انرژی ژئوترمال یا زمین‌گرمایی، انرژی‌ای است که از پوسته زمین به دست می‌آید. این انرژی جزو منابع انرژی تجدیدپذیر محسوب می‌شود، چراکه دائماً توسط واکنش‌های تجزیه هسته‌ای در حال تولید است. در گذشته، بهره‌برداری از انرژی ژئوترمال صرفاً محدود به مناطق فعال آتشفشانی بود، ولی در زمان حاضر تقریباً در همه‌جا قابل استخراج است. سیستمهای ژئوترمال، سیستم‌هایی هستند که به طرق مختلف از گرمای زمین استفاده می‌کنند: استفاده مستقیم برای گرمایش منازل مسکونی و استفاده‌های صنعتی، تولید برق و پمپ‌های حرارتی ژئوترمال. مبدلهای حرارتی یکی از اجزای حیاتی در سیستمهای ژئوترمال محسوب می‌شوند که وظیفه انتقال حرارت مؤثر را در این سیستم‌ها به عهده دارند. در این مقاله سعی داریم تا به نقش مبدلهای حرارتی در سیستمهای ژئوترمال بپردازیم.
سیستمهای ژئوترمال
دمای داخل کره زمین بسیار بالاست و در محدوده دمای هزاران درجه سانتی‌گراد در هسته و صدها درجه در گوشته و پوسته است. این حرارت، در نتیجه تجزیه رادیواکتیو درون زمین، دائماً در حال تولید است. حرارت تولیدی به شکل‌های مختلف قابل دسترس است:
منابع ژئوترمال
- منابع هیدروترمال: رایج‌ترین نوع منابع ژئوترمال مورد استفاده هستند. این منابع شامل بخار یا آب گرمِ به دام افتاده در صخره‌های متخلخل زیر سطح زمین‌اند که به‌صورت طبیعی یا با حفاری به سطح منتقل می‌شوند. در مواردی که بخار غالب است، می‌توان مستقیماً از بخار منابع هیدروترمال برای تغذیه نیروگاه بخار استفاده کرد.
- سیستمهای ژئوترمال تقویت‌شده (EGS): در مناطقی که منابع طبیعی هیدروترمال وجود ندارد، از طریق ایجاد شکست در دل صخره‌های زیر زمین، مخازن مصنوعی ایجاد کرده و با تزریق آب به این مخازن، تولید آب داغ و بخار می‌کنند.
- منابع تحت فشار زیرزمینی: حوضه‌های عمیق رسوبی که حاوی آب نمک داغِ تحت فشار است و اغلب همراه با متان حل‌شده است.
- منابع ماگما: صخره‌های ذوب‌شده نزدیک به سطح زمین که کمتر برای استخراج انرژی ژئوترمال رایج‌اند.
- منابع ژئوترمال کم‌عمق: دمای ثابتِ زیر سطح زمین با عمق کم (حدود ۱۰ تا ۱۶ درجه سانتی‌گراد) می‌تواند به‌عنوان منبع زمینی پمپ‌های حرارتی برای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
انواع راههای استفاده از انرژی ژئوترمال
استفاده مستقیم: در این سیستم‌ها، آب داغ یا بخار مستقیماً برای گرمایش فضا، گرمایش منطقه‌ای (District Heating)، گرمایش گلخانه‌ها، پرورش آبزیان، فرآیندهای صنعتی، استخرها و … استفاده می‌شود. در سیستم مستقیم، به‌منظور کنترل بهتر دما و شرایط کاری، از مبدلهای حرارتی استفاده می‌شود.
پمپ حرارتی زمینی (GSHP): پمپ حرارتی تجهیزی است که با مصرف برق، گرما را از یک منبع انرژی بزرگ اما با دمای نسبتاً کم و ثابت، به یک محل با دمای نسبتاً گرم‌تر منتقل می‌کند. پمپ‌های حرارتی ژئوترمال از دمای نسبتاً ثابت زیر زمین برای گرمایش در زمستان یا سرمایش در تابستان استفاده می‌کنند.
تولید برق:
- در سیستمهای ژئوترمال بخار-غالب، بخار مستقیماً برای گرداندن توربین و تولید برق استفاده می‌شود.
- در نیروگاههای بخار فلش (Flash Steam Power Plants)، ابتدا بخار وارد یک فلش درام شده، سپس بخار فلش خروجی از فلش درام برای گرداندن توربین استفاده می‌شود.
- در نیروگاههای سیکل دوگانه (Binary Cycle Power Plants)، سیال ژئوترمال در یک مبدل حرارتی، سیال دیگری با نقطه جوش پایین‌تر (مانند ایزوبوتان، پنتان و …) را گرم می‌کند. سیال دوم بخار شده و توربین را می‌گرداند.
اهمیت مبدلهای حرارتی در سیستمهای ژئوترمال
مبدلهای حرارتی تجهیزاتی هستند که وظیفه آن‌ها انتقال مؤثر گرما بین دو سیال، بدون اختلاط آن‌ها با یکدیگر است. این تجهیزات در بسیاری از سیستمهای ژئوترمال، به‌ویژه در سیستمهای ژئوترمال غیرمستقیم، نقشی حیاتی دارند. اهمیت استفاده از مبدلهای حرارتی در این سیستم‌ها را می‌توان از جنبه‌های مختلف بررسی کرد:
ویژگی‌های منبع گرمایی
سیالات ژئوترمال اغلب حاوی مواد معدنی محلول، نمک‌ها، گازها (مانند هیدروژن سولفید) و … هستند. این سیالات می‌توانند برای تجهیزات و پایپینگ، به‌ویژه کربن استیل، بسیار خورنده باشند یا باعث رسوب‌گذاری شدید شوند. استفاده از مبدلهای حرارتی می‌تواند تجهیزات حساس، مانند توربین‌ها، را از سیالات خورنده و رسوب‌گذار ایزوله کند.
بخار ژئوترمال معمولاً دارای گازهای غیرقابل کندانس است که می‌توانند باعث کاهش بازدهی توربین‌ها شده و نیاز به تجهیزات ویژه برای مدیریت این گازها ایجاد کنند. نیروگاههای سیکل دوگانه با بهره‌گیری از مبدلهای حرارتی می‌توانند این مشکل را کاهش دهند.
همچنین، ترکیب سیالات ژئوترمال بسته به عمق و موقعیت منبع متغیر است. مبدلهای حرارتی امکان انعطاف‌پذیری بیشتر را فراهم کرده و باعث می‌شوند سیستم بدون اختلال و با عملکردی پایدار کار کند.
بهینه‌سازی بازدهی سیستم
✔ بهینه‌سازی سیال کاری: در نیروگاههای باینری یا سیکل دوگانه، مبدلهای حرارتی امکان استفاده از سیال کاری بهینه‌شده را فراهم می‌کنند که باعث افزایش بازدهی توربین می‌شود. در نتیجه، حتی منابع ژئوترمال با دمای متوسط نیز می‌توانند تولید توان مؤثر داشته باشند.
✔ سیستم آبشاری و تولید هم‌زمان: مبدلهای حرارتی امکان استفاده از سیستمهای آبشاری را فراهم می‌کنند؛ به این صورت که ابتدا از آب داغ برای تولید برق در نیروگاههای باینری استفاده شده و سپس از آب خروجی، که دمای کمتری دارد، در سیستمهای گرمایش مستقیم مانند گرمایش منطقه‌ای یا صنعتی بهره‌برداری می‌شود. این روش باعث حداکثر بهره‌وری انرژی می‌شود.
مزیت‌های زیست‌محیطی
✔ نیروگاههای باینری که از مبدلهای حرارتی استفاده می‌کنند، معمولاً مدار بسته هستند. در این سیستم‌ها، سیال ژئوترمال پس از عبور از مبدل حرارتی دوباره به مخزن زیرزمینی تزریق می‌شود. این ویژگی باعث کاهش عواقب زیست‌محیطی مانند فرونشست زمین و لرزه‌خیزی احتمالی می‌شود.
✔ مدیریت بهتر فاضلاب صنعتی: استفاده از مبدلهای حرارتی باعث کاهش حجم سیالات دفعی شده و مشکلات زیست‌محیطی مربوط به دفع فاضلاب را کاهش می‌دهد.
مبدلهای حرارتی نقش کلیدی در افزایش بازدهی، بهبود عملکرد، کاهش هزینه‌های عملیاتی و به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی در سیستمهای ژئوترمال دارند و استفاده از آن‌ها، به‌ویژه در نیروگاههای مدرن، ضروری است.
جمع‌بندی
استفاده از انرژی ژئوترمال به‌عنوان منبع تجدیدپذیر انرژی در دنیای پرمصرف امروز بسیار حائز اهمیت است. مبدلهای حرارتی اجزایی ضروری در سیستمهای ژئوترمال، به‌ویژه در گرمایش ژئوترمال و نیروگاههای ژئوترمال با منابع گرمایی دارای دمای متوسط، هستند. این تجهیزات انتقال مؤثر و ایمن حرارت ژئوترمال را به سیالات کاری فراهم کرده، سیستم را از سیالات خورنده یا رسوب‌زای ژئوترمال ایزوله می‌کنند، عملکرد سیستم را بهینه کرده و گستره منابع ژئوترمال قابل بهره‌برداری را توسعه می‌دهند. پیشرفت‌های روزافزون در طراحی و متریال مبدلهای حرارتی توجیه‌پذیری اقتصادی و پایداری انرژی ژئوترمال به‌عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر حیاتی، بهبود می‌بخشد.
