18.4: الطاقة الحرارية الأرضية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 169331

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

تنشأ الطاقة الحرارية الأرضية من ارتفاع الحرارة إلى السطح من قلب الحديد المنصهر للأرض الذي تم إنشاؤه أثناء تكوين وضغط الأرض المبكرة وكذلك من الحرارة الناتجة باستمرار عن التحلل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم في قشرة الأرض. تستغل محطات الطاقة الحرارية الأرضية هذه الطاقة الحرارية لإنتاج الكهرباء كثيرًا بنفس الطريقة التي تولد بها الحرارة الناتجة عن حرق الفحم الطاقة (الشكل\(\PageIndex{a-c}\)). يتم حقن الماء تحت الأرض وتسخينه. يمكن استخدام البخار الذي يظهر مباشرة، ويمكن نقل الحرارة إلى نظام مغلق لسائل آخر، ثم يغلي (الشكل\(\PageIndex{c}\)). وفي كلتا الحالتين، يقوم البخار (أو أي غاز آخر عالي الضغط) في النهاية بتحويل التوربين وتشغيل المولد.

يخرج البخار من محطة الطاقة الحرارية الأرضية، وهي شبكة من الهياكل المعدنية — الشكل\(\PageIndex{a}\): يتم إطلاق البخار من محطة الطاقة الحرارية الأرضية. الصورة من قبل حكومة الوصول المفتوح (CC-BY).

يُظهر مخطط محطة الطاقة الحرارية الأرضية عدة آبار للوصول إلى الحرارة من تحت الأرض — الشكل\(\PageIndex{b}\): في محطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية، يتم حقن سائل الطاقة الحرارية الأرضية تحت الأرض. (تشير المياه الحرارية الأرضية إلى الماء الساخن/البخار المستخدم في هذه العملية.) إنه يعزز نفاذية الصخور ويتم تسخينه تحت الأرض. يخرج إلى السطح من خلال آبار الإنتاج، حيث يتم استخدامه لتوليد الكهرباء في محطة الطاقة الحرارية الأرضية. يتم إطلاق بخار الماء من منشأة التبريد لمحطة الطاقة. لإعادة تدوير السائل الحراري الأرضي، يتم إرجاعه إلى الخزان وحقنه مرة أخرى في الأرض. صورة من مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة/وزارة الطاقة الأمريكية (المجال العام).

تُظهر محطة الطاقة الحرارية الأرضية الماء الساخن من تحت الأرض يتم تحويله إلى بخار وتحويل التوربين — الشكل\(\PageIndex{c}\): (1) في محطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية، يتم ضخ الماء الساخن من أعماق الأرض من خلال بئر تحت ضغط مرتفع. (2) عندما تصل المياه إلى السطح، ينخفض الضغط، مما يؤدي إلى تحول الماء إلى بخار. (3) يقوم البخار بتدوير التوربين المتصل بمولد ينتج الكهرباء. (4) يبرد البخار في برج التبريد ويتكثف مرة أخرى إلى الماء. (5) يتم ضخ الماء المبرد مرة أخرى إلى الأرض لبدء العملية مرة أخرى. الصورة والتعليق (تم تعديلهما) من EPA (المجال العام).

تعتمد المضخات الحرارية الأرضية (المضخات الحرارية الأرضية) على درجات الحرارة الباردة تحت الأرض لتبريد أو تدفئة المنازل (الشكل\(\PageIndex{d}\)). تعتبر أحيانًا نوعًا ثانيًا من الطاقة الحرارية الأرضية، ولكنها أيضًا وسيلة للحفاظ على الطاقة. تستخدم المضخات الحرارية الأرضية نظام التبادل الحراري الذي يعمل في باطن الأرض على بعد حوالي 20 قدمًا (5 أمتار) تحت السطح، وهو بارد باستمرار (حوالي 55 درجة فهرنهايت، أو 12.5 درجة مئوية). يتم ضخ السوائل تحت الأرض ثم على طول القنوات في المنزل. يعمل هذا على تبريد المنزل خلال فصل الصيف، حيث يعمل بمثابة خافض للحرارة. خلال فصل الشتاء البارد، تقوم بتدفئة المنزل إلى 55 درجة فهرنهايت (كمصدر للحرارة)، وتقوم أنظمة التدفئة التقليدية بالباقي. هذا يقلل من استهلاك الطاقة المطلوبة لتوليد الحرارة من الغاز والبخار والماء الساخن وأنظمة تكييف الهواء الكهربائية التقليدية.

يُظهر الرسم التخطيطي لمضخة الحرارة من مصدر الأرض أنبوبًا به سائل يسير تحت الأرض، وينقل الحرارة إلى المبنى. — الشكل\(\PageIndex{d}\): مضخة حرارية من مصدر أرضي (مضخة حرارية أرضية) في وضع التسخين (خلال الشتاء؛ يسار) وفي وضع التبريد (خلال الصيف؛ يمين). هناك أربع خطوات لوضع التسخين (يسار). (1) الدوران: تقوم المضخة الحرارية فوق الأرض بتحريك الماء أو سائل آخر عبر سلسلة من الأنابيب المدفونة أو الحلقات الأرضية. (2) امتصاص الحرارة: عندما يمر السائل عبر الحلقة الأرضية، فإنه يمتص الحرارة من التربة الدافئة أو الصخور أو المياه الجوفية المحيطة به. (3) الحرارة التبادل والاستخدام: يعود السائل الساخن إلى المبنى حيث يستخدم لتسخين الفضاء أو الماء. يستخدم النظام مبادل حراري لنقل الحرارة إلى نظام مناولة الهواء وتوزيعه وتهويته الحالي في المبنى. (4) إعادة التدوير: بمجرد أن ينقل السائل الحرارة إلى المبنى، فإنه يعود عند درجة حرارة منخفضة إلى الحلقة الأرضية ليتم تسخينه مرة أخرى. تتكرر هذه العملية بنقل الحرارة من نقطة إلى أخرى. تتشابه الخطوات الأربع لوضع التبريد (على اليمين): (1) التبادل الحراري والامتصاص، (2) الدوران، (3) التفريغ الحراري، (4) إعادة التدوير. الصور والتسميات التوضيحية (المعدلة) من EPA (المجال العام).

يُظهر الرسم التخطيطي لمضخة الحرارة من مصدر الأرض أنبوبًا به سائل يسير تحت الأرض، مما يزيل الحرارة من المبنى. — الشكل\(\PageIndex{d}\): مضخة حرارية من مصدر أرضي (مضخة حرارية أرضية) في وضع التسخين (خلال الشتاء؛ يسار) وفي وضع التبريد (خلال الصيف؛ يمين). هناك أربع خطوات لوضع التسخين (يسار). (1) الدوران: تقوم المضخة الحرارية فوق الأرض بتحريك الماء أو سائل آخر عبر سلسلة من الأنابيب المدفونة أو الحلقات الأرضية. (2) امتصاص الحرارة: عندما يمر السائل عبر الحلقة الأرضية، فإنه يمتص الحرارة من التربة الدافئة أو الصخور أو المياه الجوفية المحيطة به. (3) الحرارة التبادل والاستخدام: يعود السائل الساخن إلى المبنى حيث يستخدم لتسخين الفضاء أو الماء. يستخدم النظام مبادل حراري لنقل الحرارة إلى نظام مناولة الهواء وتوزيعه وتهويته الحالي في المبنى. (4) إعادة التدوير: بمجرد أن ينقل السائل الحرارة إلى المبنى، فإنه يعود عند درجة حرارة منخفضة إلى الحلقة الأرضية ليتم تسخينه مرة أخرى. تتكرر هذه العملية بنقل الحرارة من نقطة إلى أخرى. تتشابه الخطوات الأربع لوضع التبريد (على اليمين): (1) التبادل الحراري والامتصاص، (2) الدوران، (3) التفريغ الحراري، (4) إعادة التدوير. الصور والتسميات التوضيحية (المعدلة) من EPA (المجال العام).

يشرح هذا الفيديو بناء وآلية المضخات الحرارية الأرضية.

لا تحتوي الطاقة الحرارية الأرضية على تطبيقات متعددة (توليد الكهرباء والتدفئة والتبريد) فحسب، بل يمكن الاعتماد عليها. في حين أن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح متقطعة، فإن الحرارة تشع باستمرار من أعماق الأرض. بالإضافة إلى ذلك، فإن درجات الحرارة الباردة الأقرب إلى السطح اللازمة لمضخات الحرارة الحرارية الأرضية موجودة على مدار السنة وفي جميع المواقع. ومع ذلك، لا يمكن بناء محطات الطاقة الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء إلا في مواقع محددة حيث تكون الصهارة الساخنة قريبة بما يكفي من سطح الأرض. ترتبط هذه المواقع عادةً بالسخانات أو الينابيع الساخنة أو البراكين (الشكل\(\PageIndex{e}\)). بالإضافة إلى ذلك، فإن بناء محطات الطاقة الحرارية الأرضية مكلف.

تشير المثلثات الموجودة على خريطة العالم إلى مواقع براكين العالم. — الشكل\(\PageIndex{e}\): مواقع البراكين في العالم. تتركز على طول السواحل الغربية لأمريكا الشمالية وأمريكا الجنوبية وكذلك شرق آسيا وأستراليا. تشكل هذه المناطق، التي تلتف حول المحيط الهادئ، ما يعرف باسم حلقة النار. الصورة من Salazar, S.S., Muñoz, Y. & Ospino, A. تحليل الطاقة الحرارية الأرضية كمصدر بديل للكهرباء في كولومبيا. *الطاقة الحرارية الأرضية* 5، 27 (2017). (سي بي)

يعتمد التأثير البيئي للطاقة الحرارية الأرضية على كيفية استخدامها. استخدام المضخات الحرارية الأرضية ليس له أي تأثير سلبي تقريبًا على البيئة. لا تحرق محطات الطاقة الحرارية الأرضية الوقود لتوليد الكهرباء، لذلك فهي تولد الحد الأدنى من تلوث الهواء. إنها تطلق أقل من 1٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من محطة الوقود الأحفوري. تستخدم محطات الطاقة الحرارية الأرضية أنظمة التنظيف لتنظيف الهواء من كبريتيد الهيدروجين الموجود بشكل طبيعي في البخار والماء الساخن. تنبعث منها مركبات الكبريت بنسبة 97٪ (أحد أسباب الترسيب الحمضي/المطر الحمضي) مقارنة بالانبعاثات من محطات الوقود الأحفوري. بعد استخدام البخار والماء من خزان الطاقة الحرارية الأرضية، يتم حقنهما مرة أخرى في الأرض. أحد المخاوف البيئية المرتبطة بمحطات الطاقة الحرارية الأرضية هو أن الحفر الحراري الأرضي أثناء إنشائها تسبب في حدوث زلازل، على غرار آثار آبار الحقن في التكسير الهيدروليكي.

الإسناد

تم تعديله بواسطة ميليسا ها من الطاقة المتجددة وتحديات وتأثيرات استخدام الطاقة من البيولوجيا البيئية بواسطة ماثيو آر فيشر (مرخص بموجب CC-BY)