شود.

منابع زمین گرمایی

به طور کلی می توان منابع زمین گرمایی را به پنج گروه عمده تقسیم تقسیم بندی کرد که شامل موارد زیر است :

1- منابع آب داغ (سیستم های هیدروترمال)

منابع آبی هستند که در زیر زمین داغ میشوند و سپس به سطح زمین انتقال پیدا می کنند که در میان انواع منابع زمین گرمایی با توجه به تکنولوژی، امروزه داری بیشترین استفاده هستند.

در سیستم زمین گرمایی هیدروترمال اساس کار مشابه صنعت نفت می باشد. بدین معنی که در مناطقی از زمین مخازن آب داغی وجود دارد که می بایست اکتشاف و استخراج گردد آب داغ استخراج شده بسته به کیفیت منبع و دمای آب و فشار مخزن می تواند جهت تولید برق یا کاربردهای گرمایشی استفاده شود.

این نوع منابع زمین گرمایی به سه گروه تقسیم بندی می شوند :

1- دسته اول : مخازن دما بالا با دمای بالاتر از °C150 که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای معمولی می باشد.

2- دسته دوم : مخازن با دمای بین 100 الی  °C150 که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای پیشرفته تر باینری هستند.

3- دسته سوم : مخازن دما پایین با دمای کمتر از °C100 که برای کاربردهای مستقیم مناسب می باشند.

2 – منابع بخار خشک

منابعی با درجه حرارت بسیار بالا هستند که از آنها بخار خشک و یا آمیزه ای از بخار و آب با درجه حرارت بسیار بالا استحصال می شود که به جهت تولید برق این منابع دارای آرمانی‏ترین شرایط هستند، اما متاسفانه این منابع در دنیا نادرند.

بزرگترین سیستم زمین گرمایی فعال در دنیا که از منابع بخار خشک بهره می گیرد نیروگاه زمین گرمایی با نام Geysers است و در کالیفرنیا، شمال سانفرانسیسکو واقع است. اولین چاه تولید در این نیروگاه در سال 1924 حفر گردید و تا سال 1990، 26 نیروگاه برای ظرفیت بیش از 2000 مگاوات ساخته شد و در حال حاضر این نیروگاه عظیم دارای ظرفیتی بالغ بر 850 مگاوات بوده و حدود 70 درصد از برق کالیفرنیای شمالی را تامین می کند. این نیروگاه از یک سیستم خنک کننده آب برای ایجاد وکیومی جهت کشیدن بخار به سمت توربین استفاده می کند تا راندمان سیستم را در تولید برق بالاتر برد. اما این فرایند حدود 60 تا 80 درصد از بخار را به محیط داده و نمی تواند آنرا دوباره به زمین تزریق نماید. تلاشهایی برای حل این مشکل در حال انجام است. درصورت اصلاح این مشکل و تزریق بخار هدر رفته به منابع، خروجی سیستم 85 مگاوات افزایش یافته و با این مقدار الکتریسیته می توان برق 8500 منزل مسکونی را تامین کرد.

عمده ترین نگرانی درمورد این سیستم های باز مانند geysers خارج شدن گاز سمی سولفید هیدروژن از آن است. مشکل دیگر تجمع نمک در لوله هاست که باعث بسته شدن آنها میشود و باید دوباره توسط چاههای دیگری به زمین تزریق گردد. با استفاده از سیستم های حلقه بسته مانند سیکل باینری که به تفصیل بدان خواهیم پرداخت، هیچ گونه گازی از نیروگاه متصاعد نمیشود و هر چه به سطح زمین آورده شده دوباره به درون زمین برمی گردد.

3 – منابع تحت فشار :

منابع عظیمی هستند که از آب شور (brine) تشکیل یافته اند و از نظر شرایط کلی به درجه اشباع رسیده اند و درلایه های میان صخره های اعماق زمین به صورت محبوس وجود دارند. این منابع عمدتاً حاوی گاز متان محلول هستند و در عمق 3 تا 6 کیلومتری از سطح زمین یافت میشوند و درجه حرارت آنها بین 90 تا 200 درجه سانتی گراد تخمین زده می شوند، اما غالباً دارای درجه حرارتی پایین تر از 150 درجه هستند. این نوع منابع به طور بالقوه بسیار خوش آتیه هستند زیرا از این ذخایر امکان استخراج سه نوع انرژی که شامل انرژی حرارتی از سیال گرم شده، انرژی هیدرولیک ناشی از فضای بالای حبس شده و انرژی شیمیایی ناشی از سوخت گاز متان محلول وجود دارد .

4 – تخته سنگهای خشک داغ:

تخته سنگ های بسیار عظیم با منبع آتش فشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و فیزیک سخت دارند.

به سیستمهای بهره برداری از این منابع سیستم های زمین گرمایی توسعه یافته (Enhanced Geothermal Systems) که به اختصار EGS گفته می شود. از آنجا که در همه جای کره زمین در اعماق گرما با شدتهای مختلف وجود دارد و تنها محدودیت موجود عدم وجود منابع آب می باشد لذا با کمک این سیستم می توان رشد قابل توجه ای را در توسعه انرژی زمین گرمائی برقرار کرد. سیستم بهره برداری به این صورت می باشد که با حفر چاههای بسیار عمیق (با عمق 4 تا 6 هزارمتر) به لایه های داغ زمین دسترسی پیدا کرده، سپس آب با فشار بالا به چاه تزریق شده که در اثر این فشار هیدرولیکی در سنگ شکافت ایجاد می شود. همین کار برای چاه تولید (Production Well) نیز انجام می شود و بین دو چاه ارتباط برقرار می گردد. بدین صورت آب در حین عبور از شکافهای ایجاد شده حرارت را از سنگهای داغ دریافت و از چاه تولید خارج و وارد سیکل نیروگاه می شود، درجه حرارت آب حاصل از این منابع بین 135 تا 180 درجه سانتیگراد بوده و در این حالت امکان افزایش بازده نیروگاه تا 15 درصد وجود دارد.

5 – مواد مذاب

این منابع که به نام گدازه ها میشناسیم در واقع ایده آل ترین حالت ممکن برای منابع زمین گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین 700 تا 2 هزار درجه سانتی گراد است. با توجه به درجه حرارت بالای این مخازن و محدودیت های فنی موجود امروزه از این منابع عظیم استفاده نمی‌شود.

 

مهمترین نشانه های منابع زمین گرمایی موارد زیر است:

·         سنگ های آتشفشانی جوان تر از یک میلیون سال

·         چشمه های آبگرم

·         بخار فشار یا گاز فشار

·         آب فشان

·         نواحی دگرسان شده

·         گل فشان

·         کوه های آتشفشانی فعال

البته ذکر این نکته ضروری است که برای آغاز بررسی های اکتشافی در یک منطقه زمین گرمایی،بیش از یک نشانه باید در منطقه وجود داشته باشد.

 

تاریخچه ژئوترمال

وجود کوههای آتش فشان یقیناً باید نیاکان ما را از این حقیقت آگاه ساخته باشد که بخش های خاصی از اعماق زمین داغ می باشد. با اینحال، تا یک دوره ی زمانی بین قرن های شانزدهم و هفدهم، یعنی زمانیکه اولین معادن تا عمق چند صد متری سطح زمین حفر گردیده و بشر بر اساس ادراکات فیزیکی ساده استنباط نمود که دمای زمین با عمق افزایش می یابد، اطلاع چندانی در این زمینه وجود نداشت.

شاید نخستین اندازه گیری ها بوسیله ی دماسنج در سال 1740 و در معدنی نزدیک Belfort در کشور فرانسه انجام پذیرفت. در سال 1870 از روش های علمی پیشرفته ای جهت مطالعه‌ی نوع رفتار حرارتی زمین استفاده می شد، اما با ورود به قرن بیستم و کشف نقشی که حرارت رادیوژنیک (حرارت ناشی از زوال موا رادیواکتیو) ایفا می کند، پرده از راز پدیده هایی همچون موازنه حرارتی و تاریخچه ی حرارتی زمین برداشته شد.

در واقع تمامی مدلهای پیشرفته حرارتی زمین بر اساس حرارت تولید شده در اثر زوال ایزوتوپ های رادیواکتیو اورانیوم، توریم، پتاسیم که با عمل طولانی در اعماق زمین یافت میشود، پایه‌ریزی شده اند.

در دهه 1980 میلادی دریافته شد هیچ موازنه ای بین حرارت تولیدی ناشی از زوال مواد رادیواکتیو در اعمال زمین و حرارت منتشر شده از سطح آن به محیط اطراف برقرار نیست و سیاره زمین به آهستگی در حال سرد شدن است.

در اوایل نوزدهم، استخراج سیالات ژئوترمال با هدف بهره برداری از پتانسیل انرژی حرارتی آنها صورت می پذیرد. در آن زمان، یک کارخانه شیمیایی در کشور ایتالیا در ناحیه ای که هم اکنون لاردرلو نامیده میشود، راه اندازی گردید تا از آبهای داغی که بطور طبیعی یا از طریق چاه های کم عمقی که مخصوصاً برای این کار حفر می شدند، به بیرون جریان می یافتند، اسید بوریک تولید کند.

در سال 1827 استخراج بخارات طبیعی آب با هدف بهره برداری از انرژی مکانیکی آن آغاز شد. از بخار آب ژئوترمال برای بالا بردن مایعات در بالابرهای گازی قدیمی و همچنین بعدها در پمپهای رفت و برگشتی و گریز از مرکز و جرثقیل هایی که به نوعی با عملیات حفاری در ارتباط بوده یا در صنایع محلی تولید اسید بوریک کاربرد داشتند، استفاده می شد.

نخستین تلاشها برای تولید برق از بخار آب ژئوترمال در سال 1904 میلادی در ناحیه ی لاردرلو انجام پذیرفت. موفقیت این آزمایش، ارزش صنعتی انرژی ژئو ترمال را بخوبی نشان داد و این آغازی بود بر بهره برداری خاصی که قرار بود بعدها بطور قابل توجهی توسعه داده شود.

سیستم نمونه ای که در کشور ایتالیا راه اندازی شد، به سرعت توسط چند کشور دیگر الگو برداری شد. نخستین چاه های ژئو ترمال در سال 1919 در Beppu ژاپن و در سال 1921 در The Geysers کالیفرنیا (آمریکا) حفر شدند که البته در آن زمان با موفقیت چندانی همراه نبودند. در سال 1928 کشور ایسلند، کار استخراج سیالات ژئوترمال (بویژه آب داغ) را برای تامین نیاز حرارتی منازل آغاز نمود. در همان زمان در ناحیه لاردرلو با به جریان انداختن بخار آب کیفیت پایین در مبدل های حرارتی، نیاز حرارتی منازل روستایی و آب داغ مصرفی آنها تامین می گردید.

کاربرد انرژی زمین گرمایی

 

کاربرد انرژی زمین گرمایی به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم (نیروگاهی) تقسیم می شود. استفاده مستقیم از انرژی ژئوترمال به گذشته های دور باز می گردد. از زمان های دور، مردم از آب زمین گرمایی که آزادانه در سطح زمین به صورت چشمه های گرم جاری بودند، استفاده کرده اند. رومی ها برای مثال از این آب برای درمان امراض پوستی و چشمی بهره می گرفتند. در بسیاری از نقاط برای گرم کردن خانه ها از آن استفاده می شد. بومی های آمریکا نیز از آب زمین گرمایی برای پختن و مصارف دارویی بهره می گرفتند. 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 و یا مصارف دیگر بهره برداری می کنند. در نیروگاه زمین گرمایی، آب داغ و بخار خارج شده از مخازن زمین گرمایی، نیروی لازم برای چرخاندن ژنراتور توربین را فراهم می آورد و انرژی الکتریسیته تولید می کند. آب مورد استفاده، از طریق چاه های تزریق به مخزن برگشت داده می شود تا دوباره گرم شود و در عین حال، فشار مخزن حفظ و تولید آب داغ و بخار تقویت شود و ثابت باقی بماند.

کاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی

کاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی به معنی بهره برداری بدون واسطه از انرژی حرارتی سیال زمین گرمایی است. در این حالت انرژی زمین گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل نمی شود بلکه به صورت مستقیم، از انرژی حرارتی آن استفاده می شود. منابع زمین گرمایی که دمای آنها 65 تا 150 درجه سانتیگراد است برای تبدیل به انرژی الکتریکی دارای توجیه اقتصادی بالایی نیستند لذا این گونه منابع زمین گرمایی برای بهره گیری مستقیم از انرژی حرارتی، مناسب شناخته شده اند. منابع زمین گرمایی حرارت پایین نسبت به مخازن حرارت بالا از گستردگی بیشتری برخوردارند. به عنوان مثال در کشور آمریکا بیش از 1350 سیستم زمین گرمایی شناخته شده که تنها پنج درصد آنها بیش از 150 درجه سانتیگراد و 85 درصد آنها کمتر از 90 درجه سانتیگراد حرارت دارند. طرحهای کاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی نسبت به نیروگاههای زمین گرمایی از آلایندگی کمتری برخوردارند به نحوی که در اغلب موارد پس از خنک شدن سیال زمین گرمایی میتوان آن را به محیط رها کرد.

کاربرد مستقیم انرژی زمین گرمایی از گذشته های بسیار دور متداول بوده است. شواهد زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد بشر در طول تاریخ از آب داغ یا بخار طبیعی زمین به منظور استحمام، پختن غذا و گرم کردن محل زندگی خود استفاده کرده است.

به دلیل گسترده بودن دامنه درجه حرارت سیال زمین گرمایی، کاربردهای آن نیز بسیار متعدد است. نکته بسیار مهم در کاربرد سیال زمین گرمایی، کیفیت شیمیایی آن است. به این معنی که اگر میزان املاح محلول آن کم باشد بدون کمک گرفتن از مبدل حرارتی می توان مستقیماً آب داغ یا بخار را مورد استفاده قرار داد ودر غیر این صورت برای استفاده از سیال باید از مبدل حرارتی کمک گرفت که طبیعتاً بازده سیستم مربوطه پایین تر خواهد بود. به عنوان مثال در ریکیاویک، در کشور ایسلند به دلیل وجود سنگ های آتشفشانی خاص، املاح محلول سیال خروجی از چاه ها بسیار پایین بوده و در نتیجه سیال تولید شده مستقیماً از چاه ها به سیستم های گرمایش منطقه ای هدایت می شود.

تکنولوژی :

سیستم هایی که در کاربردهای مستقیم از منابع انرژی زمین گرمایی مورد استفاده قرار می گیرند از منابع با درجه حرارت بین 20 تا 150 درجه سانتیگراد استفاده می کنند که این رنج درجه حرارت از دمایی که برای نیروگاه ها لازم است پایین تر می باشد. سیستم های کاربرد مستقیم زمین گرمایی از تکنولوژی پیچیده ای برخوردار نبوده و شامل 3 بخش اساسی می باشند ؛

* سیستم تولید که آب را از داخل چاه ها به سطح زمین می آورد.

* سیستم تحویل که آب داغ را در داخل لوله ها توزیع می کند.

* سیستم دفع که آب سرد شده را دوباره به مخازن آبی بر می گرداند.

تولید گرما از منابع زمین گرمایی در کاربرد مستقیم می تواند در مقایسه با گاز طبیعی یا سیستم های گرمایی الکتریکی هزینه کمتری در بر داشته باشد. اگرچه کاربردهای استفاده مستقیم اغلب یک سرمایه گذاری عمده برای حفاری و نصب تجهیزات لازم دارد، اما در عوض هزینه راه اندازی و تعمیر و نگهداری کمتر و محدودی داشته و به خرید سوخت دائمی احتیاجی نیست.

در حال حاضر حدود 72 کشور جهان از منابع زمین گرمایی به طور مستقیم استفاده می کند. موارد استفاده مستقیم از انرژی زمین گرمایی و میزان مصرف هر کدام در دنیا به درصد عبارتند از :

·         گرمایش و سرمایش ساختمان ها (20%)

·         پمپ های حرارتی (33%)

·         کشاورزی (5/7%)

·         آبزی پروری (2/4%)

·         کاربردهای صنعتی (2/4%)

·         درمان بیماری ها (8/28%)

·         سایر (3/2%)

 

کاربرد غیرمستقیم انرژی زمین گرمایی

نیروگاه‌های زمین گرمایی

می دانیم منابع بزرگ زمین گرمایی یعنی منابعی که اساساً برای تولید انرژی الکتریکی قابل استفاده هستند، در نواحی محدودی از زمین یافت می شوند و منابع کوچک زمین گرمای تنها در ظرفیت های محدود (کمتر از 10 مگاوات) قابلیت بهره برداری به طور غیر مستقیم را دارا هستند. پس بررسی اصولی و همه جانبه در راه اندازی یک نیروگاه زمین گرمایی ضروری به نظر می رسد. فرایند ساخت یک نیروگاه زمین گرمایی امری بسیار پیچیده است که به مطالعاتی دقیق در هر یک از اجزای آن احتیاج است. لازم است مطالعاتی دقیق در زمینه ماهیت منبع و سیل ژئوترمال، تعیین موقعیت مکانی منبع به طور دقیق، عمق، جهت، تعداد و نوع چاه های لازم، نوع و سایز نیروگاه، استفاده از متد مناسب دفع سیالات استفاه شده و طراحی سیستم های لازم جهت کاهش اثرات زیست محیطی انجام شود تا پروژه از لحاظ اقتصادی توجیه پذیر گردد. از آنجاییکه این منابع ژئوترمال منابعی دینامیک و متغیر هستند متخصصان باید از عهده اصلاح و ایجاد تغییرات لازم در تجهیزات نیروگاه با تغییر در منابع زمین گرمایی در جهت بالا نگه داشتن راندمان سیستم برآیند. در مرحله نخست شناخت مشخصات کامل منبع قبل از عملیات حفاری که عملیاتی هزینه بر است، ضروری می نماید.

مرحله بعد عملیات حفاری آغاز می شود که معمولاً در ابتدا 3 چاه در مرحله تأیید منطقه حفر می گردد. این چاهها در بهترین مناطقی که در مطالعات کشف گردیده و ترجیحاً به صورت سه گوش از یک مثلث حفر می گردند. از این چاهها برای مطالعات سنگ شناسی نمونه هایی برداشت می شود. نحوه رفتار و کیفیت سیال منبع باید بررسی گردد و در آخر چاههای مورد نیاز حفر می گردد.

حال به بررسی سیستم های تبدیل انرژی که سیال را از منابع ژئوترمال گرفته و فرآیندهایی را بر روی آن جهت استفاده و تولید الکتریسیته در یک نیروگاه انجام می دهد و در آخر این سیال را به صورت موثر دفع نماید می پردازیم. تکنولوژی های مورد استفاده در تبدیل انرژی زمین گرمایی به انرژی الکتریکی به حالت سیال زمین گرمایی (مایع یا بخار بودن آن) و همچنین دمای آن، عمق و کیفیت منبع بستگی دارد و میتوان آنها را به دو دسته سنتی (بخار خشک، بخارلحظه ای و باینری) و سیستم های پیشرفته که برخی از آنها هنوز به مرحله تجاری نرسیده اند، تقسیم کرد.

توربین هایی که برای نیروگاههای زمین گرمایی ساخته می شوند باید از موادی که دارای مقاومت بالایی در برابر خوردگی و پوسیدگی هستند، ساخته شوند. زیرا سولفید هیدروژن موجود در گازهای خروجی از زمین باعث خوردگی فولادهای معمولی می شود.

واحدهای نیروگاهی بر دو قسمند:

واحدهای نیروگاهی سرچاهی: این واحدها در مجاورت یک یا چند چاه تولیدی راه اندازی شده و معمولاً با آب داغ یا بخار آب خروجی از آن (ها) تغذیه می شوند. این واحدها دارای ساختار مدولار بوده ودر مقیاس های معین ساخته می شوند.

نیروگاه های مرکزی: شامل خطوط انتقال به هم پیوسته و طویلی هستند که بخار آب را از مجموعه چاه های متعدد به واحد مرکزی منتقل می کند.

هریک از این واحدها دارای مزایا و معایب خاص خود بوده و با توجه به میزان تقاضا، عوامل محیطی و… انتخاب میشوند.

سیستم های مدرن زمین گرمایی

منابع زمین گرمایی مانند اثر انگشت انسانها منحصر به فرد بوده و هیچ دو منبعی کاملا شبیه یکدیگر نیستند. پس تکنولوژیهای مورد استفاده برای تبدیل این انرژی به برق باید به درستی انتخاب و گاهی با شرایط منبع تطبیق داده شوند.

در اینجا به معرفی برخی از سیستم های پیشرفته زمین گرمایی می پردازیم که برخی از آنها به حالت تجاری درآمده اند و برخی از آنها در مراحل مختلف تحقیق و بررسی می‌باشند.

بخار و آب های داغ زمین گرمایی تنها بخشی کوچک از منابع زمین گرمایی هستند. شرایطی که بتواند باعث سیرکوله شدن آب به سطح زمین شود تنها در 10 درصد از مناطق خشکی سطح زمین وجود دارد. ماگما و سنگ های داغ و خشک زمین، انرژی ارزان، پاک و فراوانی را اگر تکنولوژی های چگونگی استفاده از آنها ابداع شود در اختیار ما قرار میدهد. در این تکنولوژی سنگ های خشک و داغ با پمپاژ آب سرد پر فشار درون آنها خرد و شکسته می شود سپس آب وارد این سنگ های داغ شده و زمانی که این آب گرم شد از طریق چاه دیگری به سطح زمین بر می گردد و برای حرکت توربین و تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد.

محققان از سال 1974 شروع به مطالعه بر روی این تکنولوژی کرده اند و یک سیستم آزمایشی در نیومکزیکو احداث گردیده است. در این سیستم آب 80 درجه فارنهایت به داخل چاه اول تزریق و آب 360 درجه فارنهایت به سطح زمین باز می گردد. تحقیق و پژوهش در زمینه این متد جدید در استرالیا، آلمان، فرانسه و ژاپن در حال انجام است. پیش بینی شده است که سیستم های EGS فقط در کشور آمریکا تا سال 2050 قادر به تامین 100 گیگاوات برق می‏باشند.

سیستمهای مدرن زمین گرمایی قادر به کاهش هزینه ها تا 50 درصد کمتر از سیستم های متداول هستند و میتوانند برق را با هزینه ای حدود 5/4 تا 3/7 سنت (بر حسب دلار آمریکا) بر کیلووات ساعت تولید نماید.

حرکت جدید دیگر در این زمینه استفاده از انرژی خورشیدی برای کمک به تولید انرژی زمین گرمایی توسط آژانس انرژی کالیفرنیای شمالی است. این آژانس 6300 ماژول خورشیدی در یک ایستگاه پمپاژ آب بنا نهاده است. گرمای زمین، آب را به بخار تبدیل و از این بخار برای تولید برق در نیروگاهها استفاده می شود. انرژی خورشیدی برای تامین برق پمپ ها استفاده می شود.

از دیگر تکنولوژی های جدید می توان به :

* سیستم های ترکیبی تبخیر لحظه ای یک و دو مرحله ای

* سیستم های ترکیبی بخار لحظه ای – باینری

* سیستم های Total-flow (جریان کلی)

* سیستم های ترکیبی زمین گرمایی – فسیلی یا بیوماس

اشاره کرد که هنوز به بهره برداری تجاری نرسیده اند.

 

مزایای استفاده از انرژی زمین گرمایی

* تمیز بودن: در این روش همانند نیروگاه بادی و خورشیدی، نیازی به سوخت نیست، بنابراین سوخت های فسیلی حفظ می شوند و هیچگونه آلودگی وارد هوا نمی شود.

* بدون مشکل بودن برای منطقه: فضای کمتری برای احداث نیروگاه نیاز دارد و عوارضی چون ایجاد تونل، چاله های روباز، کپه های آشغال و یا نشت نفت و روغن را به دنبال ندارد.

* قابل اطمینان بودن (پدافند غیر عامل): نیروگاههای زمین گرمایی می توانند در طول سال فعال باشد و به دلیل قرار گرفتن روی منبع سوخت، مشکلات مربوط به قطع نیروی محرکه در نتیجه ی بدی هوا، بلایای طبیعی و یا تنش های سیاسی را ندارد.

* تجدید پذیری و دائمی بودن

* صرفه جویی ارزی:  هزینه ای برای واردات سوخت از کشور خارج نمی شود و نگرانی های ناشی از افزایش هزینه ی سوخت وجود نخواهد داشت.

* ایجاد تنوع در سبد انرژی کشور

* توسعه فرهنگی، اجتماعی و اقتصادی مناطق محروم

* کمک به رشد کشورهای در حال توسعه: نصب آن در مکان های دور افتاده می تواند استاندارد و کیفیت زندگی را با آوردن نیروی برق بالا ببرد.

دیدگاه‌های اقتصادی در ارزیابی پروژه‌های زمین گرمایی

هزینه بهره برداری از منابع انرژی زمین گرمایی به میزان زیادی به توان تولیدی چاه های حفر شده بستگی دارد. بطور کلی توان تولیدی هر چاه از حدود 2 تا 30 مگاوات الکتریکی متغیر است. همچنین هزینه حفاری چاهها و تعداد چاه هایی که به هر علت ناموفق و غیر تولیدی می باشند در هزینه های سرمایه گذاری تاثیر به سزایی دارد. از جمله عوامل دیگر به نوع سیستمها، شرایط و مشخصات میدان زمین گرمایی می توان اشاره کرد. بطور مثال هزینه حفر یک چاه در حوزه زمین گرمایی پاریس تا یک میلیون دلار می رسد در حالیکه در میدانهای زمین گرمایی ایسلند و ایتالیا که سیستمهای درجه حرارت بالا هستند این میزان در حدود چند صد هزار دلار می باشد.

بدیهی است بدلیل وجود پارامترهای متعدد و تغییرات گسترده هر یک از پارامترهای مذکور بسته به شرایط محلی و نوع سیستمهای زمین گرمایی، تعیین یک مقدار ثابت و مشخص بعنوان هزینه توسعه و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی غیر ممکن است. در واقع هر پروژه زمین گرمایی دارای هزینه سرمایه گذاری خاص خود برای توسعه و بهره برداری است. بطور کلی هزینه های بهره برداری از منابع انرژی زمین گرمایی به دو بخش عمده تقسیم می شوند:

1- هزینه های مرحله اکتشافی

2- هزینه های مرحله توسعه ای و نصب نیروگاه

فاز اکتشافی خود به سه بخش عمده تقسیم می گردد که در هر بخش با تکمیل مطالعات مربوطه و پردازش اطلاعات جمع آوری شده ریسک سرمایه گذاری بطور چشمگیری کاهش می یابد.

اولین مرحله ازاین بررسی ها، مطالعات اکتشافی مقدماتی می باشد. در این بخش از مطالعات، محدوده های دارای ذخایر زمین گرمایی تعیین شده و مطالعات مقدماتی کیفی انجام می شود. سپس مناطق دارای بیشترین منابع برای اکتشافات بعدی انتخاب می شوند. پس از اتمام این مطالعات، احتمال موفقیت در دستیابی به یک مخزن قابل بهره برداری، 30 درصد می باشد.

پس از مطالعات اکتشافی مقدماتی، لازم است مطالعات امکان سنجی مقدماتی صورت پذیرد. این بخش از مطالعات شامل موارد زیر می باشد :

– جمع آوری اطلاعات با توجه به شواهد غیر مستقیم در مورد نوع منبع حرارتی، تراوایی طبقات و وجود سنگ پوشش

– محدود کردن ناحیه مورد نظر به مناطق دارای بیشترین ذخایر انرژی زمین گرمایی

– ارزیابی خصوصیات و پتانسیل ذخایر انرژی زمین گرمایی

– اثبات وجود ذخایر و پیشنهاد ادامه روند اکتشافات با حفر چاه های اکتشافی

– تعیین محل حفر چاه های اکتشافی و طراحی چاه های مورد نظر برای حفاری

پس از انجام این مطالعات و رسیدن به اطلاعات فوق احتمال موفقیت دردستیابی به یک منبع قابل بهره برداری به 50 درصد افزایش پیدا می کند.

مرحله بعدی دراین بخش از مطالعات، مطالعات امکان سنجی تکمیلی می باشد. پس از اتمام این مطالعات موارد زیر در مورد مخزن زمین گرمای قابل تشخیص خواهند بود:

– اثبات وجود مخزن زمین گرمایی

– اثبات و تعیین مقدار پتانسیل انرژی زمین گرمایی قابل بهره برداری

– ارزیابی کمی منابع زمین گرمایی از نظر انتالپی، میزان مواد جامد غیر محلول و گازهای غیر قابل تراکم و توان تولیدی و تزریقی چاه های حفر شده.

– طراحی حفر چاه های تولیدی و تزریقی

– طراحی نیروگاه و روند اجرای پروژه

– ارزیابی و برآورد هزینه ها و بررسی اقتصادی پروژه

– ارزیابی و بررسی های زیست محیطی پروژه

پس از انجام مطالعات مربوط به این بخش، احتمال موفقیت در دستیابی به یک منبع قابل بهره برداری 70 درصد خواهد بود.

در تولید برق از انرژی زمین گرمایی معمولاً میزان سرمایه گذاری اولیه برای انجام اکتشافات مربوطه و نصب نیروگاه نسبت به نیروگاه های دیگر بالاتر است. اما به دلیل پایین بودن هزینه‏های تعمیر و نگهداری و عدم نیاز به سوخت در حین بهره برداری از نیروگاه، قیمت تمام شده برق در نیروگاه های زمین گرمایی با نیروگاه های متعارف سوخت فسیلی قابل مقایسه و از انواع دیگر انرژی های نو به مراتب ارزانتر است.

در هزینه های یک نیروگاه زمین گرمایی عوامل متعددی دخالت دارند که میتوان به مواردی همچون میزان عمق و درجه حرارت منبع، نوع منبع ( بخار، مایع و یا دوفازی)، خواص شیمیایی آب زمین گرمایی، میزان نفوذ پذیری منابع، میزان ظرفیت نیروگاه، تکنولوژی نیروگاه، نزدیکی به خطوط اصلی شبکه برق، نحوه انعقاد قرارداد با پیمانکاران، رهبری، مدیریت، قوانین محلی، باورهای مذهبی و رسومات افراد ساکن در محل‏، حق بیمه، حق الامتیاز ساکنین محل و دیگر هزینه های غیر مستقیم اشاره کرد.

تکنولوژی نیروگاه های باینری نقش بسیار مهمی را در بازار برق زمین گرمایی ایفا می کند. 30 درصد از هزینه ها مربوط به منبع زمین گرمایی و 70 درصد مربوط به نیروگاه میباشد. قابلیت تولید الکتریسیته از هر چاه تابعی از مشخصات ترمودینامیکی (فاز و درجه حرارت) سیال موجود در منبع بوده و هر چه درجه حرارت سیال بالاتر باشد، تعداد چاه های مورد نیاز کمتر و در نتیجه هزینه مربوط به حفاری کاهش می‌یابد.

در ضمن برای استفاده بهینه از انرژی میتوان بعد ازاستفاده از سیال در نیروگاه های فلش آن را به نیروگاه باینری که با سیال با درجه حرارت کمتر کار می کنند هدایت نمود. در حالیکه در بیشتر نقاط دنیا پس از استفاده از سیال زمین گرمایی در نیروگاه استفاده مفیدی نشده  و یا دوباره به درون تزریق می شود.

کمیسیون Public Service of Nevada هزینه های جانبی سوختهای فسیلی را برآورد کرده است. این هزینه ها شامل هزینه های رفع آلودگی های مختلف ناشی از سوختهای فسیلی از جمله گازهای SO2 , NO2 , CH4 , CO, CO2 و… است. اگر این هزینه ها به هزینه تولید الکتریسیته از سوختهای فسیلی اضافه شود در این صورت تولید برق از ژئوترمال مقرون به صرفه خواهد بود.

مدت زمان احداث یک نیروگاه زمین گرمایی بدون احتساب زمان مطالعات اکتشافی و حفاری 3 تا 6 سال و عمر مفید یک نیروگاه زمین گرمایی 25 تا 35 سال می باشد. ضریب تولید این نیروگاهها 90 درصد بوده و کل هزینه های راه اندازی نیروگاه حدود 4000 دلار بر کیلووات می باشد.

 

ملاحظات اقتصادی برای بهره برداری مناسب :

1.        کوتاه بودن فاصله بین منبع ژئوترمال و سایت بهره برداری

2.        طراحی سیستم بهره برداری با عمر طولانی (جهت مستهلک ساختن هزینه سرمایه گذاری)

3.        صرفه جویی و بالا بردن ضریب بهره برداری با استفاده از سیستم های مرکب (هیبرید) یا سیستم های آبشاری (cascade)

4.        ساده بودن سیستم از لحاظ فنی و قابل فهم توسط متخصصین.

5.        بررسی بازار مصرف و انتقال محصول (اگر واحد برای تولید فراورده های مصرفی باشد)

6.        هزینه راه اندازی یک واحد ژئوترمال عموماً بیشتر و گاهی اوقات خیلی بیشتر از واحد مشابهی است که با یک سوخت رایج کار می کند. بالعکس هزینه جاری نیروگاههای ژئوترمال بسیار کمتر از واحدهای مشابه با سوخت رایج و تقریبا معادل هزینه تعمیر و نگهداری تجهیزات ژئوترمال آن واحد (خطوط لوله، شیرآلات، پمپ ها، مبدل های حرارتی و غیره) می باشد. هزینه بالای راه اندازی واحدهای ژئوترمال با کسب درآمد ناشی از عدم مصرف سوخت جبران می شود. بنابراین منابع نیروگاههای ژئوترمال باید به گونه ای طراحی گردد که از طول عمر به حد کفایت طولانی برخوردار باشد تا سرمایه گذاری اولیه را مستهلک نسازد.

7.        به منظور کاستن از هزینه های تعمیر و نگهداری و تعداد دفعات قطع سیستم، لازم است پیچیدگی فنی واحد ژئوترمال در حدی باشد که توسط پرسنل فنی محلی یا کارشناسانی که به سهولت قابل دسترس هستند، قابل هضم باشد. به طور ایده آل باید از متخصصین بسیار خبره یا سازندگان این واحدها فقط برای تعمیرات بسیار گسترده یا رفع خرابی های وسیع کمک گرفت.

 

مزایای استفاده نیروگاهی از انرژی ژئوترمال

مزایای استفاده نیروگاهی از انرژی ژئوترمال عبارتند از:

·         از این انرژی میتوان انرژی های ثانویه دیگری چون انرژی الکتریسیته تولید کرد بدون این که هیچ گونه سوختی چون نفت، گاز و یا زغال سنگ استفاده شود و این خود دال بر غیرآلاینده بودن انرژی ژئوترمال است. مقدار گاز CO2 تولید شده در نیروگاه های زمین گرمایی به ترتیب معادل 15 درصد نیروگاه های گاز سوز، 10 درصد نیروگاه های نفت سوز و 8 درصد نیروگاه های زغال سنگ سوز بوده و هم چنین میزان تولید اکسید نیتروژن و گوگرد آن تقریباً در حدود صفر است.

·         انرژی ژئوترمال را می توان در تمام مدت 24 ساعت شبانه روز و در هر 365 روز سال استخراج و استفاده کرد و همچنین مستقل از شرایط جوی می باشد.

·         این انرژی، یک انرژی بومی است و احتیاج به وارد کردن یا صادر کردن آن به کشور دیگری نیست.

·         احداث نیروگاه های کوچک ژئوترمال در روستاهای کوچک علاوه بر کمک اقتصادی به منطقه و جذب جهانگرد، از مهاجرت روستاییان به شهرها جلوگیری خواهد نمود و باعث افزایش درجه رفاه عمومی خواهد شد.

·         دستگاه های ژئوترمال فضای زیادی را اشغال نمی کند. در نتیجه بر محیط تاثیر چشم گیری نمی گذارند.

بعد از احداث یک واحد قدرت ژئوترمال انرژی تولیدی تقریباً به صورت مجانی در می آید. تنها مقداری انرژی برای به حرکت در آوردن پمپ ها لازم است که آن هم به وسیله انرژی تولیدی تامین می شود.

 

 منبع http://danyar.ir