پاورپوینت تولید برق در نیروگاه های زمین گرمایی


تحقیق: تولید برق در نیروگاه های زمین گرمایی
استاد محترم :
تهیه کننده :

آیا تاکنون تخم مرغ آپزی را نصف کرده اید ؟ درون زمین مشابه تخم مرغ است. زرده تخم مرغ بسان هسته زمین است. سفیده تخم مرغ مانند گوشته زمین است. و پوسته تخم مرغ نظیر پوسته زمین است.
زیر پوسته زمین و قسمت فوقانی گوشته ، سنگهای مذابی (سنگهای نرم داغی به صورت روان) بنام ماگما وجود دارد. پوسته زمین برروی این گوشته ماگمایی مذاب شناور است. زمانیکه ماگما از طریق آتشفشان به سطح زمین می رسد ، به آن گدازه می گویند.
به ازای هر 100 متری که به زیرزمین میروید ، حرارت سنگ 3 درجه سلزیوس (Celsius) افزایش می یابد. یا به ازای هر 328 فوت در زیرزمین ، حرارت 4/5 درجه فارنهایت افزوده می شود. بنابراین اگر 1000 فوت به زیرزمین بروید ، درجه حرارت سنگ جهت جوشاندن آب کافی خواهد بود.
مقدمه

بعضی اوقات آب در اعماق زمین ، در کنار سنگ گرمی قرار گرفته و به آب جوش یا بخار تبدیل می شود. درجه حرارت آب گرم می تواند تا 300 درجه فارنهایت (148 درجه سلزیوس) برسد. این مقدار حرارت بیش از حرارت آب جوش (212 درجه فارنهایت یا 100 درجه سانتیگراد) است. اگر آب جوش با هوا تماس نداشته باشد ، به بخار تبدیل نمی شود. زمانیکه آب گرم از طریق شکافهای زمین به بالا می آید به آن چشمه آب گرم می گویند.
توجه به انواع انرژی های غیر وارداتی و متفاوت از سوخت فسیلی نکته ای است که در بسیاری از کشورهای دنیا مبنای برنامه ریزی های بلند مدت قرار گرفته است.
منشاء حرارت در زمین:
1 ) حرارت هسته مرکزی زمین (حرارت زمین گرمایی)
2) حرارت حاصل از واکنش رادیواکتیو
3) حرارت ناشی از فرآیندهای تکتونیکی
4) حرارت حاصل از انجماد و تفریق تود ه های آذرین در پوسته زمین
گرمای موجود در سطح قاره استرالیا
واکنش های رادیواکتیو هسته زمین

در بعضی از مناطق، تزریق ماگما به درون پوسته ی زمین، به اندازه ی کافی جدید و هنوز خیلی داغ است. در این نواحی، درجه ی حرارت سنگ ممکن است به 300 درجه ی سانتی گراد برسد و مقادیر عظیمی انرژی گرمایی فراهم کند.
 بنابراین، انرژی زمین گرمایی در مکان 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 و ردیفی از آتشفشان را تشکیل می دهند.
چه مکان هایی برای استفاده از انرژی زمین گرمایی مناسب است؟
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، تقریباً تمام نیروی الکتریسیته حاصل از انرژی زمین گرمایی از چنین مکان هایی به دست می اید.

مزیت های زیست محیطی کاربرد انرژی زمین گرمایی شامل موارد زیر است:
عدم آلودگی هوا
تولید CO2 کم، تولید H2S پایین و عدم تولید NOx
عدم آلودگی منابع آب های زیرزمینی
عدم نیاز به زمین وسیع
مزایای کاربردی 
صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی
طولانی بودن زمان دسترسی 
گستردگی موارد کاربرد
مستقل بودن از شرایط جوی
امکان تولید برق به وسیله واحدهای قابل حمل

الکتریسیته (برق) زمین گرمایی
 از آب گرم یا بخار حاصل از زیرزمین می توان برای تولید برق یا الکتریسیته در یک نیروگاه زمین گرمایی استفاده نمود.
به منظور تولید برق از انرژی زمین گرمایی، سیال مخزن آب داغ یا بخار از طریق چاه های حفر شده به سطح زمین هدایت شده و پس از به چرخش درآوردن توربین در نیروگاه، برق تولید می کند. بدیهی است که از مخازن حرارت بالا بیشتر برای تولید برق استفاده می شود. در حال حاضر ۲۲ کشور جهان به کمک منابع زمین گرمایی خود بیش از MW ۸۲۰۰ برق تولید می کنند. در نیروگاه های زمین گرمایی، انرژی الکتریکی به کمک چرخه های مخصوصی تولید می شود. مهمترین و رایج ترین آنها عبارتند از:
 چرخه تبخیر آنی
در این دسته از چرخه های تولید برق، سیال زمین گرمایی پس از خروج از چاه، وارد یک جداکننده شده و بخار حاصل به سمت توربین و آب داغ به سمت چاه های تزریقی و برج خنک کننده روانه می شود. حال، برحسب اینکه عمل جدایش یا تبخیر آنی در یک مرحله یا دو مرحله انجام شود و برحسب وجود یا عدم وجود کندانسور، سه نوع چرخه تبخیر آنی وجود دارد: چرخه تبخیر آنی یک مرحله ای بدون کندانسور، چرخه تبخیر آنی یک مرحله ای با کندانسور، چرخه تبخیر آنی دومرحله ای. 
 چرخه دومداره
از این چرخه برای تولید برق از مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین استفاده می شود. حدود ۵۰ درصد مخازن زمین گرمایی شناخته شده جهان درجه حرارتی بین ۱۵۰C تا ۲۰۰C دارند، که اگر برای تولید برق از آنها از چرخه تبخیر آنی استفاده شود، چرخه مزبور بازده بسیار پایینی خواهد داشت. در این چرخه از سیال عامل برای تولید برق استفاده می شود بدین ترتیب که آب داغ، سیال عامل را در یک مبدل حرارتی، گرم و به بخار تبدیل می کند. بخار حاصل، توربین را به حرکت در آورده، برق تولید می کند. از جمله مزیت های مهم این چرخه، عدم وجود خوردگی یا رسوب گذاری توسط سیال عامل است. در حال حاضر مهمترین کشورهای جهان از نقطه نظر تولید برق از منابع زمین گرمایی، کشورهای آمریکا ۲۲۲۸ مگاوات، فیلیپین ۱۹۰۹ مگاوات، ایتالیا ۷۶۹ مگاوات، مکزیک ۷۵۵ مگاوات و اندونزی ۵۹۰ مگاوات هستند.

بررسی اقتصادی بهره برداری از انرژی زمین گرمایی
هزینه بهره‎برداری از منـابع انرژی زمین گرمایی به میزان زیـادی 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 غیرتولیدی می‎باشند در هزینه‎های 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 درحالیکه در میدانهای زمین گرمایی ایسلند و ایتالیا که سیستمهای درجه حرارت بالا هستند این میزان درحدود چند صد هزار دلار می‎باشد.
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 بهره‎برداری از انرژی زمین گرمایی غیرممکن است. در واقع هر پروژه زمین گرمایی دارای هزینه سرمایه گذاری خاص خود برای توسعه و بهره‎برداری است. بطور کلی هزینه‎های بهره‎برداری از منابع انرژی زمین گرمایی به دو بخش عمده تقسیم میشوند:
1- هزینه‎های مرحله اکتشافی
2- هزینه‎های مرحله توسعه‎ای و نصب نیروگاه
فاز اکتشافی خود به سه بخش عمده تقسیم می‎گردد که در هر بخش با تکمیل مطالعات مربوطه و پردازش اطلاعات جمع‎آوری شده ریسک سرمایه‎گذاری بطور چشمگیری کاهش می‎یابد.

در حال حاضر بیش از 20 کشور جهان با نصب نیروگاههای زمین گرمایی از این منبع عظیم انرژی برای تولید برق استفاده می نمایند که مجموع ظرفیت نصب شده بالغ بر 8400 مگاووات می باشد.

آمریکا با 2200 مگاوات
فیلیپین با 1900 مگاوات
ایتالیا با 800 مگاوات
مکزیک با 750 مگاوات
اندونزی با 600 مگاوات
ژاپن با 550 مگاوات
نیوزلند با 450 مگاوات
ایسلند با 170 مگاوات

علاوه بر آن بیش از (64 کشور بر مبنای اطلاعات سال 2005) کشور جهان با مجموع ظرفیت نصب شده بیش از 27800 مگاوات حرارتی، از انرژی زمین گرمایی در مواردی از قبیل

تامین گرمایش فضاهای اداری و مسکونی

پرورش آبزیان و محصولات کشاورزی گلخانه ای

استخرهای (آبدرمانی) و مراکز جذب توریست
بهره برداری می نمایند.

مزیت های استفاده از سیستم GHP
1- قابلیت تامین همزمان گرمایش و سرمایش با صرفه جوئی انرژی به میزان 50 الی 70 درصد
2- امکان نصب سیستم GHP در تمامی مناطق و تمامی اقلیم ها
3- کاهش دهنده میزان رطوبت و تامین کننده سرمایش بطور همزمان در مناطق دارای رطوبت زیاد
4- تولید کمتر آلاینده های محیط زیستی در مقایسه با سایر سیستم های گرمایشی- سرمایشی
5- کاهش تولید آلودگی صوتی
6- امکان استفاده از سیستم GHP برای مناطق دور از شبکه خط لوله انتقال گاز
7- امکان استفاده از سیستم GHP برای تامین آب گرم و سرد (تهویه مطبوع با فن کویل)
8- امکان انتقال هوای گرم و سرد با استفاده از کانال
9- امکان استفاده از سیستم GHP در ظرفیت های متفاوت (نیم تن تبرید تا هزار تن تبرید)
10- قابلیت تامین آب گرم مورد نیاز ساختمان و استخرهای شنا
11- امکان استفاده از GHP در مراکز پرورش دام، طیور، آبزیان گرمابی، ذوب برف معابر و فرودگاهها و صنایع مختلف
12- امکان نصب سیستم GHP بصورت متمرکز یا مجزا در ساختمان ها

سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی یکی از انواع کاربردهای انرژی تجدیدپذیر است که بدلیل استفاده از گرادیان حرارتی زمین، جزء انواع کاربردهای انرژی زمین گرمایی محسوب می شود. سیستم مذکور از جمله سیستم های گرمایشی- سرمایشی است که بدلیل میزان مصرف انرژی پایین، در مقایسه با سایر سیستم های تهویه مطبوع در جهان از اهمیت زیادی برخوردار شده است. عملکرد
مطلوب پمپهای حرارتی زمین گرمائی بگونه ای است
که  باعث توسعه روز افزون و استقبال زیاد مردم از
این سیستمها در دنیا شده است. بطوری که میزان
ظرفیت نصب شده پمپ حرارتی زمین گرمائی در
جهان تا سال 1995 میلادی برابر با 1854 مگاوات،
تا سال 2000 میلادی برابر با 5275 مگاوات، تا
سال 2005 میلادی 15723 مگاوات و تا سال 2010
میلادی 35236 مگاوات حرارتی بوده است و
پیش بینی می شود این میزان ظرفیت نصب شده تا سال 2050 میلادی به 744000 مگاوات افزایش یابد.
کشورهائی که بیشترین ظرفیت نصب شده این سیستمها در آنها انجام شده است عبارتند از: آمریکا با 12000 مگاوات، آلمان با 2230 مگاوات، کانادا 1100 مگاوات، سوئد با 4460 مگاوات، اتریش با 600 مگاوات، دانمارک با 800 مگاوات، چین 5210 مگاوات، سوئیس 530 مگاوات، نروژ 3300 مگاوات، فنلاند 858 مگاوات، مجارستان 518 مگاوات، هلند 1394 مگاوات.

مراحل انجام پروژه های هیت پمپ زمین گرمایی (GHP)
 
1-   برداشت اطلاعات
1-1-        جمع آوری اطلاعات آب و هوا شامل دمای هوا، میزان رطوبت، میزان بارش، میزان تابش خورشید و میزان وزش باد طی 10 الی 30 سال گذشته
1-2-        مشخص شدن نوع کاربری ساختمان، مدت بهره برداری در روز
1-3-        تهیه نقشه ساختمان
1-4-        تهیه نقشه موقعیت ساختمان و محدودیت های اطراف آن مانند: خیابان ها، ساختمان های اطراف و خطوط برق، آب، گاز، تلفن
1-5-        جمع آوری اطلاعات زمین شامل: سطح ایستابی، میزان رطوبت خاک، بررسی هایدروژئولوژی، بررسی جنس خاک، تعیین دانه بندی خاک،

2-   طراحی
2-1- محاسبه بار حرارتی و برودتی ساختمان
2-2- انتخاب تعداد و ظرفیت دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی بر اساس نظر کارفرما
2-3- انتخاب نوع دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی از نوع آب به آب یا آب به هوا بر اساس نظر کارفرما
2-4- طراحی کانال انتقال هوا (آب به هوا) یا خطوط انتقال آب به فن کویل ها ( آب به آب)
2-5- طراحی کویل زمینی از نوع سیکل باز، سیکل بسته عمودی، سیکل بسته افقی یا ترکیب موارد مطرح شده
2-6- محاسبه متراژ لوله و قطر آن
2-7- طراحی و انتخاب پمپ های سیرکولاتور
2-8- طراحی چیدمان محل موتورخانه پمپ حرارتی زمین گرمایی

3-   اجراء
3-1- حفر چاه های برداشت آب و تزریق آن برای سیکل باز، حفر چاههای سیکل بسته عمودی یا حفر کانال برای سیکل بسته افقی
3-2- نصب لوله کویل زمینی
3-3- پر نمودن کویل زمینی از خاک یا گروت
3-4- نصب دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی و اتصال آن به کویل زمینی
3-5- نصب کانال یا لوله های فن کویل به دستگاه
3-6- نصب مدار الکترونیک به برق ساختمان
3-7- پر نمودن آب کویل زمینی در سیکل بسته یا تست آبدهی چاه در سیکل باز
3-8- اندازه گیری میزان دبی کویل زمینی
3-9- بهره برداری از دستگاه

4- پیاده سازی
انواع نحوه پیاده سازی
شماتیک پیاده سازی افقی
پیاده سازی افقی:
تجهیزات داخلی:

تاریخچه استفاده از انرژی زمین گرمایی در ایران در کشور ما ایران از سال 1354 و بمنظور شناسایی پتانسیل های منبع انرژی زمین گرمایی مطالعات گسترده ای توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده ای به وسعت 260 هزار کیلومتر مربع آغاز گردید. نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر 31 هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب می باشند.
حفر اولین چاه انرژی در ایران!
عملیات حفاری اولین چاه در پایان اردیبهشت ماه سال 1382 خاتمه یافت و طی مدت 18 ماه حفاریهای اکتشافی شامل سه حلقه چاه اکتشافی عمیق با عمق 3200متر، 3176 و 2260 مترو دو حلقه چاه تزریقی با عمق حدود 650 متر به پایان رسید. پس از به پایان رسیدن عملیات حفاری، تجهیزات فلزی تست جریان چاه در محل مورد نظر نصب گردید و در تاریخ 9/3/83 عملیات تست اولین چاه زمین گرمایی کشور آغاز گردید.
شرکت های فعال در زمینه GHP در ایران
در ایران شرکت های زیادی در زمینه ساخت دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی فعالیت نمی کنند. اگر تقسیم کنیم فعالیت شرکت ها را به سه دسته شرکت های مشاور، شرکت های پیمانکاری و شرکت های تولید کننده

پتانسیل انرژی زمین گرمایی در ایران بر اساس مطالعات انجام شده در بیش از ۱۰ منطقه شناسایی شده است.این مناطق بر اساس میزان فعالیتهای تکتونیکی، میزان چشمه های آب گرم و ظهورهای سطح الارضی و سایر شواهد زمین شناسی شناسایی شده اند.بر اساس گزارش ارائه شده توسط (سازمان انرژی های نو ایران ، ۱۳۷۷) این مناطق به شرح زیر می باشند.
 
▪ منطقه تفتان – بزمان
▪ منطقه نایبند
▪ منطقه بیرجند – فردوس
▪ منطقه تکاب هشترود
▪ منطقه خور – بیابانک
▪ منطقه اصفهان – محلات
▪ منطقه رامسر
▪ منطقه بندرعباس – میناب
▪ منطقه بوشهر – کازرون
▪ منطقه لار – بستک

نصب GHP با سیکل بسته افقی در تبریز (ظرفیت 5 کیلووات)
 اولین پروژه پمپ حرارتی زمین گرمایی در سال 1382 در دفتر انرژی های نو در معاونت امور انرژی وزارت نیرو و سازمان انرژی های نو ایران (سانا) با همکاری مرکز تحقیقات سازمان جهاد کشاورزی استان آذربایجان شرقی تعریف گردید. در این پروژه مقرر گردید ضمن جمع آوری اطلاعات علمی و استانداردها در این زمینه، نسبت به تغییر یک دستگاه کولر گازی پنجره ای به یک دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی و نصب آن در شهر تبریز اقدام شود. در این پروژه با استفاده از یک مبدل حرارتی دو لوله ای یک دستگاه کولر گازی پنجره ای   O-General به ظرفیت BTU/hr 18000 که مصرف برق آن در حدود 2500 وات بود به یک دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی که میزان مصرف برق آن در حدود 1750 وات تبدیل گردید. کویل نصب شده در شهر تبریز بصورت افقی ساده تک لوله ای و به طول 400 متر طراحی و در کانالی به عمق یک و نیم متر نصب گردید. با توجه به اینکه کمپرسور دستگاه مورد نظر کمپرسور یک کولر گازی بوده و ماهیت آن بدلیل سیکل کاری پرمصرف و بازده آن کم بوده با تغییر دستگاه به یک پمپ حرارتی زمین گرمایی در زمان راه اندازی دستگاه، میزان مصرف برق در حدود 30% کاهش داده شده بود. که این امر بیانگر افزایش راندمان دستگاه می باشد.