تولید برق گرما در نیروگاه زمین گرمایی نسیاوتلیر

یكی از موارد كاربرد مهم انرژی زمین‌گرمایی تولید برق به كمك این انرژی است. در بهار سال ۲۰۰۲ میزان برق تولید شده از منابع زمین‌گرمایی در سراسر جهان بیش از ۸۲۰۰ مگاوات بوده است. كشور ایسلند (واقع در شمالغرب اروپا) كه فاقد منابع سوخت‌های فسیلی است به خوبی از این انرژی بهره‌ گرفته و در حال حاضر به كمك منابع زمین‌گرمایی خود حدود ۲۰۰ مگاوات برق تولید می‌كند.

یكی از مهمترین نیروگاههای این كشور، نیروگاه زمین‌گرمایی نسیاوتلیر است كه علاوه بر تولید برق به دلیل نزدیكی به شهر ریكیاویك (مركز كشور ایسلند)، آبداغ مورد نیاز سیستم گرمایش مركزی آن را نیز تامین می‌كند. بدین ترتیب با تولید همزمان برق و گرما، حداكثر استفاده از مخزن زمین‌گرمایی مربوطه بعمل می‌آید. در این مقاله نخست، توضیحاتی پیرامون مخزن زمین گرمایی نسیاوتلیر ارایه می‌شود و سپس نیروگاه زمین‌گرمایی مربوطه مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

كشور ایسلند در منتهی‌الیه شمالغرب اروپا تقریباً در وسط اقیانوس اطلس واقع شده است. مساحت آن ۱۰۲۸۲۹ كیلومتر مربع و جمعیت آن ۰۰۰/۲۸۵ نفر است. پایتخت آن (ریكیاویك) در جنوب غرب كشور واقع شده و دارای ۰۰۰/۱۶۰ نفر جمعیت است. عمده‌ترین منابع تامین‌كننده انرژی این كشور، انرژی‌های برقآبی و زمین‌گرمایی هستند كه هر دو جزو انرژیهای تجدیدپذیر به شمار می‌روند. انرژی‌ زمین‌گرمایی نقش بسیار مهمی در تولید برق و تامین گرمایش منازل این كشور دارد. موقعیت كشور ایسلند به نحوی است كه در سرتاسر سال به سیستم‌های گرمایشی نیاز است. بنابراین انرژی زمین‌گرمایی، زندگی مردم در این جزیره سردسیر را بدون وابستگی به منابع سوخت‌های فسیلی امكان‌پذیر كرده است.

در گذشته، آبداغ مورد نیاز جهت گرمایش منازل شهر ریكیاویك توسط مخازن زمین‌گرمایی مجاور شهر تامین می‌شد ولی به دلیل توسعه شهر، مخازن فوق قادر به تامین گرمایش تمامی بخشهای شهر نبودند لذا به منظور افزایش ظرفیت سیستم گرمایش مركزی شهر از مخزن زمین گرمایی نسیاوتلیر كمك گرفته شد. البته مخزن مذكور ضمن تامین آبداغ مورد نیاز سیستم گرمایش شهر، ۶۰ مگاوات برق نیز تولید می‌كند..

● مخزن زمین‌گرمایی نسیاوتلیر

این مخزن در حاشیه شمالی كوه آتشفشان هنگیتل و در جنوب غرب ایسلند واقع شده است. در حقیقت مخزن زمین‌گرمایی نسیاوتلیر بخشی از منبع زمین‌گرمایی هنگیتل است كه در ۳۵ كیلومتری شرق ریكیاویك قرار دارد. آتشفشان هنگیتل همراه با زمین‌های اطرافش حدود ۵۰ كیلومتر مربع وسعت دارد. وجود چشمه‌های آبگرم فراوان كه اغلب آنها حدود ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت دارند نشان دهنده حضور یك مخزن زمین‌گرمایی حرارتی بالا در اعماق زمین هستند. از سوی دیگر، آتشفشان هنگیتل بسیار جوان بوده و حدود ۰۰۰/۳۰۰ سال قدمت دارد. البته آخرین فوران آتشفشانی آن حدود ۲۰۰۰ سال قبل رخ داده است. بدین ترتیب. سنگهای آتشفشانی جوان موجود در منطقه، منبع حرارت مخزن زمین‌گرمایی نسیاوتلیر به شمار می‌روند.

یكی از مهمترین اجزاء یك مخزن زمین‌گرمایی سیال (آبداغ یا بخار) مخزن است كه بایستی توسط مجراهای خاصی بدرون آن نفوذ كنند. میزان متوسط بارندگی سالیانه در منطقه نسیاوتلیر متجاوز از ۳۵۰۰ میلی‌متر در سال است كه رقم بسیار قابل توجهی است. گسلها و درز و شكافهای فراوان موجود در منطقه نیز مجراهای مناسبی را جهت نفوذ بارشهای جوی بدرون مخزن فراهم كرده‌اند.

با توجه به توضیحات فوق مشخص می‌شود كه شرایط یك مخزن زمین‌گرمایی حرارت بالا در منطقه نسیاوتلیر به خوبی فراهم شده است و نزدیكی به شهر ریكیاویك، پرجمعیت‌ترین شهر و مركز كشور، اهمیت این مخزن زمین‌گرمایی را به نحو چشمگیری افزایش داده است. بنابراین، مطالعات اكتشافی مخزن زمین‌گرمایی نسیاوتلیر از حدود ۳۵ سال قبل ‎‎آغاز شد و از آن زمان تاكنون، نقشه‌ها و گزارشهای فراوانی در خصوص مشخصات فیزیكی و شیمیایی آن تهیه شده است. این مطالعات شامل بررسیهای زمین‌شناسی، ژئوشیمیایی، ژئوفیزیكی و حفاری است.

تاكنون بیش از ۲۰ حلقه چاه درمنطقه حفر شده است كه عمق آن بین ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ متر است. محدوده میدان حفاری چاهها حدود ۵/۳ كیلومتر مربع وسعت دارد. طبق اطلاعات حاصل از چاهها، درجه حرارت مخزن حدود ۳۵۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد شده است. فشار مخزن بین ۲۰ تا ۱۲۰ بار (bar) اندازه‌گیری شده است كه به طور میانگین حدود ۶۰ بار در نظر گرفته می‌شود. در حال حاضر، مطالعات مهندسی مخزن در منطقه نسیاوتلیر در دست انجام است و محققان مربوطه جهت دستیابی به بخار بیشتر، حفر چاههای انحرافی به زیر آتشفشان هنگیتل را توصیه می‌‌كنند كه به احتمال بسیار زیاد در اینده نزدیك، چاههای اكتشافی جدیدی به همین منظور حفر خواهند شد.

تولید انرژی حرارتی از مخزن نسیاوتلیر از سال ۱۹۹۰ آغاز شد. در آنزمان میزان انرژی حرارتی تولید شده معادلMW ۱۰۰ بود كه توسط lit/s۶۰۰ آبداغ ۸۰ درجه سانتی‌گراد تامین شد. از انرژی حرارتی مذكور جهت تامین گرمایش منازل شهر ریكیاویك استفاده می‌شد.

در ابتدا هدف از احداث نیروگاه، تولید همزمان انرژی حرارتی برای سیستم گرمایش مركزی و برق برای شبكه سراسری بود. ولی در اوایل دهه ۹۰ نیاز چندانی به افزایش تولید برق در كشور احساس نمی‌شد. پس از نصب و راه‌اندازی تجهیزات مرحله اول نیروگاه، ظرفیت حرارتی آن نیز توأم با افزایش تقاضای سیستم گرمایش مركزی، افزایش یافت. در حقیقت در این نیروگاه، از آب خروجی از جدا‌كننده و مخازن تبخیر آنی به منظور گرمایش منازل مسكونی استفاده می‌شود. در سال ۱۹۸۶ بر پایه تمام اطلاعات به دست آمده از مطالعات اكتشافی مخزن زمین‌گرمایی نسیاوتلیر، مدل ریاضی مخزن تهیه شده بود كه بعداً به كمك اطلاعات حاصل از نیروگاه مجدداً مورد بررسی قرار گرفت. بدین ترتیب كه با اندازه‌گیری پیوسته میزان تولید بخار و آبداغ از نیروگاه می‌توان مدل ریاضی مذكور را به روز كرد. طبق مدل اولیه، ظرفیت حرارتی مخزن حدود MWt۳۰۰ محاسبه شده بود حال آنكه مدل به روز شده مخزن نشان می‌دهد كه ظرفیت حرارتی آن حدود ۳۰ درصد بیشتر از میزانی است كه طبق مدل اولیه برآورد شده بود.

در اواسط دهه ۹۰ به دلیل توسعه صنعتی كشور و افزایش تقاضای برق به ویژه جهت كارخانه تازه تاسیس تولید آلومینیوم، نیاز به احداث یك نیروگاه زمین‌گرمایی جدید احساس شد. از سوی دیگر، مصرف‌كنندگان سیستم گرمایش مركزی به نحو قابل ملاحظه‌ای كارایی تجهیزات و دستگاههای سیستم گرمایش را افزایش دادند. لذا بنا به دلایل فوق، آنزمان تغییر محسوسی در انرژی حرارتی مورد نیاز ایجاد نشد، البته بجز تقاضای منازل مسكونی جدیدی كه به سیستم توزیع آبداغ متصل می‌شدند.

بنابراین در استراتژی كاربرد انرژی زمین‌گرمایی تجدیدنظر شد. بدین ترتیب كه به تولید برق اهمیت بیشتری داده شد و تولید گرما از منبع زمین‌گرمایی به دلیل رشد كم تقاضا در سیستم گرمایش مركزی در درجه دوم اهمیت قرار گرفت. در دسامبر ۱۹۹۶، شركت اركویتاریكیاویكور تصمیم به ساخت مرحله سوم نیروگاه گرفت كه طی آن دو توربین هر یك به ظرف Mwe۳۰ به نیروگاه اضافه شدند و بخش حرارتی نیروگاه نیر متعاقب تغییر در طرح نیروگاه، تغییر داده شد.

● طرح كلی نیروگاه

پس از راه‌اندازی مرحله سوم نیروگاه، ظرفیت ان معادل Mwe۶۰ و MWt۱۵۰ شد. مخلوط بخار و آبداغ خروجی از چاههای زمین‌گرمایی در یك ایستگاه جدا‌كننده مركزی و در فشار مطلق ۱۲ بار، به دو فاز مجزای بخار و آبداغ تبدیل می‌شود. بخار توسط لوله به سمت نیروگاه هدایت می‌شود. البته قبل از ورود به توربین، رطوبت آن توسط تجهیزات مخصوصی جدا می‌شود. از بخار خروجی توربین‌ها جهت پیش‌گرم كردن آب سرد زیرزمینی استفاده می‌شود. حال آنكه آبداغ خروجی از جداكننده‌های بخار، آب پیش‌گرم شده خروجی از كندانسورها را تا درجه حرارت مورد نیاز سیستم گرمایش مركزی گرم می‌كند. از آنجایی كه آب سرد زیرزمینی از اكسیژن محلول اشباع شده است لذا اگر آن را گرم كنند خاصیت خورندگی پیدا می‌كند. بنابراین به منظور از بین بردن این خاصیت، آب گرم شده قبل از خروج از نیروگاه، هوازدایی می‌شود. هوازدایی با جوشاندن آب در خلاء و با تزریق حجم كمی از بخار زمین‌گرمایی كه خود حاوی گاز H۲S است صورت می‌گیرد..