به گزارش تسنیم، بهرهبرداری از نخستین نیروگاه زمینگرمایی ایران در مشگینشهر با ظرفیت 5 مگاوات، تنها یک خبر صرف درباره تولید برق نیست؛ این اتفاق، دروازهٔ تازهای به سوی دانش مهار گرمای باطن زمین برای ایرانیان گشوده است.
این پروژه 10 میلیون یورویی که روی مخزنی با پتانسیل 250 تا 400 مگاوات ساخته شده، در اصل یک آزمایشگاه بزرگ علمی است که چندین رشتهٔ مختلف را کنار هم نشانده است. برای درک شیرینی این دستاورد، بهتر است از دریچهٔ علم به آن نگاه کنیم:
موتور محرک؛ کوهی که انتهایش کوره است
همهٔ ما میدانیم که هرچه به مرکز زمین نزدیکتر شویم، گرما بیشتر میشود. اما برای اینکه این گرما به درد بخورد، طبیعت باید یک معجزهٔ سهگانه را کنار هم بچیند: اول یک کورهٔ آتشین (مثل تودهٔ ماگمای کمعمق)، دوم یک مخزن سنگی با خللوفرج که آب در آن راحت رفتوآمد کند و سوم یک درب قابلمه یا همان لایهٔ سنگی محکم که جلوی فرار بخار را بگیرد.
سبلان، این کوه آتشفشانی خاموش اما همچنان داغ، دقیقاً همین سه عنصر را دارد: در اعماق آن، یک کورهٔ طبیعی (محفظه ماگمایی) قرار دارد که آب زیرزمینی را به بخار فوقداغ تبدیل میکند. جالب است بدانید که مخزن این نیروگاه در منطقهٔ «دره موئیل» حدود 19 کیلومتر مربع مساحت دارد و دمای سیال داغ آنجا در لایههای عمیق به 260 تا 270 درجه سانتیگراد میرسد؛ یعنی آنقدر داغ که به راحتی میتواند توربینها را بچرخاند.
نقشهبرداری از اعماق؛ دیدنِ زمین بدون حفاری!
شاید جذابترین بخش این پروژه، ماجرای پیدا کردن همین مخزن باشد. دانشمندان برای اینکه سرسختانه شروع به حفاری نکنند، اول با یک ترفند هوشمندانه، از زیرپای خود «عکسبرداری» میکنند. آنها با دستگاههای بسیار حساسی، امواج مغناطیسی طبیعی زمین را اندازه گرفتند تا بفهمند هر لایهای در عمق، چقدر برقرسان است.
بر اساس یک قاعدهٔ جالب در علم زمین، وقتی آب داغ به سنگ میخورد و واکنش نشان میدهد، در دماهای معمولی (کمتر از 200 درجه) نوعی گلِ رس (مشابه خاکِ سفالگری) تولید میکند که برق را خیلی خوب هدایت میکند. اما در دماهای بالاتر از 200 درجه، این رس به کانیهای دیگری تبدیل میشود که برق را کمتر هدایت میکنند.
دانشمندان با همین روش فهمیدند که یک لایهٔ رسی عظیم به ضخامت 500 متر بالای سرِ مخزن داغ قرار دارد. این لایه دقیقاً همان «درب قابلمه» یا سنگ پوششی است که اجازه نمیدهد حرارت 260 درجهای فرار کند و آن را مانند یک زخمبسته، زیر زمین حبس کرده است. به این میگویند معماری هوشمندانهٔ طبیعت!
حفاری در دل آتشفشان؛ نبرد با سنگ و حرارت
وقتی دانشمندان مطمئن شدند که آن لایهٔ 500 متری رسی، یک مخزن غولپیکر از بخار را زیر خود پنهان کرده، نوبت به عملیات نفسگیر حفاری رسید. در مشگینشهر، چندین چاه عمیق (بعضی برای اکتشاف، بعضی برای تولید برق و بعضی برای برگرداندن دوبارهٔ آب به زمین) کنده شده که عمق برخی از آنها از 3000 متر هم فراتر رفته است.
شاید با خودتان بگویید «خب، حفاری که کار سادهای است!»؛ اما نه! حفاری در این منطقه، از حفر چاههای نفت و گاز هم سختتر است؛ چون سنگهای آتشفشانی سبلان فوقالعاده سفت و محکم هستند، انگار که بخواهید با مته، وسط یک تختهسنگِ گرانیتیِ داغداغ نفوذ کنید. از طرفی، دمای بالای 200 درجه در اعماق، باعث میشود که متهها به سرعت کُند شوند و گلحفاری (که برای خنککردن و روانسازی استفاده میشود) تجزیه شود. یعنی هر متر پایینرفتن، یک چالش تازه است.
قانون جالبِ جوشیدن در اعماق
اینجا یک نکتهٔ علمیِ شگفتانگیز وجود دارد: همهٔ ما عادت داریم که آب در 100 درجه میجوشد؛ اما این قاعده فقط در سطح زمین (فشار معمولی هوا) صادق است. در عمق 3000 متری، وزن سنگهای بالایی آنقدر به آب فشار میآورد که آب با وجود حرارت وحشتناک 220 تا 242 درجه، باز هم به حالت مایع باقی میماند؛ مثل یک زودپز که جلوی جوشیدن را میگیرد.
اما وقتی مهندسان این آب فوقداغ را از چاهها به سمت بالا پمپ میکنند، با نزدیک شدن به سطح، فشار کمکم پایین میآید. ناگهان، آن آبِ 240 درجهای که تا الان داشت خودش را کنترل میکرد، مثل یک نوشابه که درِ آن را باز کنید، ناگهان به جوش میآید و به بخار تبدیل میشود. به این پدیده، در علم «جوشش آنی» میگویند.
نتیجهٔ این اتفاق، یک مخلوط پرفشار از آب داغ و بخار غلیظ است که با سرعت وحشتناکی از دهانهٔ چاه به سمت بالا فوران میکند و آماده میشود تا توربین را به حرکت درآورد. درست مثل دیگ بخار یک لوکوموتیو قدیمی، اما با قدرت یک کوه آتشفشانی!
نیروگاه چطور کار میکند؟
رسیدیم به قلب تپندهٔ ماجرا؛ جایی که آن مخلوط آبداغ و بخار فورانکرده از چاه، تبدیل به برق قابل استفاده میشود. در دنیا، مهندسان برای این کار سه روش اصلی طراحی کردهاند که انتخاب هرکدام بستگی به نوع سیالی دارد که از زمین بیرون میآید:
روش اول: بخارِ خشک (ساده اما کمیاب)
تصور کنید از چاه، فقط بخار خشک و بدون یک قطره آب بیرون بیاید. این بخار مستقیماً به توربین میرود و آن را میچرخاند. این روش قدیمیترین و سادهترین است، اما مشکل اینجاست که چنین مخازنی در دنیا بسیار نادرند (مثل چندتا چشمهٔ معروف در کالیفرنیا). مخزن سبلان از این نوع نیست؛ پس این روش کنار گذاشته میشود.
روش دوم: جوشش آنی (فلش) - همان روشی که سبلان الان از آن استفاده میکند
این روش، رایجترین فناوری دنیاست و دقیقاً همان چیزی است که در نیروگاه 5 مگاواتی مشگینشهر به کار رفته است. وقتی آن مخلوط آب و بخار از چاه بیرون میآید، اول وارد یک دستگاهِ الکمانند به نام «جداکننده» میشود. این دستگاه، بخار را از آبِ داغ جدا میکند. بخار جداشده مستقیماً به سمت توربین میرود تا آن را بچرخاند و برق بسازد. اما آب داغی که باقی میماند، هنوز کلی حرارت دارد و اگر همینطور رها شود، انرژی زیادی هدر میرود.
دانشمندان محاسبه کردهاند که در همین روش ساده، حدود 41.4 درصد از کل انرژی قابل استفاده (یعنی تقریباً از هر 10 واحد انرژی، 4 واحد آن) فقط به خاطر گرمای هدررفتهٔ آب جدا شده، از دست میرود.
به همین دلیل، برای فازهای بعدی که میخواهند از ظرفیت 250 مگاواتی استفاده کنند، مهندسان یک نسخهٔ پیشرفتهتر طراحی کردهاند: جوشش آنی دو مرحلهای؛ یعنی آب داغ باقیمانده را دوباره به یک مخزن دیگر با فشار کمتر میفرستند تا باز هم بخشی از آن به بخار تبدیل شود و یک توربین دوم را به حرکت درآورد. اینطوری، انرژی کمتری هدر میرود.
روش سوم: چرخهٔ باینری (پیشرفتهترین گزینه برای آینده)
اما اگر آب خروجی از چاه، آنقدر داغ نباشد که خودش مستقیم بخار مفید بدهد، چه؟ در اینجا مهندسان یک ترفند هوشمندانه به کار میبرند: به جای اینکه خود آب داغ را به توربین بفرستند، آن را از درون یک مبدل حرارتی (مثل یک رادیاتور بزرگ) عبور میدهند تا گرمای خود را به یک مایع دیگر (مثلاً یک نوع گاز یا مایع شیمیایی با نقطهٔ جوشِ بسیار پایینتر از آب) منتقل کند.
این مایعِ دوم خیلی زودتر از آب به جوش میآید، بخار میشود و توربین را میچرخاند. بهترین مزیت این روش این است که آب زمینگرمایی هرگز با هوا تماس پیدا نمیکند و در یک مدار بسته، دوباره به اعماق زمین تزریق میشود. برای سبلان، پیشنهاد نهایی این است که روش «جوشش آنی» و «چرخهٔ باینری» را با هم ترکیب کنند تا هم از بخار اولیه و هم از گرمای باقیماندهٔ آب، حداکثر استفاده را ببرند.
4. نبرد با طبیعت؛ وقتی آب داغ، دشمن لولهها میشود
فرق بزرگ نیروگاه زمینگرمایی با یک نیروگاه معمولی، در نوع آبی است که استفاده میکند. در نیروگاههای عادی، آب تصفیهشده و خالص در لولهها میچرخد، اما در مشگینشهر، سیالی که از عمق 3000 متری بیرون میآید، یک «سوپ شور داغ» است. این آب پر است از املاح معدنی، نمکهای کلرید و سولفات، و حتی گازهایی مثل دیاکسیدکربن و سولفید هیدروژن. همین ترکیب شیمیایی پیچیده، دو تا دردسر بزرگ برای مهندسان درست کرده است.
دردسر اول: رسوب گرفتن لولهها (مثل جرم کتری، اما در دمای 180 درجه!)
حتماً تا حالا ته کتری یا داخل لولههای آب گرم خانهتان، یک لایهٔ سفیدِ آهکی (رسوب) دیدهاید. در چاههای سبلان، همین قضیه با قدرت بسیار بیشتری اتفاق میافتد. مهمترین رسوبی که لولهها را تهدید میکند، «کربنات کلسیم» یا همان سنگ آهک است.
اینجا یک نکتهٔ عجیب وجود دارد که شاید باورتان نشود: معمولاً با گرمتر شدن آب، مواد بیشتری در آن حل میشوند (مثل شکر که در چایِ داغ زودتر آب میشود). اما سنگ آهک برعکس عمل میکند! یعنی هرچه دما بالاتر برود، این سنگ آهک کمتر در آب حل میشود و ترجیح میدهد تهنشین شود. به این پدیده «حلالیت معکوس» میگویند.
حالا ماجرا را تصور کنید: در عمق زمین، این آب شور با دمای 230 درجه در حالت تعادل است و سنگ آهک در آن حل شده است اما وقتی این آب به سمت بالا میآید و فشار کم میشود، گازِ دیاکسیدکربن درونش مثل یک نوشابهٔ گازدار، از آب خارج میشود.
با خارج شدن این گاز، آب خاصیت اسیدی خود را از دست میدهد و سنگ آهک حلشده، ناگهان به صورت ذرات جامد درمیآید و شروع میکند به چسبیدن به دیوارهٔ لولهها. بیشترین حجم این رسوبگذاری، در دمای حدود 180 درجه رخ میدهد. اگر جلویش گرفته نشود، این رسوبات کمکم لوله را تنگ میکنند و جلوی جریان بخار را میگیرند.
برای مقابله با این معضل، مهندسان از دو روش استفاده میکنند: یکی روش مکانیکی (مثل فرستادن مته به داخل لوله برای خراشیدن رسوبات) و دیگری روش شیمیایی. در روش شیمیایی، آنها یک «مایع ضد رسوب» (مثل یک موادّ شویندهٔ بسیار قوی) از طریق یک لولهٔ بسیار باریک، دقیقاً به همان نقطهای از چاه تزریق میکنند که دمای آن به 180 درجه میرسد.
این ماده، جلوی چسبیدن ذرات سنگ آهک به دیواره را میگیرد و اجازه نمیدهد کریستالهای رسوبی تشکیل شوند. سختترین بخش کار این است که این مادهٔ ضد رسوب باید آنقدر مقاوم باشد که در گرمای بالای 200 درجه، خودش تجزیه نشود و از کار نیفتد.
دردسر دوم: خوردگی و زنگزدگی در دو خطِ جداگانه
اما قضیه فقط به رسوب گرفتن ختم نمیشود. خورندگی این سیالِ شور، یک تهدیدِ جدی دیگر است. جالب است بدانید که در نیروگاه، سیال به دو خطِ مجزا تقسیم میشود و هرکدام نوع خاصی از زنگزدگی را تجربه میکنند:
خط اول (خط بخار): در این مسیر که فقط بخار آب حرکت میکند، گاز دیاکسیدکربنِ همراه با بخار، با آب ترکیب میشود و یک اسید بسیار ضعیف میسازد. این اسید ضعیف، مثل یک خوردگی ملایم اما مداوم، به آرامی دیوارهٔ داخلی لوله را میخورد. هرچند ریسک آن در حد «متوسط» ارزیابی شده است، اما باز هم نیاز به مراقبت دائمی دارد.
خط دوم (خط آب شور): این یکی اما داستانش جدیتر است. اینجا آب شورِ جداشده از بخار، با غلظتِ بالایی از یونِ کلرید (همان نمکِ خورنده) در جریان است. این یونهای کلرید مثل یک سوزن بسیار ریز، به نقاط ضعیف سطح فولاد نفوذ میکنند و از داخل، حفرههای میکروسکوپی سوزنی روی لوله ایجاد میکنند که به مرور بزرگ میشوند.
این نوع خوردگی، «خوردگی حفرهای» نام دارد و ریسک آن در این خط، در سطح «زیاد» ارزیابی شده است. یعنی اگر از آلیاژهای معمولی استفاده شود، این آبِ شور خیلی زود لولهها را سوراخ میکند. به همین دلیل، مهندسان در این بخش ناچارند از فولادهای خاص و آلیاژهای بسیار مقاوم (که در برابر نمک و دما حساسیت کمتری دارند) استفاده کنند تا این «نبرد با طبیعت» را ببرند.
5. آیندهٔ این نیروگاه؛ از یک آزمایشگاه کوچک تا یک شهرِ پاک
نیروگاه 5 مگاواتی فعلی، فقط یک شروع است. هدف نهایی، رسیدن به ظرفیت 250 مگاوات است؛ رقمی که میتواند سهم قابلتوجهی در تأمین برق پاک کشور داشته باشد. اما برای رسیدن به آن، باید دانش فنی را کامل کنید. خوشبختانه شرکتهای بزرگ ایرانی مثل مپنا، در حال سازگار کردنِ توربینهای ساخت خود با این شرایط خاص زمینگرمایی هستند تا دیگر نیاز به خرید فناوری خارجی نباشد.
گرمای هدررفته را دور نریزیم!
یکی از هوشمندانهترین ایدههایی که دانشمندان برای آیندهٔ این نیروگاه دارند، چیزی به نام «استفادهٔ پلهپله» یا «آبشاری» از انرژی است. اگر بخواهیم ساده توضیح بدهیم: آب داغی که بعد از چرخاندن توربینها از نیروگاه خارج میشود، هنوز دمایی بین 70 تا 100 درجه دارد. این یعنی هنوز کلی گرما در آن هست که اگر همینطور به زمین برگردد، حیف میشود.
حالا تصور کنید این آب گرم باقیمانده، پیش از بازگشت به اعماق زمین، از لابهلای لولههایی عبور کند که زیر خیابانهای مشگینشهر کار گذاشته شدهاند تا خانهها را در زمستان گرم کنند. یا به گلخانههای بزرگ برود تا در دل سرمای اردبیل، خیار و گوجه پرورش دهد.
یا حتی به استخرهای پرورش ماهی برود تا دمای آب را برای ماهیها مناسب نگه دارد. این یعنی یک نیروگاه، فقط برقساز نیست؛ میتواند به قلبِ تپندهٔ یک منطقهٔ کشاورزی و صنعتی تبدیل شود. به این میگویند «بهرهوری حداکثری»؛ یعنی از یک واحد انرژی، چندین بار استفاده کنیم.
یک آزمایشگاهِ عظیم در دلِ کوه
شاید مهمترین دستاورد این نیروگاه، خودِ عدد 5 مگاوات نباشد، بلکه «آزمایشگاهِ زندهای» باشد که برای دانشمندان ایرانی ساخته است. زمینشناسان، مکانیکدانها، شیمیدانها و متالورژیستها الان یک سایت واقعی در اختیار دارند تا رفتار سیالات فوقداغ و خورنده را در عمل بررسی کنند.
آنها با درسگرفتن از همین پایلوت کوچک، میتوانند راهکارهای بهتری برای مخازن بزرگتر پیدا کنند و ایران را به یکی از قطبهای دانشِ زمینگرمایی در منطقه تبدیل کنند. این یعنی قدمی بلند به سمت آیندهای که در آن، بخشی از انرژی موردنیازمان را نه از سوختهای فسیلی آلاینده، بلکه از گرمای پاک و همیشگی درون زمین تأمین میکنیم.