Καλώς ήλθατε

Συνδεθείτε ή εγγραφείτε ως Μέλη, προκειμένου να σχολιάσετε αναρτημένα άρθρα, slides κλπ ή/και να διατυπώσετε τις δικές σας απόψεις για οποιοδήποτε θέμα τεχνικού ενδιαφέροντος.

Παρασκευή, 22 Οκτωβρίου 2021

Κείμενο της Διεθνούς Γεωθερμικής Ενωσης (International Geothermal Association, IGA).

Συντάκτες : Mary H. Dickson και Mario Fanelli, Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR, Pisa, Italy

Απόδοση στην Ελληνική : Μιχ. Φυτίκας και Μαρία Παπαχρήστου, ΑΠΘ / Τμήμα Γεωλογίας

Τι είναι η γεωθερµική ενέργεια Συντάκτες :Mary H. Dickson και Mario Fanelli, Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR, Pisa, ItalyΜετάφραση :Μιχάλης Φυτίκας και Μαρία Παπαχρήστου, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης /Τµήµα ΓεωλογίαςΕΙΣΑΓΩΓΗ H θερµότητα είναι µια µορφή ενέργειας και η γεωθερµική ενέργεια είναι η θερµότητα που περιέχεται στο εσωτερικό της γης, η οποία προκαλεί τη δηµιουργία διαφόρων γεωλογικών φαινοµένων σε παγκόσµια κλίµακα. Συνήθως όµως, ο όρος «γεωθερµική ενέργεια» χρησιµοποιείται σήµερα για να δηλώσει εκείνο το τµήµα της γήινης θερµότητας που µπορεί να ανακτηθεί και να αξιοποιηθεί από τον άνθρωπο, και µε την έννοια αυτή θα χρησιµοποιήσουµε τον όρο από τώρα και στο εξής.Σύντοµο ιστορικό της γεωθερµίας Η παρουσία ηφαιστείων, θερµών πηγών και άλλων επιφανειακών εκδηλώσεων θερµότητας είναι αυτή που οδήγησε τους προγόνους µας στο συµπέρασµα ότι το εσωτερικό της γης είναι ζεστό. ου ου Όµως, µόνο κατά την περίοδο µεταξύ του 16 και 17 αιώνα, όταν δηλαδή κατασκευάστηκαν τα πρώτα µεταλλεία που ανορύχθηκαν σε βάθος µερικών εκατοντάδων µέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, οι άνθρωποι, µε τη βοήθεια κάποιων απλών φυσικών παρατηρήσεων, κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι η θερµοκρασία της γης αυξάνεται µε το βάθος. Οι πρώτες µετρήσεις µε θερµόµετρο έγιναν κατά πάσα πιθανότητα το 1740, σε ένα ορυχείο κοντά στο Belfort της Γαλλίας (Bullard, 1965). Ήδη από το 1870, για τη µελέτη της θερµικής κατάστασης του εσωτερικού της γης χρησιµοποιούνταν κάποιες προχωρηµένες για την εποχή επιστηµονικές µέθοδοι, ενώ η θερµική κατάσταση που διέπει τη γη, η θερµική ισορροπία και εξέλιξή της ο κατανοήθηκαν καλύτερα τον 20 αιώνα, µε την ανακάλυψη του ρόλου της «ραδιενεργής θερµότητας». Πράγµατι, σε όλα τα σύγχρονα πρότυπα (µοντέλα) της θερµικής κατάστασης του εσωτερικού της γης πρέπει να συµπεριλαµβάνεται η θερµότητα που συνεχώς παράγεται από τη 238 235 διάσπαση των µακράς διάρκειας ζωής ραδιενεργών ισοτόπων του ουρανίου (U , U ), του 232 40 θορίου (Th ) και του καλίου (Κ ), τα οποία βρίσκονται στο εσωτερικό της γης (Lubimova, 1968). Εκτός από τη ραδιενεργό θερµότητα, δρουν αθροιστικά, σε απροσδιόριστες όµως ποσότητες, και άλλες δυνητικές πηγές θερµότητας, όπως είναι η «αρχέγονη ενέργεια» από την εποχή δηµιουργίας και µεγέθυνσης του πλανήτη. Μέχρι τη δεκαετία του 1980 τα µοντέλα αυτά δεν βασίζονταν σε κάποιες ρεαλιστικές θεωρίες. Τότε όµως αποδείχθηκε ότι αφενός δεν υπάρχει ισοζύγιο µεταξύ της ραδιενεργής θερµότητας που δηµιουργείται στο εσωτερικό της γης και της θερµότητας που διαφεύγει από τη γη προς στο διάστηµα, και αφετέρου ότι ο πλανήτης µας ψύχεται µε αργό ρυθµό και στο εσωτερικό του. Ως µια γενική ιδέα της φύσης και της κλίµακας του εµπλεκόµενου φαινοµένου, µπορεί να αναφερθεί η λεγόµενη «θερµική ισορροπία», όπως διατυπώθηκε από τους Stacey and Loper (1988). Σύµφωνα µε αυτήν, η ολική ροή θερµότητας από τη γη (αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία) 12 12 εκτιµάται ότι ανέρχεται στα 42x10 W. Από αυτά, 8x10 W προέρχονται από το φλοιό, που αντιπροσωπεύει µόνο το 2% του συνολικού όγκου της γης αλλά είναι πλούσιος σε ραδιενεργά 12 ισότοπα, 32,3x10 W προέρχονται από το µανδύα, ο οποίος αντιπροσωπεύει το 82% του 12 συνολικού όγκου της γης, και 1,7x10 W προέρχονται από τον πυρήνα, ο οποίος αντιπροσωπεύει το 16% του συνολικού όγκου της γης και δεν περιέχει ραδιενεργά ισότοπα (βλέπε Σχήµα 1, ένα σχήµα της εσωτερικής δοµής της γης).1 / 36 12Αφού η ραδιενεργή θερµότητα του µανδύα εκτιµάται σε 22x10 W, η µείωση της θερµότητας στο 12 συγκεκριµένο τµήµα της γης είναι 10,3x10 W. Σύµφωνα µε πιο πρόσφατες εκτιµήσεις και υπολογισµούς, που βασίζονται σε µεγαλύτερο αριθµό δεδοµένων, η ολική θερµική ροή της γης είναι περίπου 6% υψηλότερη από τις τιµές που χρησιµοποίησαν οι Stacey and Loper το 1988. Ούτως ή άλλως όµως, η διαδικασία ψύξης παραµένει αργή. Η θερµοκρασία του µανδύα δεν έχει µειωθεί περισσότερο από 300-350 ºC τα τελευταία 3 δισεκατοµµύρια χρόνια, παραµένοντας περίπου στους 4000 ºC στη βάση του. Έχει υπολογιστεί ότι το συνολικό θερµικό περιεχόµενο της 24 γης (για θερµοκρασίες πάνω από τη µέση επιφανειακή των 1 5ºC) είναι της τάξης των 12,6x10 MJ 21 και του φλοιού 5,4x10 MJ (Armstead, 1983). Όπως λοιπόν προκύπτει από τα παραπάνω, η θερµική ενέργεια της γης είναι απέραντη, όµως µόνο τµήµα αυτής µπορεί να χρησιµοποιηθεί τελικά από τον άνθρωπο. Μέχρι σήµερα η εκµετάλλευση της γεωθερµικής ενέργειας έχει περιοριστεί σε περιοχές όπου οι γεωλογικές συνθήκες επιτρέπουν σε ένα µέσο (νερό σε υγρή ή αέρια φάση) να «µεταφέρει» τη θερµότητα από τις βαθιές θερµές ζώνες στην επιφάνεια ή κοντά σε αυτήν. Με τον τρόπο αυτό δηµιουργούνται οι γεωθερµικοί πόροι (geothermal resources). Πιθανώς, στο άµεσο µέλλον, νέες πρωτοποριακές τεχνικές θα µας προσφέρουν καινούργιες προοπτικές στον τοµέα αυτόν.Σχήµα 1:Ο Φλοιός, ο Μανδύας και ο Πυρήνας της γης. Πάνω δεξιά: τοµή του φλοιού και του ανώτερου µανδύαΣε πολλούς τοµείς της ανθρώπινης ζωής οι πρακτικές εφαρµογές προηγούνται της επιστηµονικής έρευνας και της τεχνολογικής ανάπτυξης. Η γεωθερµία αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγµα του φαινοµένου αυτού.2 / 36 Αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχόµενου των γεωθερµικών ρευστών γινόταν ήδη από τις αρχές ου του 19 αιώνα. Εκείνη την περίοδο, στην Τοσκάνη της Ιταλίας, και συγκεκριµένα στην περιοχή του Larderello, λειτουργούσε µια χηµική βιοµηχανία για την παραγωγή βορικού οξέος από τα βοριούχα θερµά νερά που ανέβλυζαν από φυσικές πηγές ή αντλούνταν από ρηχές γεωτρήσεις. Η παραγωγή του βορικού οξέος γινόταν µε εξάτµιση των βοριούχων νερών µέσα σε σιδερένιους «λέβητες», χρησιµοποιώντας ως καύσιµη ύλη ξύλα από τα κοντινά δάση. Το 1827, ο Francesco Larderel, ιδρυτής της βιοµηχανίας αυτής, αντί να καίγονται ξύλα από τα διαρκώς αποψιλούµενα δάση της περιοχής. ανέπτυξε ένα σύστηµα για τη χρήση της θερµότητας των βοριούχων ρευστών στη διαδικασία εξάτµισης (Σχήµα 2).Σχήµα 2:Η καλυµµένη «λιµνούλα» (covered lagoon), που χρησιµοποιούνταν ου κατά το πρώτο µισό του 19 αιώνα στην περιοχή του Larderello, για τη συλλογή των βοριούχων υδάτων και την παραγωγή βορικού οξέος.Η εκµετάλλευση της µηχανικής ενέργειας του φυσικού ατµού ξεκίνησε περίπου την ίδια περίοδο. Ο γεωθερµικός ατµός χρησιµοποιήθηκε για την ανέλκυση των ρευστών, αρχικά µε κάποιους πρωτόγονους αέριους ανυψωτήρες και στη συνέχεια µε παλινδροµικές και φυγοκεντρικές αντλίες και βαρούλκα. Ανάµεσα στο 1850 και 1875, οι εγκαταστάσεις του Larderello κατείχαν το µονοπώλιο παραγωγής βορικού οξέος στην Ευρώπη. Μεταξύ του 1910 και του 1940, στην περιοχή αυτή της Τοσκάνης ο χαµηλής πίεσης ατµός άρχισε να χρησιµοποιείται για τη θέρµανση βιοµηχανικών κτιρίων, κατοικιών και θερµοκηπίων. Εν τω µεταξύ, ολοένα και περισσότερες χώρες άρχισαν να αναπτύσσουν τους γεωθερµικούς τους πόρους σε βιοµηχανική κλίµακα. Το 1892, το πρώτο γεωθερµικό σύστηµα τηλε-θέρµανσης (district heating) τέθηκε σε λειτουργία στο Boise του Άινταχο των Η.Π.Α.. Το 1928, µια άλλη πρωτοπόρος χώρα στην εκµετάλλευση της γεωθερµικής ενέργειας, η Ισλανδία, ξεκίνησε επίσης την εκµετάλλευση των γεωθερµικών ρευστών (κυρίως θερµών νερών) για τη θέρµανση κατοικιών. Το 1904, έγινε η πρώτη απόπειρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερµικό ατµό, και πάλι στο Larderello της Ιταλίας (Σχήµα 3).Σχήµα 3:Η µηχανή που χρησιµοποιήθηκε στο Larderello το 1904 κατά την πρώτη πειραµατική απόπειρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερµικό ατµό. ∆ιακρίνεται επίσης ο εφευρέτης της, πρίγκηπας Piero Ginori Conti.3 / 36 Η επιτυχία της αυτής πειραµατικής προσπάθειας έδωσε µια ξεκάθαρη ένδειξη για τη βιοµηχανική αξία της γεωθερµικής ενέργειας και σηµατοδότησε την έναρξη µιας µορφής εκµετάλλευσης, που επρόκειτο έκτοτε να αναπτυχθεί σηµαντικά. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο Larderello αποτέλεσε πράγµατι µια εµπορική επιτυχία. Το 1942, η εγκατεστηµένη γεωθερµο-ηλεκτρική ισχύς ανερχόταν στα 127.650 kWe. Σύντοµα, πολλές χώρες ακολούθησαν το παράδειγµα της Ιταλίας. Το 1919 κατασκευάστηκαν οι πρώτες γεωθερµικές γεωτρήσεις στο Beppu της Ιαπωνίας, ενώ το 1921 ακολούθησαν εκείνες στο The Geysers της Καλιφόρνιας των ΗΠΑ. Το 1958 ένα µικρό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τέθηκε σε λειτουργία στη Νέα Ζηλανδία, ένα άλλο στο Μεξικό το 1959, στις ΗΠΑ το 1960 και ακολούθησαν πολλά άλλα σε διάφορες χώρες.Σηµερινό καθεστώς χρήσης της γεωθερµίας οΜετά το 2 Παγκόσµιο Πόλεµο, η αξιοποίηση της γεωθερµικής ενέργειας έγινε ελκυστική σε πολλές χώρες, επειδή ήταν ανταγωνιστική ως προς άλλες µορφές ενέργειας. Επιπλέον, η ενέργεια αυτή δε χρειαζόταν να εισαχθεί από άλλες χώρες, όπως συµβαίνει µε τα ορυκτά καύσιµα ενώ σε πολλές περιπτώσεις αποτελούσε τον µοναδικό διαθέσιµο εγχώριο ενεργειακό πόρο. Στον Πίνακα 1 αναφέρονται οι χώρες που χρησιµοποιούν τη γεωθερµική ενέργεια για παραγωγή ηλεκτρισµού, καθώς και η εγκατεστηµένη γεωθερµική ηλεκτρική ισχύς: 1995 (6.833 MWe), 2000 (7.974 MWe) και η αύξηση µεταξύ των ετών 1995-2000 (Huttrer, 2001). Στον ίδιο Πίνακα φαίνεται επίσης η συνολική εγκατεστηµένη ισχύς στις αρχές του 2003 (9.028 MWe). Η εγκατεστηµένη γεωθερµική ηλεκτρική ισχύς στις αναπτυσσόµενες χώρες το 1995 και το 2000 αντιπροσωπεύει αντίστοιχα το 38% και το 47% της συνολικής εγκατεστηµένης ισχύος παγκοσµίως. Πίνακας 1. Εγκατεστηµένη θερµική ισχύς σε παγκόσµια κλίµακα, από το 1995 έως το 2000 (Huttrer, 2001) και στις αρχές του 2003. 1995 (MW e)2000 (MW e)1995-2000 (increase in MW e )% increase (1995-2000)2003 (MW e)Argentina0.67----Australia0.150.15--0.15Austria----1.25China28.7829.170.391.3528.18Costa Rica55142.587.5159162.5El Salvador1051615653.3161Ethiopia-77-7France4.24.2--15Germany----0.23Guatemala-33.433.4-2950170120240200Indonesia309.75589.5279.7590.3807Italy631.7785153.324.3790.5Japan413.7546.9133.232.2560.9Kenya4545--121Mexico75375520.3953New Zealand28643715152.8421.3Nicaragua7070--77.5----61227190968255.81931Portugal5161122016Russia11231210973CountryIcelandPapua New Guinea Philippines4 / 36 Country1995 (MW e)2000 (MW e)1995-2000 (increase in MW e )% increase (1995-2000)2003 (MW e)Thailand0.30.3--0.3Turkey20.420.4--20.4USA2816.72228--2020Total6833.357972.51728.5416.78402.21Η χρησιµοποίηση της γεωθερµικής ενέργειας στις αναπτυσσόµενες χώρες παρουσιάζει ενδιαφέρουσες τάσεις µε το χρόνο. Μεταξύ των ετών 1975 και 1979 η εγκατεστηµένη γεωθερµική ηλεκτρική ισχύς σ’αυτές τις χώρες αυξήθηκε από 75 σε 462 MWe. Στο τέλος της επόµενης πενταετίας (1984) έφτασε στα 1.495 MWe, παρουσιάζοντας ένα ρυθµό αύξησης κατά τη διάρκεια των δύο αυτών περιόδων 500% και 223% αντίστοιχα (Dickson and Fanelli, 1988). Στα επόµενα 16 χρόνια, από το 1984 έως το 2000, υπήρξε µια περαιτέρω αύξηση της τάξης του 150%. Η γεωθερµική ενέργεια συµµετέχει σηµαντικά στο ενεργειακό ισοζύγιο αρκετών περιοχών. Για παράδειγµα, το 2001 η ηλεκτρική ενέργεια που παράχθηκε από γεωθερµικούς πόρους αντιπροσώπευε το 27% της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας στις Φιλιππίνες, το 12,4 % στην Κένυα, το 11,4% στην Κόστα Ρίκα και το 4,3% στο Ελ Σαλβαδόρ. Όσον αφορά τις µη-ηλεκτρικές ή άµεσες εφαρµογές της γεωθερµικής ενέργειας, ο Πίνακας 2 δίνει την εγκατεστηµένη ισχύ (15.145 MW t) και την ενεργειακή παραγωγή και χρήση (190.699 ΤJ) σε παγκόσµια κλίµακα για το έτος 2000. Κατά τη διάρκεια του έτους αυτού, άµεσες χρήσεις (direct uses) της γεωθερµίας καταγράφηκαν σε 58 χώρες, σε σύγκριση µε τις 28 το 1995 και τις 24 το 1985. Ο αριθµός των χωρών αυτών είναι πολύ πιθανόν να έχει αυξηθεί από το 2000, όπως φυσικά και το ύψος της εγκατεστηµένης ισχύος και της ενεργειακής χρήσης. Η πιο συνηθισµένη µη-ηλεκτρική χρήση της γεωθερµίας παγκόσµια είναι οι αντλίες θερµότητας (heat-pumps) (34,80%) και ακολουθούν η λουτροθεραπεία (26,2%), η θέρµανση χώρων (21,62%), η θέρµανση θερµοκηπίων (8,22%), οι υδατοκαλλιέργειες (3.93%) και οι βιοµηχανικές χρήσεις (3,13%) (Lund and Freeston, 2001). Πίνακας 2. Μη-ηλεκτρικές χρήσεις της ηλεκτρικής ενέργειας ανά τον κόσµο (2000): εγκατεστηµένη ισχύς (σε MWt) και ενεργειακή χρήση (σε ΤJ/έτος) - (Lund and Freeston, 2001). CountryPower (MWt)Energy (TJ/yr)Algeria1001586Argentina25.7449Armenia1.015Australia34.4351Austria255.31609Belgium3.9107Bulgaria107.21637Canada377.61023Caribbean Islands0.11Chile0.47China2282.037 908Colombia13.3266Croatia113.9555Czech Republic12.5128Denmark7.475Egypt1.0155 / 36 CountryPower (MWt)Energy (TJ/yr)Finland80.5484France326.04895Georgia250.06307Germany397.01568Greece57.1385Guatemala4.2117Honduras0.717Hungary472.74086Iceland1469.020170India80.02517Indonesia2.343Israel63.31713Italy325.83774Japan1167.026933Jordan153.31540Kenya1.310Korea35.8753Lithuania21.0599Macedonia81.2510Mexico164.23919Nepal1.122Netherlands10.857New Zealand307.97081Norway6.032Peru2.449Philippines1.025Poland68.5275Portugal5.535Romania152.42871Russia308.26144Serbia80.02375Slovak Republic132.32118Slovenia42.0705Sweden377.04128Switzerland547.32386Thailand0.715Tunisia23.1201Turkey820.0157562.921*3766.020302Venezuela0.714Yemen1.01515145.0190699United Kingdom USATotal6 / 36 Η ΦΥΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Η θερµική µηχανή της γης Η γεωθερµική βαθµίδα ορίζεται ως ο ρυθµός αύξησης της θερµοκρασίας της γης σε συνάρτηση µε το βάθος, µέσα στο γήινο φλοιό. Σε βάθη που είναι προσβάσιµα µε τις σύγχρονες γεωτρητικές µεθόδους, δηλαδή µέχρι τα 10.000 m, η µέση γεωθερµική βαθµίδα κυµαίνεται περίπου στους 2,5-3 ºC/100 m. Για παράδειγµα, εάν η θερµοκρασία στα πρώτα µέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους ανταποκρίνεται κατά µέσο όρο στη µέση ετήσια θερµοκρασία του ατµοσφαιρικού αέρα, δηλ. στους 15 ºC, τότε µπορούµε να υποθέσουµε ότι η θερµοκρασία στο βάθος των 2000 m θα είναι περίπου 65-75 ºC, στα 3000 m 90-105 ºC, κ.ο.κ. για µερικά ακόµα χιλιάδες µέτρα. Παρόλα αυτά, υπάρχουν πολλές περιοχές στις οποίες η γεωθερµική βαθµίδα αποκλίνει πολύ από τη µέση τιµή. Εκεί όπου το γεωλογικό υπόβαθρο έχει υποστεί πολύ γρήγορη βύθιση και η λεκάνη έχει πληρωθεί µε γεωλογικά «πολύ νέα» ιζήµατα, η γεωθερµική βαθµίδα µπορεί να είναι µικρότερη και από 1 ºC/100 m. Αντίθετα, σε µερικές «γεωθερµικές» καλούµενες περιοχές, η τιµή της γεωθερµικής βαθµίδας µπορεί να είναι και δεκαπλάσια της µέσης γήινης. Λόγω της θερµοκρασιακής διαφοράς ανάµεσα στα διάφορα στρώµατα, προκαλείται ροή θερµότητας από τις βαθιές και θερµές ζώνες του υπεδάφους προς τις ρηχές και ψυχρότερες, τείνοντας έτσι στη δηµιουργία οµοιόµορφων συνθηκών. Στην πραγµατικότητα όµως, όπως πολύ συχνά συµβαίνει στη φύση, κάτι τέτοιο ουδέποτε επιτυγχάνεται πλήρως. Η µέση γήινη ροή 2 θερµότητας στις ηπείρους και τους ωκεανούς είναι 65 και 101 mW/m αντίστοιχα, οι οποίες, υπολογίζοντας την έκταση των περιοχών, δίνουν ένα παγκόσµιο µέσο όρο της τάξης των 87 2 mW/m (Pollack et al., 1993). Οι τιµές αυτές προέκυψαν µετά από 24.774 µετρήσεις σε 20.201 θέσεις, που καλύπτουν το 62% περίπου της γήινης επιφάνειας. Υπάρχουν βέβαια και κάποιοι εµπειρικοί υπολογισµοί που αναφέρονται σε γεωλογικές χαρτογραφικές µονάδες και επιτρέπουν την εκτίµηση της θερµικής ροής χωρίς να προηγηθούν µετρήσεις. Η ανάλυση της θερµικής ροής από τους Pollack et al. (1993) είναι η πιο πρόσφατη και η µόνη σε έντυπη µορφή. Το Πανεπιστήµιο της Βόρ. Ντακότα, επιτρέπει σήµερα την πρόσβαση µέσω του ∆ιαδικτύου σε µια ανανεωµένη βάση δεδοµένων θερµικής ροής, που περιλαµβάνει στοιχεία τόσο από ωκεάνιες όσο και από ηπειρωτικές περιοχές. Η θερµοκρασία αυξάνεται µε το βάθος, και τα ηφαίστεια, οι θερµοπίδακες (geysers), οι θερµές πηγές κλπ, αποτελούν κατά µία έννοια την ορατή εκδήλωση της θερµότητας του εσωτερικού της γης. Η θερµότητα αυτή όµως προκαλεί και τη δηµιουργία άλλων φαινοµένων, που είναι λιγότερο διακριτά από τον άνθρωπο, τέτοιου µεγέθους όµως ώστε η ύπαρξή τους να οδηγεί στην παροµοίωση της γης µε µια τεράστια «θερµική µηχανή». Τα φαινόµενα αυτά αναφέρονται συνοπτικά στη «θεωρία των τεκτονικών πλακών». Στη συνέχεια θα προσπαθήσουµε να τα περιγράψουµε µε απλό τρόπο και να αναλύσουµε τη σχέση τους µε τους γεωθερµικούς πόρους. Ο πλανήτης µας αποτελείται από το φλοιό, το πάχος του οποίου κυµαίνεται από 20-65 km περίπου στις ηπειρωτικές περιοχές και 5-6 km στις ωκεάνιες, από το µανδύα, το πάχος του οποίου είναι κατά προσέγγιση 2.900 km και τον πυρήνα µε ακτίνα περίπου 3.470 km (Σχήµα 1). Τα φυσικοχηµικά χαρακτηριστικά του φλοιού, του µανδύα και του πυρήνα διαφέρουν από την επιφάνεια προς το κέντρο της γης. Το εξωτερικό στερεό περίβληµα της γης, γνωστό ως λιθόσφαιρα, αποτελείται από το φλοιό και το ανώτερο τµήµα του µανδύα. Έχοντας µεταβαλλόµενο πάχος, από λιγότερο των 80 km στις ωκεάνιες ζώνες µέχρι πάνω από 200 km στις ηπειρωτικές, η λιθόσφαιρα συµπεριφέρεται σαν ένα συµπαγές σώµα. Κάτω από τη λιθόσφαιρα βρίσκεται η ζώνη που ονοµάζεται ασθενόσφαιρα, πάχους 200-300 km και µε µια λιγότερο «συµπαγή» και περισσότερο «πλαστική» συµπεριφορά. Με άλλα λόγια, στη γεωλογική κλίµακα, όπου ο χρόνος µετριέται σε εκατοµµύρια χρόνια, αυτό το τµήµα της γης συµπεριφέρεται πιο κοντά µε ένα ρευστό σε κάποιες διαδικασίες. Εξαιτίας της διαφοράς θερµοκρασίας ανάµεσα στα διάφορα τµήµατα της ασθενόσφαιρας, δηµιουργήθηκαν πριν από µερικές δεκάδες εκατοµµύρια έτη µεταφορικές (συναγωγικές) κινήσεις µεταξύ της στερεάς βάσης αυτού του στρώµατος και της βάσης του φλοιού και πιθανώς κάποιοι συναγωγικοί θύλακες.7 / 36 Οι κινήσεις αυτές θεωρούνται τα βασικά αίτια µετατόπισης των λιθοσφαιρικών πλακών. Είναι εξαιρετικά αργές (λίγα εκατοστά/έτος), παρόλα αυτά σταθερές, λόγω της συνεχούς παραγωγής θερµότητας από τη διάσπαση των ραδιενεργών στοιχείων και της προσφοράς θερµότητας από τα µεγαλύτερα βάθη της γης. Λόγω των κινήσεων αυτών, τεράστιοι όγκοι βαθύτερων και θερµών λιωµένων πετρωµάτων, µε µικρότερη πυκνότητα και συνεπώς µικρότερο βάρος, ανέρχονται προς την επιφάνεια, ενώ ψυχρότερα και βαρύτερα πετρώµατα, που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια, βυθίζονται, αναθερµαίνονται και ανεβαίνουν πάλι στην επιφάνεια. Στις ζώνες µικρού λιθοσφαιρικού πάχους, και κυρίως στις ωκεάνιες περιοχές, η λιθόσφαιρα ωθείται προς τα πάνω και στη συνέχεια κατακερµατίζεται εξαιτίας της ανόδου των θερµών, και εν µέρει λιωµένων υλικών της ασθενόσφαιρας, εκεί όπου σχηµατίζεται ο ανερχόµενος κλάδος των συναγωγικών θαλάµων. Αυτός ακριβώς είναι ο µηχανισµός που δηµιούργησε και συνεχίζει να δηµιουργεί τις «εκτεινόµενες ράχες (spreading ridges)», οι οποίες εκτείνονται σε µήκος µεγαλύτερο των 60 km κάτω από τους ωκεανούς. Οι ράχεις αυτές σε κάποιες περιοχές, όπως στις Αζόρες και την Ισλανδία, αναδύονται πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, ενώ σε άλλες, όπως στην Ερυθρά Θάλασσα, αναδύονται ανάµεσα στις ηπείρους. Ένα σχετικά µικρό ποσοστό αυτών των ασθενοσφαιρικών λιωµένων υλικών αναδύονται στην επιφάνεια της γης µέσω των κορυφογραµµών των υποθαλάσσιων οροσειρών (ράχεων) και, ερχόµενα σε επαφή µε το θαλασσινό νερό, ψύχονται, στερεοποιούνται και σχηµατίζουν µε τον τρόπο αυτό νέο ωκεάνιο φλοιό. Το µεγαλύτερο όµως µέρος του ασθενοσφαιρικού αυτού υλικού χωρίζεται σε δύο κλάδους, οι οποίοι κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις κάτω από τη λιθόσφαιρα, στη θέση ακριβώς των «µεσο-ωκεάνιων ράχεων». Η συνεχής δηµιουργία νέου φλοιού και η απόκλιση του ωκεάνιου πυθµένα µε ένα ρυθµό της τάξης των λίγων εκατοστών ανά έτος, προκαλεί συνεχή αύξηση της ωκεάνιας λιθόσφαιρας. Σε άλλα σηµεία της λιθόσφαιρας σχηµατίζονται τεράστιες κατακόρυφες διαρρήξεις, εκατέρωθεν των οποίων παρατηρείται οριζόντια µετακίνηση των λιθοσφαιρικών πλακών. Οι διαρρήξεις αυτές µπορούν να φτάσουν σε µήκος µερικών χιλιάδων χιλιοµέτρων και ονοµάζονται «ρήγµατα µετασχηµατισµού». Τα φαινόµενα αυτά οδηγούν σε µια εύστοχη παρατήρηση: αφού τελικά η συνολική επιφάνεια των λιθοσφαιρικών πλακών παραµένει περίπου σταθερή στο χρόνο, η συνεχής δηµιουργία νέου φλοιού στις µεσωκεάνιες ράχεις και το άνοιγµα των ωκεάνιων τµηµάτων θα πρέπει να εξισορροπείται κατά κάποιον τρόπο από συρρίκνωση (καταστροφή) της λιθόσφαιρας σε άλλα σηµεία της γης. Αυτό ακριβώς συµβαίνει στις λεγόµενες «ζώνες καταβύθισης», οι µεγαλύτερες από τις οποίες καταδικνύονται από τις τεράστιες ωκεάνιες τάφρους, όπως αυτές π.χ. που εκτείνονται κατά µήκος των δυτικών ορίων του Ειρηνικού Ωκεανού και των δυτικών ακτών της Νότιας Αµερικής. Στις ζώνες καταβύθισης η λιθόσφαιρα κάµπτεται και βυθίζεται κάτω από την παρακείµενη λιθόσφαιρα και φθάνει µέσα στις πολύ θερµές και βαθιές ζώνες της, όπου αφοµοιώνεται από το µανδύα και ο κύκλος επαναλαµβάνεται. Μέρος του υλικού της λιθόσφαιρας επανατήκεται και ανεβαίνει πάλι προς την επιφάνεια µέσω των ρηγµάτων του φλοιού. Συνέπεια αυτών των φαινοµένων είναι η δηµιουργία «µαγµατικών τόξων» µε πολλά ηφαίστεια που εντοπίζονται παράλληλα προς τις τάφρους, στην αντίθετη πλευρά των οροσειρών. Όταν οι τάφροι βρίσκονται κατά µήκος των ηπειρωτικών περιθωρίων, τότε τα τόξα αποτελούνται από αλυσίδες οροσειρών µε πολλά ηφαίστεια, όπως είναι οι Άνδεις. Όταν οι τάφροι εντοπίζονται σε ωκεάνιες περιοχές, όπως στον Ειρηνικό ωκεανό, τα µαγµατικά τόξα αποτελούνται από πολλά ηφαιστειακά νησιά (π.χ. Ιαπωνία, Φιλιππίνες κλπ.). Στο Σχήµα 4 περιγράφονται ακριβώς αυτά τα φαινόµενα.Σχήµα 4: Σχηµατική τοµή που δείχνει τις διεργασίες που λαµβάνουν χώρα στις τεκτονικές πλάκες.8 / 36 Οι µεσωκεάνιες ράχες, τα ρήγµατα µετασχηµατισµού και οι ζώνες καταβύθισης σχηµατίζουν ένα εκτεταµένο δίκτυο που χωρίζει την επιφάνεια της γης σε έξι τεράστιες και πολλές άλλες µικρότερες λιθοσφαιρικές περιοχές ή καλύτερα πλάκες (Σχήµα 5). Εξαιτίας των τεράστιων τάσεων που προκαλούνται από τη γήινη θερµική µηχανή και την ασυµµετρία των ζωνών που δηµιουργούν και καταστρέφουν λιθοσφαιρικό υλικό, οι πλάκες αυτές κινούνται αργά η µία προς την άλλη, αλλάζοντας συνεχώς τη σχετική τους θέση. Τα όρια των πλακών αντιστοιχούν σε πολύ διαρρηγµένες ζώνες του φλοιού, που χαρακτηρίζονται από έντονη σεισµικότητα, µεγάλο αριθµό ηφαιστείων και, λόγω της ανόδου πολύ θερµών υλικών προς την επιφάνεια, από υψηλή γήινη θερµική ροή. Όπως φαίνεται στο Σχήµα 5, οι πιο σηµαντικές γεωθερµικές περιοχές εντοπίζονται κοντά στα όρια των πλακών.Σχήµα 5:Τεκτονικές πλάκες, µεσωκεάνιες ράχες, ωκεάνιες τάφροι, ζώνες καταβύθισης και γεωθερµικά πεδία. Τα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση κίνησης των λιθοσφαιρικών πλακών προς τις ζώνες καταβύθισης. 1. Γεωθερµικά πεδία όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια 2. Μεσωκεάνιες ράχεις που τέµνονται από µεγάλα ρήγµατα µετασχηµατισµού 3. Ζώνες καταβύθισης, όπου η βυθιζόµενη πλάκα κάµπτεται προς τα κάτω και λιώνει µέσα στην ασθενόσφαιρα.Γεωθερµικά συστήµατα Τα γεωθερµικά συστήµατα εντοπίζονται στις περιοχές µε κανονική ή λίγο µεγαλύτερη από τη µέση γήινη γεωθερµική βαθµίδα, και κυρίως στις περιοχές γύρω από τα περιθώρια των τεκτονικών πλακών, όπου η βαθµίδα µπορεί να είναι σηµαντικά υψηλότερη της µέσης τιµής. Στην πρώτη περίπτωση, τα γεωθερµικά συστήµατα χαρακτηρίζονται από χαµηλές θερµοκρασίες, που συνήθως δεν ξεπερνούν τους 100 ºC σε οικονοµικά και προσβάσιµα βάθη. Στη δεύτερη περίπτωση, οι θερµοκρασίες µπορεί να καλύπτουν ένα ευρύ φάσµα, από σχετικά χαµηλές τιµές µέχρι και µεγαλύτερες από 400 ºC. Τι είναι όµως ένα «γεωθερµικό σύστηµα» και τι συµβαίνει µέσα σε αυτό; Σχηµατικά µπορεί να περιγραφεί ως «ένα σύστηµα» που βρίσκεται σε περιορισµένο χώρο στον ανώτερο φλοιό της γης και αποτελείται από «κινούµενο νερό» το οποίο µεταφέρει θερµότητα από µια «πηγή» σε µια «δεξαµενή» θερµότητας, που συνήθως είναι µια ελεύθερη επιφάνεια (Hochstein, 1990). Έτσι λοιπόν, ένα γεωθερµικό σύστηµα αποτελείται από τρία στοιχεία: την εστία θερµότητας, τον ταµιευτήρα και το ρευστό, το οποίο λειτουργεί ως µέσο µεταφοράς της θερµότητας. Η εστία θερµότητας µπορεί να είναι είτε µια πολύ υψηλής (>600 ºC) θερµοκρασίας µαγµατική διείσδυση που έχει φτάσει σε σχετικά µικρά βάθη (5-10 km) ή, στα χαµηλής θερµοκρασίας συστήµατα, η κανονική θερµοκρασία των πετρωµάτων του εσωτερικού της γης, η οποία όπως αναφέρθηκε αυξάνεται µε το βάθος.9 / 36 Ο ταµιευτήρας είναι ένας σχηµατισµός από θερµά υδατοπερατά πετρώµατα, που επιτρέπει την κυκλοφορία των ρευστών µέσα σε αυτόν και από τον οποίο τα ρευστά αντλούν θερµότητα. Πάνω από τον ταµιευτήρα βρίσκεται συνήθως ένα κάλυµµα αδιαπέρατων πετρωµάτων. Ο ταµιευτήρας πολλές φορές συνδέεται µε µια επιφανειακή περιοχή τροφοδοσίας, δια µέσου της οποίας µετεωρικό ή επιφανειακό γενικά νερό κατεβαίνει και αντικαθιστά µερικώς ή ολικώς τα ρευστά που φεύγουν από τον ταµιευτήρα και εξέρχονται στην επιφάνεια µε τη µορφή θερµών πηγών ή αντλούνται από γεωτρήσεις. Το γεωθερµικό ρευστό συνήθως είναι νερό, στις περισσότερες περιπτώσεις µετεωρικής προέλευσης, το οποίο, ανάλογα µε τις συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας που επικρατούν στον ταµιευτήρα, βρίσκεται σε υγρή ή αέρια κατάσταση. Συχνά το ρευστό είναι εµπλουτισµένο σε χηµικά στοιχεία και αέρια, όπως CO2, H2S, κλπ. Στο Σχήµα 6 αποτυπώνεται σε πολύ απλουστευµένη µορφή ένα πρότυπο γεωθερµικό σύστηµα. Ο µηχανισµός που διέπει τη λειτουργία των γεωθερµικών συστηµάτων εν γένει ελέγχεται από τη µεταφορά θερµότητας µέσω της (συναγωγής/κυκλοφορίας) των ρευστών (fluid convection). Στο Σχήµα 7 παριστάνεται σχηµατικά ο µηχανισµός στην περίπτωση ενός υδροθερµικού συστήµατος ενδιάµεσης θερµοκρασίας. Η θερµική συναγωγή λαµβάνει χώρα λόγω της θέρµανσης και, κατ’ επέκταση, της θερµικής διαστολής των ρευστών σε ένα πεδίο βαρύτητας. Η ενέργεια που προκαλεί το συγκεκριµένο φαινόµενο είναι ουσιαστικά η θερµότητα που προσφέρεται από την εστία στη βάση του συστήµατος κυκλοφορίας. Η πυκνότητα των ρευστών που θερµαίνονται µειώνεται, οπότε αυτά παρουσιάζουν τάσεις ανόδου προς µικρότερα βάθη, ενώ αντικαθίστανται στη συνέχεια από ρευστά µικρότερης θερµοκρασίας και µεγαλύτερης πυκνότητας, που προέρχονται από τα περιθώρια του γεωθερµικού συστήµατος. Λόγω της θερµικής συναγωγής προκαλείται λοιπόν θερµοκρασιακή αύξηση στο ανώτερο τµήµα του γεωθερµικού συστήµατος, καθώς οι θερµοκρασίες στα κατώτερα τµήµατα µειώνονται (White, 1973).Σχήµα 6: Σχηµατική αναπαράσταση ενός ιδανικού γεωθερµικού συστήµατος10 / 36 Σχήµα 7:Πρότυπο (µοντέλο) ενός γεωθερµικού συστήµατος. Η γραµµή (1) είναι η καµπύλη αναφοράς του σηµείου ζέσεως του καθαρού νερού. Η καµπύλη (2) δείχνει τη θερµοκρασιακή κατανοµή κατά µήκος µια τυπικής διαδροµής κυκλοφορίας του ρευστού από το σηµείο Α (τροφοδοσία) προς το σηµείο Ε (αποφόρτιση) (Από White, 1973)Οι διεργασίες που µόλις περιγράφηκαν πιθανώς να φαίνονται πολύ απλές, όµως η κατασκευή ενός καλού προτύπου (µοντέλου), το οποίο να αντιστοιχεί σε ένα πραγµατικό γεωθερµικό σύστηµα, είναι πολύ δύσκολο να πραγµατοποιηθεί. Μια τέτοια εργασία απαιτεί πολύπλευρες ικανότητες, ειδικές γνώσεις και µεγάλη εµπειρία, ιδιαίτερα όταν αφορά συστήµατα υψηλής θερµοκρασίας. Εξάλλου, τα γεωθερµικά συστήµατα εµφανίζονται στη φύση µε πάρα πολλές ιδιαιτερότητες και ιδιοµορφίες, οι οποίες σχετίζονται µε διάφορους συνδυασµούς γεωλογικών, φυσικών και χηµικών χαρακτηριστικών που µπορεί να οδηγήσουν σε διάφορους τύπους συστηµάτων. Από τα τρία στοιχεία ενός γεωθερµικού συστήµατος, η εστία θερµότητας είναι το µόνο που απαραιτήτως πρέπει να έχει φυσική προέλευση. Εάν οι συνθήκες είναι ευνοϊκές, τα άλλα δύο στοιχεία µπορεί να είναι και «τεχνητά». Για παράδειγµα, τα γεωθερµικά ρευστά που αντλούνται από τον ταµιευτήρα και χρησιµοποιούνται ως η κινητήρια δύναµη ενός γεωθερµικού ατµοστρόβιλου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, µπορούν µετά την ενεργειακή εκµετάλλευσή τους να επανεισαχθούν στον ταµιευτήρα µέσω συγκεκριµένων γεωτρήσεων επανεισαγωγής (injection wells). Έτσι λοιπόν, η φυσική τροφοδοσία ενός ταµιευτήρα µπορεί να συνοδευθεί και να συµπληρωθεί από µια τεχνητή επανατροφοδοσία. Εδώ και αρκετά χρόνια, η τεχνική επανεισαγωγής των ρευστών στον ταµιευτήρα εφαρµόζεται σε πολλές περιοχές του κόσµου, ως ένα µέσο δραστικής µείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη λειτουργία των γεωθερµικών εγκαταστάσεων. Η χρήση των γεωτρήσεων επανεισαγωγής για τεχνητή επανατροφοδοσία µπορεί επίσης να βοηθήσει στην ανανέωση και συντήρηση κάποιων «παλιών» ή «εξαντληµένων» γεωθερµικών πεδίων. Ως παράδειγµα αναφέρεται η περίπτωση του γεωθερµικού πεδίου «The Geysers» της Καλιφόρνιας (ΗΠΑ), ενός από τα µεγαλύτερα γεωθερµικά πεδία στον κόσµο, όπου παρατηρήθηκε δραστική µείωση της παραγωγής στα τέλη της δεκαετίας του 1980, λόγω ακριβώς της έλλειψης ρευστών στον ταµιευτήρα. Το 1997 ξεκίνησε ένα πρόγραµµα, το Southeast Geysers Effluent Recycling Project, που αποσκοπούσε στη µεταφορά επεξεργασµένων αστικών αποβλήτων στο γεωθερµικό πεδίο από µια απόσταση 48 km. Το πρόγραµµα αυτό οδήγησε στην επαναλειτουργία αρκετών εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία είχαν εγκαταλειφθεί εξαιτίας της έλλειψης ρευστών. Σε άλλη περίπτωση, και στα πλαίσια του Santa Rosa Geysers Recharge Project, 41,5 εκατοµµύρια λίτρα επεξεργασµένων αστικών αποβλήτων θα αντλούνται κάθε µέρα από τους τοπικούς σταθµούς επεξεργασίας της Santa Rosa και άλλων γειτονικών πόλεων και θα µεταφέρονται µέσω ενός δικτύου σωληνώσεων συνολικού µήκους 66 km στο γεωθερµικό πεδίο «The Geysers», όπου θα χρησιµοποιηθούν για την επανατροφοδοσία του ταµιευτήρα διαµέσου ειδικά διατρηθέντων γεωτρήσεων.11 / 36 Στα Προγράµµατα των αποκαλούµενων Θερµών Ξηρών Πετρωµάτων (Hot Dry Rocks), για τα οποία έγιναν για πρώτη φορά πειραµατικές δοκιµές το 1970 στο Los Alamos του Νέου Μεξικού (ΗΠΑ), τόσο τα ρευστά όσο και ο ταµιευτήρας είναι τεχνητά. Στην περίπτωση λοιπόν των HDR γίνεται, µέσω ειδικών γεωτρήσεων, τεχνητή εισαγωγή νερού µε µεγάλη πίεση σε ένα θερµό και συµπαγές πέτρωµα, το οποίο βρίσκεται σε µεγάλο βάθος. Η εισπίεση αυτή προκαλεί στο πέτρωµα «υδραυλική διάρρηξη». Το νερό διαπερνά τις τεχνητές διαρρήξεις και λόγω της επαφής του µε µεγάλες επιφάνειες θερµού πετρώµατος αντλεί θερµότητα από αυτόν τον µεγάλο σε όγκο σχηµατισµό, ο οποίος λειτουργεί ως ένας φυσικός ταµιευτήρας. Στη συνέχεια, ο «ταµιευτήρας» διαπερνάται από µια δεύτερη γεώτρηση, µέσα από την οποία αντλείται το νερό που θερµάνθηκε. Έτσι λοιπόν, το συγκεκριµένο γεωθερµικό σύστηµα αποτελείται (i) από τη γεώτρηση που χρησιµοποιείται για την υδραυλική διάρρηξη, µέσω της οποίας εισπιέζεται κρύο νερό στον (ii) τεχνητό ταµιευτήρα και (iii) από τη γεώτρηση άντλησης του θερµού νερού. Όλο αυτό το σύστηµα, µαζί µε τις εγκαταστάσεις στην επιφάνεια, σχηµατίζουν ένα κλειστό κύκλωµα (loop) (Garnish, 1987) (βλέπε Σχήµα 8).Σχήµα 8: Σχηµατική αναπαράσταση ενός συστήµατος Θερµών Ξηρών Πετρωµάτων σε οικονοµική κλίµακα (από Richards et al., 1994)12 / 36 To ερευνητικό Πρόγραµµα του Los Alamos αποτέλεσε πρόδροµο για άλλες παρόµοιες εφαρµογές στην Αυστραλία, Γαλλία, Γερµανία, Ιαπωνία και Μεγ. Βρετανία. Μετά από µια περίοδο όπου κανείς δεν τις έδινε σηµασία, οι εφαρµογές αυτές απέκτησαν νέα ώθηση, λόγω της ανακάλυψης σε πρώτη φάση ότι τα βαθιά πετρώµατα έχουν ήδη κάποιες περιορισµένες φυσικές διαρρήξεις και στη συνέχεια ότι οι τεχνικές και η µεθοδολογία που πρέπει να χρησιµοποιηθεί εξαρτώνται κατά πολύ από τις τοπικές γεωλογικές συνθήκες. Οι πιο εξελιγµένες επιστηµονικά και τεχνολογικά έρευνες στον τοµέα των Θερµών Ξηρών Πετρωµάτων πραγµατοποιήθηκαν στην Ιαπωνία και στο Ευρωπαϊκό Πρόγραµµα της Αλσατίας (Γαλλία). Πολλά προγράµµατα που ξεκίνησαν στην Ιαπωνία τη δεκαετία του 1980 (στις περιοχές Hijiori, Ogachi και Yunomori), είχαν σηµαντική χρηµατοδότηση από την Ιαπωνική κυβέρνηση και τη βιοµηχανία και κατέληξαν σε ενδιαφέροντα αποτελέσµατα, τόσο από επιστηµονική όσο και από βιοµηχανική άποψη. Από την άλλη, το Ευρωπαϊκό HDR Πρόγραµµα εφαρµόστηκε σε διάφορες φάσεις και περιέλαβε την κατασκευή δύο γεωτρήσεων, η µία από τις οποίες έφτασε τα 5.060 m βάθους. Οι υδραυλικές δοκιµές και µετρήσεις, όπως εξάλλου και οι γεωφυσικές διασκοπήσεις, κατέληξαν σε καλά και πολλά υποσχόµενα αποτελέσµατα. Έτσι λοιπόν, το Ευρωπαϊκό HDR Πρόγραµµα φαίνεται να είναι για την ώρα το πιο πετυχηµένο (Tenzer, 2001).ΟΡΙΣΜΟI ΚΑΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ∆εν υπάρχει δυστυχώς κάποια διεθνώς καθιερωµένη ορολογία που να χρησιµοποιείται από το σύνολο της γεωθερµικής κοινότητας, ώστε να διευκολύνεται η αµοιβαία κατανόηση και συνεννόηση. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρατίθενται µερικοί από τους πλέον κοινώς χρησιµοποιούµενους ορισµούς και ταξινοµήσεις σχετικά µε τη γεωθερµία. Σύµφωνα µε τους Muffler & Cataldi (1978), ο γενικός όρος «γεωθερµικός πόρος» αναφέρεται στην προσβάσιµη βασική πηγή (accessible resource base). Η προσβάσιµη βασική πηγή είναι ουσιαστικά όλη η θερµική ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευµένη κάτω από συγκεκριµένη περιοχή µεταξύ της επιφάνειας της γης και ενός συγκεκριµένου βάθους στο φλοιό. Αυτή η ενέργεια ξεκινά από την τοπική µέση ετήσια θερµοκρασία. Η προσβάσιµη πηγή περιλαµβάνει τον ωφέλιµο προσβάσιµο πόρο (useful accessible resource base), εκείνο δηλαδή το τµήµα της γεωθερµικής ενέργειας που µπορεί να ανακτηθεί µε οικονοµικά συµφέροντα και νόµιµο τρόπο, κάποια στιγµή στο σχετικά άµεσο µέλλον (µέσα σε λιγότερο από 100 χρόνια). Αυτή η κατηγορία περιλαµβάνει τους ταυτοποιηµένους οικονοµικά συµφέροντες πόρους (identified economic resources), οι οποίοι είναι γνωστοί και ως αποθέµατα (reserves) και αναφέρονται στις ποσότητες της γεωθερµικής ενέργειας µιας συγκεκριµένης περιοχής που µπορούν να αξιοποιηθούν µε ανταγωνιστικό κόστος σε σχέση µε τις άλλες πηγές ενέργειας, και οι οποίοι πόροι είναι γνωστό ότι υπάρχουν και έχουν προκύψει ως αποτέλεσµα γεωτρητικών, γεωχηµικών, γεωφυσικών και άλλων γεωλογικών ερευνών-µελετών. Το Σχήµα 9 παρουσιάζει σε γραφική µορφή τους παραπάνω και άλλους όρους, που µπορούν να χρησιµοποιούνται από τους ειδικούς στη γεωθερµία. Το πλέον συνηθισµένο κριτήριο για την ταξινόµηση των γεωθερµικών πόρων είναι αυτό που βασίζεται στην ενθαλπία των γεωθερµικών ρευστών, τα οποία λειτουργούν ως ο φορέας «µεταφοράς» της θερµότητας από τα βαθιά και θερµά πετρώµατα προς την επιφάνεια. Η ενθαλπία, η οποία σε γενικές γραµµές θεωρείται ότι είναι ανάλογη της θερµοκρασίας, χρησιµοποιείται για να εκφράσει την περιεχόµενη θερµική ενέργεια των ρευστών και δίνει µια γενική εικόνα της ενεργειακής «αξίας» τους. Οι γεωθερµικοί πόροι διακρίνονται σε χαµηλής, µέσης και υψηλής ενθαλπίας (ή θερµοκρασίας), σύµφωνα µε το ενεργειακό τους περιεχόµενο και τις πιθανές µορφές αξιοποίησής τους. Στον Πίνακα 3 αναφέρονται οι χαρακτηριστικοί τρόποι ταξινόµησης, όπως αυτοί προτάθηκαν από διάφορους συγγραφείς. Όπως ακριβώς και για την ορολογία, µια κοινώς αποδεκτή µέθοδος ταξινόµησης θα βοηθούσε στην αποφυγή συγχύσεων και παρανοήσεων. Όµως, µέχρι να γίνει αυτό, θα πρέπει κάθε φορά και κατά περίπτωση να δηλώνουµε τις τιµές των θερµοκρασιών ή το εύρος τους, διότι όροι όπως «χαµηλή», «ενδιάµεση» ή «υψηλή» δεν έχουν πάντα την ίδια ερµηνεία και πολλές φορές είναι παραπλανητικοί.13 / 36 Σχήµα 9:Γραφική παράσταση που δίνει τις διάφορες κατηγορίες των γεωθερµικών πόρων (Από Muffler & Cataldi, 1978). Ο κάθετος άξονας παριστάνει το βαθµό της οικονοµικής επιτευξιµότητας, ενώ ο οριζόντιος το βαθµό της γεωλογικής βεβαιότητας.Πίνακας 3. Ταξινόµηση των γεωθερµικών πόρων ( ºC) (a) Low enthalpy resources Intermediate enthalpy resources High enthalpy resources(b)(c)(d)(e)< 90<125<100≤150≤19090-150125-225100-200-->150>225>200>150>190Sources: (a) Muffler and Cataldi (1978), (b) Hochstein (1990), (c) Benderitter and Cormy (1990), (d) Nicholson (1993), (e) Axelsson and Gunnlaugsson (2000)14 / 36 Συχνά γίνεται διάκριση ανάµεσα στα γεωθερµικά συστήµατα όπου το κυρίαρχο ρευστό είναι το νερό στην υγρή φάση (liquid dominated systems) και σε εκείνα όπου το κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατµός (vapour dominated systems ή dry steam systems) (White, 1973). Στα συστήµατα όπου επικρατεί το νερό, η υγρή φάση είναι αυτή που ελέγχει συνεχώς την πίεση. Μέσα στη φάση αυτή µπορεί να περιέχονται και κάποια αέρια µε τη µορφή µικρών φυσαλίδων. Αυτά τα γεωθερµικά συστήµατα, των οποίων οι θερµοκρασίες κυµαίνονται από 125 ºC µέχρι 225 ºC, είναι τα πλέον συνηθισµένα παγκοσµίως. Ανάλογα µε τις συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας, µπορούν να παράγουν θερµό νερό, µίγµα νερού και ατµού, υγρό ατµό, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις ξηρό ατµό. Στα συστήµατα όπου το κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατµός, το υγρό νερό και ο ατµός συνήθως συνυπάρχουν στον ταµιευτήρα, µε τον ατµό να λειτουργεί ως η φάση που ελέγχει συνεχώς την πίεση. Τέτοιου τύπου γεωθερµικά συστήµατα, τα πιο γνωστά εκ των οποίων είναι το Larderello στην Ιταλία και το Τhe Geysers στην Καλιφόρνια (ΗΠΑ), είναι κατά βάση σπάνια και συνιστούν συστήµατα υψηλής θερµοκρασίας. Κατά κύριο λόγο παράγουν ξηρό έως υπέρθερµο ατµό. Οι όροι υγρός, ξηρός και υπέρθερµος ατµός, οι οποίοι χρησιµοποιούνται συχνά από τους γεωθερµικούς, χρειάζονται κάποιες επιπλέον επεξηγήσεις, κυρίως για όσους δεν έχουν το σχετικό τεχνικό υπόβαθρο. Για να γίνει όσο το δυνατόν απλούστερο, θα χρησιµοποιήσουµε το παράδειγµα µιας κατσαρόλας γεµάτης νερό, µέσα στην οποία η πίεση µπορεί να κρατηθεί σταθερή και ίση µε 1 atm (101,3 kPa). Εάν θερµάνουµε το νερό, τότε µόλις φτάσει στη θερµοκρασία των 100 ºC (=σηµείο ζέσεως για πίεση ίση µε 1atm) θα αρχίσει να βράζει και θα περάσει από την υγρή στην αέρια φάση του ατµού. Μετά από κάποια ώρα, µέσα στην κατσαρόλα το υγρό και ο ατµός θα συνυπάρχουν. Ο υδρατµός συνυπάρχει µε το υγρό, βρίσκεται σε θερµοδυναµική ισορροπία µε αυτό, αποτελώντας ουσιαστικά τον υγρό ατµό. Εάν συνεχίσουµε να θερµαίνουµε την κατσαρόλα, διατηρώντας την πίεση στη 1 atm, το υγρό θα εξατµιστεί εντελώς και τελικά η κατσαρόλα θα περιέχει µόνο ατµό. Αυτός αποκαλείται ξηρός ατµός. Και ο υγρός και ο ξηρός ατµός αποκαλούνται επίσης «κορεσµένοι ατµοί». Τέλος, αυξάνοντας κι άλλο τη θερµοκρασία, για παράδειγµα στους 120 ºC, και συνεχίζοντας να διατηρούµε την πίεση σταθερή, θα πάρουµε υπέρθερµο ατµό, µε υπερθέρµανση 20 ºC πάνω από τη θερµοκρασία εξάτµισης στις συγκεκριµένες συνθήκες πίεσης. Τα ίδια σε γενικές γραµµές φαινόµενα, αλλά σε διαφορετικά µεγέθη και υπό διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας, λαµβάνουν χώρα στο υπέδαφος, σε αυτό που
Εισάγετε το όνομά σας. *
Εισάγετε το e-mail σας. *
Μήνυμα
Κάντε ένα σχόλιο για το άρθρο. Το μήνυμα σχολίου σας θα δημοσιοποιηθεί μετά από έγκριση από την αρμόδια Επιτροπή.
*

Σφάλμα

Εισάγετε το όνομά σας.

Σφάλμα

Εισάγετε το e-mail σας.

Σφάλμα

Εισάγετε μήνυμα σχολίου.

Σφάλμα

Προέκυψε ένα λάθος κατά την αποστολή του σχολίου σας, παρακαλώ δοκιμάστε ξανά αργότερα.

Μήνυμα

Το μήνυμα σχολίου απεστάλη επιτυχώς. Θα δημοσιευτεί το συντομότερο δυνατό μετά την έγκριση του από την αρμόδια Επιτροπή.