พลังงานความร้อนใต้พิภพ คือ พลังงานธรรมชาติที่เกิดจากความร้อนที่ถูกกักเก็บอยู่ภายใต้ผิวโลก

Geo = โลก Thermal = ความร้อนโดยปกติแล้วอุณหภูมิภายใต้ผิวโลกจะเพิ่มขึ้น ตามความลึก กล่าวคือยิ่งลึกลงไป อุณหภูมิจะยิ่งสูงขึ้น และในบริเวณส่วนล่างของ ชั้นเปลือกโลก (Continental Crust) หรือที่ความลึกประมาณ 25 – 30 กิโลเมตร อุณหภูมิจะมีค่าอยู่ในเฉลี่ย ประมาณ 250 ถึง 1,000 องศาเซลเซียส ในขณะที่ตรงจุดศูนย์กลางของโลก อุณหภูมิอาจจะสูงถึง 3,500 ถึง 4,500 องศาเซลเซียส ความร้อนจะไหลออกมาจากภายในโลก เปลือกโลกจะทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อน โดย Inner core เป็นของแข็ง ส่วนของ Outer core เป็นของเหลว ส่วนของ Mantle มีสภาพกึ่งเหลวกึ่งแข็ง และ Crust เป็นของแข็ง

รูปที่ 1 ชั้นเปลือกโลก (Continental Crust)

ยิ่งลึกลงไปจากเปลือกโลก อุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้น โดยปกติจะเพิ่ม 30 องศาเซลเซียสต่อความลึก 1 กิโลเมตร เปลือกโลกแตกออกเป็นชั้นๆ (Plate) ซึ่งอาจเคลื่อนที่ออกจากกันหรือผ่าน ซึ่งกัน และกัน หรือชนกัน ตามแนวแตกก็จะมีหินหนืด (Magma) ดันแทรกขึ้นมาทำให้เปลือกโลกใหม่เกิดขึ้นตามแนวแตกของพื้นมหาสมุทร เมื่อเปลือกโลกที่แตกมาเจอกัน เกิดการมุดตัว (Subduction) เปลือกโลกส่วนที่มุดลงไป ได้ความร้อนสูงมากก็จะหลอมละลาย และจะดันแทรกตัวขึ้นมาตามขอบของส่วนที่มุดลงไป พลังงานความร้อนใต้พิภพ มักพบในบริเวณที่เรียกว่า Hot Spots คือบริเวณที่มีการไหล หรือแผ่กระจาย ของความร้อน จากภายใต้ผิวโลกขึ้นมาสู่ผิวดินมากกว่าปกติ และมีค่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความลึก (Geothermal Gradient) มากกว่าปกติประมาณ 1.5 – 5 เท่า เนื่องจากในบริเวณดังกล่าว เปลือกโลกมีการเคลื่อนที่ ทำให้เกิดรอยแตกของชั้นหิน ปกติแล้วขนาดของแนวรอยแตก ที่ผิวดินจะใหญ่และค่อยๆ เล็กลงเมื่อลึกลงไปใต้ผิวดิน เมื่อมีฝนตกลงมาในบริเวณนั้น ก็จะมีน้ำบางส่วนไหลซึม ลงไปภายใต้ผิวโลก ตามแนวรอยแตกดังกล่าว ไปสะสมตัว และรับความร้อนจากชั้นหิน ที่มีความร้อนจนกระทั่งน้ำกลายเป็นน้ำร้อนและไอน้ำ แล้วจะพยายามแทรกตัว ตามแนวรอยแตกของชั้นหิน ขึ้นมาบนผิวดิน และปรากฏให้เห็นในรูปของบ่อน้ำร้อน, น้ำพุร้อน, ไอน้ำร้อน และบ่อโคลนเดือด เป็นต้น เปลือกโลกที่บางหรือแตกทำให้หินหนืดดันแทรกขึ้นมาที่ผิวดินเรียกว่าลาวา (Lava) ปกติหินหนืดจะไม่โผล่ที่ผิวดินแต่จะอยู่ข้างล่างลงไปและให้ความร้อนแก่หินข้างเคียงเป็นบริเวณกว้าง น้ำฝนสามารถไหลซึมลงไปตามรอยแตกได้ลึกหลายกิโลเมตร หลังจากถูกทำให้ร้อนจัด ก็จะไหลกลับขึ้นมาที่ผิวโลกในรูปของไอน้ำร้อนหรือน้ำร้อน ลักษณะผืนดินที่ร้อนระอุด้วยไอน้ำร้อน แสดงว่าด้านล่างมีความร้อนมหาศาล ในประเทศฟิลิปปินส์ เมื่อน้ำร้อนและไอน้ำร้อนดันขึ้นมาที่ผิวดิน อาจอยู่ในรูปของน้ำพุร้อน (Hot Springs) โคลนเดือด (Mud Pots) ไอน้ำร้อน (Fumaroles) และอื่นๆ น้ำร้อนที่ดันแทรกขึ้นมา จะถูกกักเก็บไว้ในชั้นหินเนื้อพรุน กลายเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Reservoir) แหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพเป็นแหล่งพลังงานอันมหาศาล อุณหภูมิของแหล่งกักเก็บอาจสูงถึง 370 องศาเซลเซียส

แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพที่พบในโลกแบ่งเป็นลักษณะใหญ่ๆ ได้ 3 ลักษณะคือ

• แหล่งที่เป็นไอน้ำส่วนใหญ่ (Steam Dominated) เป็นแหล่งกักเก็บความร้อนที่ประกอบด้วย ไอน้ำมากกว่า 95% โดยทั่วไปมักจะเป็น แหล่งที่ใกล้กับหินหลอมเหลวร้อนที่อยู่ตื้นๆ อุณหภูมิของไอน้ำร้อนจะสูงกว่า 240 องศาเซลเซียส ขึ้นไป แหล่งที่เป็นไอน้ำส่วนใหญ่นี้ จะพบน้อยมากในโลกเรา แต่สามารถนำมาใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากที่สุด เช่น The Geyser Field ในมลรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา และ Larderello ในประเทศอิตาลี เป็นต้น
• แหล่งที่เป็นน้ำร้อนส่วนใหญ่ (Hot Water Dominated) เป็นแหล่งกักเก็บสะสมความร้อนที่ประกอบไปด้วย น้ำร้อนเป็นส่วนใหญ่ อุณหภูมิน้ำร้อนจะมีตั้งแต่ 100 องศาเซลเซียส ขึ้นไป ระบบนี้จะพบมากที่สุดในโลก เช่นที่ Cerro Prieto ในประเทศเม็กซิโก และ Hatchobaru ในประเทศญี่ปุ่น เป็นต้น
• แหล่งหินร้อนแห้ง (Hot Dry Rock) เป็นแหล่งสะสมความร้อน ที่เป็นหินเนื้อแน่น แต่ไม่มีน้ำร้อนหรือไอน้ำ ไหลหมุนเวียนอยู่ ดังนั้นถ้าจะนำมาใช้จำเป็นต้องอัดน้ำเย็นลงไปทางหลุมเจาะ ให้น้ำได้รับความร้อนจากหินร้อน โดยไหล หมุนเวียนภายในรอยแตกที่กระทำขึ้น จากนั้นก็ทำการสูบน้ำร้อนนี้ ขึ้นมาทางหลุมเจาะอีกหลุมหนึ่ง ซึ่งเจาะลงไป ให้ตัดกับรอยแตกดังกล่าว แหล่งหินร้อนแห้งนี้ กำลังทดลองผลิตไฟฟ้า ที่ มลรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา และที่ Oita Prefecture ประเทศญี่ปุ่น

แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพมีอยู่ในเขตใดบ้างในโลก แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ จะมีอยู่ในเขตที่เปลือกโลกมีการเคลื่อนที่ เขตที่ภูเขาไฟยังคุกรุ่นอยู่ และบริเวณที่มีชั้นของเปลือกโลกบาง จะเห็นได้ว่าบริเวณแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ ที่พบตามบริเวณต่างๆ ของโลกได้แก่ ประเทศที่อยู่ด้านตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้ และอเมริกาเหนือ ประเทศญี่ปุ่น ประเทศฟิลิปปินส์ ประเทศอินโดนีเซีย ประเทศต่างๆ บริเวณเทือกเขาหิมาลัย ประเทศกรีซ ประเทศอิตาลี และประเทศไอซ์แลนด์ เป็นต้น

แหล่งสำรวจและขุดเจาะ

หลักและวิธีการสำรวจเพื่อพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพโดยทั่วไป

โดยที่บริเวณแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ มักจะมีบ่อน้ำร้อน, น้ำพุร้อน, ไอน้ำร้อน, โคลนเดือด และก๊าซ ปรากฏให้เห็น แต่การที่จะนำพลังงานมาใช้ประโยชน์ได้มากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของแหล่งกักเก็บ อุณหภูมิ ความดัน และลักษณะของแหล่งว่าเป็นพลังงานลักษณะใด ลักษณะที่เป็นน้ำร้อนหรือไอน้ำเป็นส่วนใหญ่หรือไม่ การที่จะทราบว่าแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพอยู่บริเวณไหน ที่ระดับความลึกประมาณเท่าไร และอุณหภูมิที่แหล่งกักเก็บ จำเป็นต้องมีการสำรวจทั้งบนผิวดินและใต้ผิวดิน การใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนใต้พิภพที่ระดับอุณหภูมิต่างๆแตกต่างกัน

การสำรวจแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพต้องดำเนินการหลายด้านประกอบกัน

วิธีสำรวจประกอบด้วย การแปลภาพถ่ายดาวเทียม ภาพถ่ายทางอากาศ การศึกษาภูเขาไฟ การสำรวจทางธรณี ทางเคมี ทางธรณีฟิสิกส์ หลุมเจาะเพื่อวัดอุณหภูมิ

• การสำรวจมักจะเริ่มต้นด้วยการแปลภาพถ่ายดาวเทียม และภาพถ่ายทางอากาศ
• นักธรณีวิทยาจะสำรวจทำแผนที่ธรณี แสดงลักษณะภูมิประเทศ โครงสร้างธรณี เช่น รอยเลื่อน รอยแตก ประเภทของหิน ที่พบ
• ข้อมูลทางเคมี คุณสมบัติทางไฟฟ้า ทางแม่เหล็ก ทางคลื่นไหวสะเทือน และอื่นๆ ได้มาจากการสำรวจภาคสนาม

1. การสำรวจธรณีวิทยา

การสำรวจธรณีวิทยา คือ การสำรวจเพื่อศึกษาหาความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะทางธรณีวิทยาและธรณีวิทยาโครงสร้างกับแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ การสำรวจธรณีวิทยาจะคลุมพื้นที่ประมาณ 50-100 ตารางกิโลเมตร ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงไปตามความเหมาะสมของแต่ละพื้นที่ของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพนั้นๆ

จุดประสงค์ในการสำรวจทางธรณีวิทยา เพื่อทราบ

• ชนิดของชั้นหิน
• การวางตัวและการเรียงลำดับชั้นหิน
• อายุของหิน
• โครงสร้างทางธรณีวิทยาของชั้นหินต่างๆ
• บริเวณที่มีการแปรสภาพของชั้นดิน, หิน อันเนื่องมาจากอิทธิพลทาง ความร้อน ทั้งนี้เพื่อจะได้ ประเมินชั้นหินที่อาจจะเป็นแหล่งกักเก็บและปิดกั้นแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ

2. การสำรวจธรณีเคมี

การสำรวจธรณีเคมี คือการสำรวจเพื่อศึกษาหาความสัมพันธ์ของคุณสมบัติทางเคมีของน้ำ ก๊าซ และองค์ประกอบของหินกับแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ โดยการเก็บตัวอย่างน้ำธรรมชาติร้อน ก๊าซ ดิน และหินบริเวณแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ และบริเวณใกล้เคียงแล้วนำมาวิเคราะห์ในห้องทดลองหาส่วนประกอบและคุณสมบัติทางเคมี

จุดประสงค์ในการสำรวจธรณีเคมีนี้ก็เพื่อที่จะ

• ประเมินอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บ โดยคำนวณจากปริมาณแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำร้อน เช่นปริมาณของ Si, Mg และ Cl อัตราส่วนของปริมาณ Na กับ K และ Na, K กับ Ca
• ประเมินลักษณะธรณีวิทยาที่เป็นแหล่งกักเก็บ ตลอดจนการหมุนเวียนของของไหล ในระบบพลังงานความร้อนใต้พิภพ
• หาขอบเขตที่ได้รับอิทธิพลจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ
• หาส่วนประกอบ, คุณสมบัติทางเคมีเพื่อศึกษาการกัดกร่อน, การเกิดตะกรันและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม นักธรณีวิทยาจะศึกษา ตรวจสอบตัวอย่างหินที่นำขึ้นมาอย่างละเอียดทีแต่ละระดับความลึก

ผลของการสำรวจธรณีเคมีนี้ จะเป็นเครื่องชี้ถึงความเหมาะสมของการพัฒนาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ สำคัญมาก อย่างหนึ่ง

รูปที่ 2 นักธรณีวิทยาตรวจสอบตัวอย่างหินที่นำขึ้นมาอย่างละเอียดทีแต่ละระดับความลึก

3. การสำรวจธรณีฟิสิกส์

การสำรวจธรณีฟิสิกส์ คือการตรวจสอบคุณสมบัติของชั้นหินใต้ผิวดิน หรือเปลือกโลกในบริเวณที่ทำการสำรวจโดยใช้เครื่องมือวัดบนผิวดิน จากข้อมูลที่ได้จะถูกนำมาวิเคราะห์เพื่อให้ทราบถึงลักษณะโครงสร้างทางธรณีวิทยาใต้ผิวดิน ในการสำรวจพลังงานความร้อนใต้พิภพ ผลการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์จะสามารถบอกได้ว่าบริเวณใดควรจะเป็นแหล่งกักเก็บพลังงาน ซึ่งผลการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์นี้จะนำไปใช้วางแผนสำรวจต่อไป

จุดประสงค์ของการสำรวจธรณีฟิสิกส์

• เพื่อตรวจสอบผลการสำรวจธรณีวิทยาโดยนำผลที่ได้ไปใช้ในการแก้ปัญหาทางธรณีวิทยา
• เพื่อให้รู้โครงสร้างธรณีวิทยาของแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพ
• เป็นข้อมูลสำหรับวางแผนการเจาะสำรวจ

การสำรวจธรณีฟิสิกส์ในการหาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพที่ใช้กันโดยทั่วไปมีดังนี้ การวัดค่าแรงโน้มถ่วงของโลก (Gravity Survey) เพื่อหาโครงสร้างของชั้นหินใต้ผิวดิน การวัดค่าสนามแม่เหล็ก (Magnetic Survey) เพื่อหาโครงสร้าง ของชั้นหินใต้ผิวดิน ขอบเขตของหินอัคนี และ ขอบเขตของชั้นหิน ที่เปลี่ยนแปลง อันเนื่องมาจากอิทธิพลทางความร้อน การวัดค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistivity Survey) เพื่อหาความหนาของชั้นหิน ตลอดจนโครงสร้าง ของชั้นหิน ที่อาจจะเป็นแหล่งกักเก็บ การวัดค่าคลื่นความสั่นสะเทือน (Seismic Survey) เพื่อความหนาของชั้นหินแต่ละชนิด, โครงสร้างของชั้นหิน หรือเปลือกโลก ตลอดจนตำแหน่งของรอยเลื่อน (Fault) และรอยแตก (Fracture) ของชั้นหิน

4. การเจาะสำรวจ

การเจาะสำรวจ คือการเจาะลงไปใต้ผิวดินเพื่อวัดหรือตรวจสอบข้อมูลที่ได้จากการสำรวจต่างๆ ที่กล่าวมาแล้วข้างต้น การที่จะเจาะลึกแค่ไหนนั้นขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ต้องการจะวัดและตรวจสอบ การเจาะสำรวจพลังงานความร้อนใต้พิภพจะใช้เครื่องเจาะสำรวจเช่นเดียวกับที่ใช้กับงานเจาะสำรวจอื่นๆ เครื่องเจาะนี้ส่วนมากเปลี่ยนหัวเจาะในลักษณะต่างๆ ได้ตามต้องการ

วัตถุประสงค์ของการเจาะสำรวจก็คือ

• เพื่อตรวจสอบสมมุติฐานต่างๆ ทางธรณีวิทยา
• ตรวจสอบคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของชั้นหินทางความลึก
• วัดค่าอัตราการไหลของความร้อน (Heat Flow) และอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตามความลึก (Geothermal Gradient)
• เพื่อหาบริเวณที่คาดว่าจะเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพ
• เพื่อศึกษาคุณสมบัติของแหล่งกักเก็บ
• เพื่อศึกษาคุณสมบัติของของไหล

การเจาะสำรวจมีอยู่ 2 วิธี

• การเจาะเพื่อเก็บแท่งตัวอย่าง (Core Sample) จะเจาะโดยใช้หัวเจาะสำหรับเก็บตัวอย่างดินและหินที่เรียกว่า Core Bit ซึ่ง Core Bit ก็มีหลายชนิดด้วยกันการจะใช้ชนิดไหนก็ขึ้นกับลักษณะของชั้นดินหรือชั้นหิน
• การเจาะเพื่อเก็บตัวอย่างเศษหินหรือดิน (Cutting Sample) จะเจาะโดยใช้หัวเจาะที่เรียกว่า Rock Bit โดยหัวเจาะนี้จะบดหินหรือดินให้เป็นเศษเล็กๆ ซึ่งหัวเจาะจำพวกนี้ก็มีหลายชนิดขึ้นอยู่กับความเหมาะสมที่จะใช้

ในการเจาะหลุมสำรวจอาจจะใช้วิธีใดวิธีหนึ่ง หรือทั้ง 2 วิธีในหลุมเจาะเดียวกันก็ได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ต้องการ สำหรับการเจาะที่จะเก็บแท่งตัวอย่างนั้นโดยปกติแล้วจะใช้เวลาและมีค่าใช้จ่ายมากกว่าการเจาะเพื่อเก็บตัวอย่างเศษหินหรือดิน

5. การเจาะหลุมผลิต

หลุมผลิต คือหลุมเจาะที่มีจุดมุ่งหมายที่จะนำน้ำร้อนหรือไอน้ำร้อนจากแหล่งกักเก็บขึ้นมาใช้ประโยชน์ การเจาะหลุมผลิตจะดำเนินการเมื่อการเจาะสำรวจยืนยันว่าแหล่งกักเก็บมีศักยภาพสูงพอที่จะพัฒนาขึ้นมาใช้ได้อย่างคุ้มค่าในเชิงพาณิชย์ ปัจจุบันนี้แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพได้รับการพัฒนามาใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากมาย และอยู่ในระหว่างการพัฒนาก็มีอยู่ในหลายๆ ประเทศด้วยกัน ในปัจจุบันมีโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพของประเทศต่างๆ ในโลกกำลังผลิตรวมกันมากกว่า 5,800 เมกะวัตต์

รูปที่ 3 หลุมเจาะ

ในปี ค.ศ.1990 ประเทศที่สามารถผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความร้อนใต้พิภพได้มากที่สุดคือประเทศสหรัฐอเมริกา รองลงมาได้แก่ประเทศฟิลิปปินส์ และมีอีกหลายๆ ประเทศที่กำลังมีโครงการเพิ่มกำลังผลิตและเริ่มผลิต การเจาะหลุมผลิตต้องใช้หลุมขนาดใหญ่และเครื่องเจาะที่มีขนาดใหญ่มาก ค่าเจาะจึงเป็นค่าใช้จ่ายที่สูง โดยสามารถเจาะได้ลึกกว่าสามกิโลเมตร ข้อมูลอุณหภูมิที่เพิ่มค่อนข้างมากเมื่อลึกลงไปเช่นนี้ เป็นข้อมูลสนับสนุนให้มีการเจาะหลุมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและลึกมากยิ่งขึ้น เพื่อมองหาแหล่งกักเก็บขนาดใหญ่ ถ้าพบว่าหลุมเจาะนั้นมีคุณสมบัติที่ดี ก็จะทำการติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆที่ปากหลุม ซึ่งจะสามารถควบคุมการไหลของน้ำร้อน/ไอน้ำร้อน และความดันของหลุมได้

รูปที่ 4 Temperature Gradient Data

การผลิตกระแสไฟฟ้า

แหล่งกักเก็บที่มีอุณหภูมิสูงมากๆ ของไหลจะอยู่ในสภาพของไอน้ำร้อนปนกับน้ำร้อน ในกรณีที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 180 องศาเซลเซียส และความดันมากกว่า 10 บรรยากาศ สามารถแยกไอน้ำร้อนไปหมุนกังหันผลิตไฟฟ้าได้โดยตรง เช่นเดียวกับ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนทั่วไป ในกรณีที่แหล่งกักเก็บมีอุณหภูมิสูงปานกลางมีปริมาณน้ำร้อนมาก โดยทั่วไปเป็นกรณีที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 180 องศาเซลเซียส แล้ว การผลิตกระแสไฟฟ้าจะต้องอาศัย สารทำงาน (Working Fluid) ซึ่งเป็นของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำ เช่น Freon, Amonia หรือ Isobutane เป็นตัวรับความร้อนจากน้ำร้อนสารทำงานดังกล่าว และเปลี่ยนสภาพเป็นไอและมีความดันสูงขึ้นจนสามารถหมุนกังหันผลิตกระแสไฟฟ้าได้ ซึ่งโรงไฟฟ้าชนิดนี้ เราเรียกว่า โรงไฟฟ้าระบบ 2 วงจร ซึ่งได้มีการพัฒนาขึ้นมาใช้ประโยชน์กันมากขึ้นในปัจจุบัน ไอน้ำร้อนจากหลุมผลิตจะไปหมุนกังหันผลิตไฟฟ้า ไอน้ำที่เหลือจะควบแน่นในหอควบแน่นเป็นน้ำเย็น และถูกปั๊มคืนลงไปในแหล่งกักเก็บเพื่อหมุนเวียนใช้ แรงดันจากไอน้ำร้อนจะหมุนกังหันไอน้ำ ซึ่งจะไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยไม่ต้องมีการใช้เชื้อเพลิงมาต้มน้ำให้กลายเป็นไอน้ำร้อนก่อน

รูปที่ 5 โรงไฟฟ้าระบบ 2 วงจร

รูปที่ 6 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Turbine Generator)

โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพมี 3 แบบขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของน้ำร้อน/ไอน้ำร้อนของแหล่งกักเก็บพลังงานเป็นสำคัญ

(1) โรงไฟฟ้าใช้ไอน้ำร้อนแห้ง (Dry Steam)

กรณีแหล่งกักเก็บมีอุณหภูมิสูงมาก มีแต่ไอร้อนแห้ง (Dry steam) ไอร้อนนี้จะถูกนำไปหมุนกังหันไอน้ำ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง ผลิตไฟฟ้า ไอที่เหลือจะถูกควบแน่นเป็นน้ำแล้วอัดคืนลงแหล่ง

รูปที่ 7 ลักษณะการทำงานของโรงไฟฟ้าใช้ไอน้ำร้อนแห้ง (Dry Steam)

Prince Piero Ginori Conti สร้างโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพขึ้นเป็นแห่งแรกในปี ค.ศ. 1904 ที่ Larderello, Italy ซึ่งเป็นแหล่งแบบไอน้ำร้อนแห้ง โรงไฟฟ้าที่ Lardello, Italy ถูกทำลายในสงครามโลกครั้งที่สอง แต่ได้ก่อสร้างขึ้นใหม่ ปัจจุบันยังผลิตไฟฟ้า หลังจากผลิตไฟฟ้ามาได้กว่า 90 ปี ในอเมริกาโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแห่งแรกสร้างขึ้นในปี ค.ศ. 1962 ที่ The Geysers, California ปัจจุบันเป็นแหล่งที่มีการผลิตขนาดใหญ่

รูปที่ 8 โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพที่ Imperial Valley, California

ที่สุดของโลก ปัจจุบัน The Geysers มีโรงไฟฟ้า 20 โรง น้ำเสียจากเมืองข้างเคียงจะถูกอัดลงไปในแหล่งกักเก็บซึ่งมีความร้อนมหาศาล เป็นการทิ้งน้ำเสียที่ไม่ทำลายสิ่งแวดล้อมและยังเพิ่มปริมาณไอน้ำร้อนเพื่อใช้ในโรงไฟฟ้าอีกด้วย

(2) โรงไฟฟ้าใช้ไอน้ำร้อนที่แยกมาจากน้ำร้อน (Flash Steam)

โรงไฟฟ้าแบบ Flash Steam ใช้น้ำร้อนจากแหล่งกักเก็บที่เป็นน้ำร้อนส่วนใหญ่ ส่งเข้า Flash Tank น้ำร้อนนี้จะแปรสภาพเป็นไอน้ำร้อนหมุนกังหันไอน้ำและผลิตไฟฟ้าต่อไป Flash Technology ค้นพบในนิวซีแลนด์ เนื่องจากมีแหล่งกักเก็บส่วนใหญ่เป็นน้ำร้อน โรงไฟฟ้า Flash Steam นี้อยู่ที่ East Mesa, California โรงไฟฟ้า Flash Steam ในญี่ปุ่น ในโรงไฟฟ้าประเภทนี้ น้ำร้อน และไอน้ำร้อนที่เหลือใช้และควบแน่นแล้วจะอัดกลับลงไปเพื่อหมุนเวียนใช้ โรงไฟฟ้า Flash Steam ที่ Imperial Valley, California โรงไฟฟ้า Flash Steam ที่ Dixie Valley, Nevada

รูปที่ 9 ลักษณะการทำงานของโรงไฟฟ้าใช้ไอน้ำร้อนที่แยกมาจากน้ำร้อน (Flash Steam)

(3) โรงไฟฟ้าระบบสองวงจร (Binary Cycle)

โรงไฟฟ้าระบบสองวงจรใช้ความร้อนจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพมาทำให้ของเหลวพิเศษ (Working Fluid) กลายเป็นไอ และส่งไอนี้ไปหมุนกังหันไอน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อไป ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) ของโรงไฟฟ้าระบบสองวงจร ความร้อนจากน้ำร้อน (Geothermal Water) จะถูกถ่ายให้ของเหลวพิเศษที่ใช้ โดยน้ำร้อนจะไม่มีโอกาสสัมผัสอากาศเลย และจะถูกอัดกลับลงไปในดิน โรงไฟฟ้าระบบสองวงจรสามารถใช้น้ำร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำ จึงสามารถใช้ประโยชน์จากหลายๆแหล่ง โรงไฟฟ้าระบบสองวงจรนี้อยู่ที่ Soda Lake, Nevada

รูปที่ 10 โรงไฟฟ้าที่ Big Island, Hawaii เป็นโรงไฟฟ้าสองระบบ คือ ระบบสองวงจรและ Flash Steam

รูปที่ 11 โรงไฟฟ้าระบบสองวงจรที่ Wendell-Amadee, California

 รูปที่ 12 โรงไฟฟ้าระบบสองวงจรที่อำเภอฝาง จังหวัดเชียงใหม่ ขนาด 300 กิโลวัตต์

การใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนใต้พิภพในแง่เศรษฐศาสตร์

ข้อมูลการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศต่างๆ เท่าที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่า การใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพมีต้นทุนต่ำกว่าใช้ถ่านหินและน้ำมันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้ประเทศต่างๆ จึงพากันให้ความสนใจต่อการแสวงหาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพมาใช้ประโยชน์ มากขึ้นเรื่อยๆ จากการประเมินค่าใช้จ่ายในการติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ พบว่า

ต้นทุนจะขึ้นอยู่กับขนาดของโรงไฟฟ้าที่ติดตั้ง ถ้าเป็นโรงไฟฟ้าขนาดเล็กต้นทุนจะสูงกว่าโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ เช่น ถ้าติดตั้งโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพขนาด 5 เมกะวัตต์ ต้นทุนจะประมาณ 1.34-1.60 บาทต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง แต่ถ้าเป็นโรงไฟฟ้าขนาด 50 เมกะวัตต์ ต้นทุนจะลดลงเหลือประมาณ 0.64 – 0.77 บาทต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งหากเปรียบเทียบกับโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันเตาแล้ว พบว่าถ้าติดตั้งโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันเตาขนาด 75 เมกะวัตต์ ต้นทุนเฉพาะค่าเชื้อเพลิงอย่างเดียวจะประมาณ 1.25 บาทต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมงจึงเห็นได้ว่าการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพถูกกว่า

ในการพัฒนาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพมาใช้ผลิตไฟฟ้ามีปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาดังนี้

การสำรวจแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Exploration) จำเป็นจะต้องใช้นักวิชาการหลายกลุ่ม คือ นักธรณีวิทยา, นักธรณีฟิสิกส์, นักธรณีเคมี, นักอุทกวิทยา ช่วยกันในการวางแผนและกำหนดขั้นตอนในการสำรวจ ดังนั้นจึงต้องเตรียมพร้อมด้านบุคลากรไว้

ค่าใช้จ่ายในการเจาะ (Drilling Cost) ขึ้นอยู่กับขนาดของแหล่ง จำนวนหลุมที่เจาะ ขนาดของหลุมที่เจาะความลึก ของหลุมเจาะ ลักษณะทางธรณีวิทยาของแหล่ง ค่าใช้จ่ายเหล่านี้จะเป็นค่าเครื่องเจาะและอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการเจาะ เครื่องป้องกันน้ำร้อนพุ่งขึ้นมาระหว่างการเจาะ (Blow out Preventor) ค่าหัวเจาะ ค่าก้านเจาะ ท่อกรุ ซีเมนต์ผงชนิดพิเศษ โคลนผง ค่าน้ำมันเชื้อเพลิง และหล่อลื่น ค่าวัสดุสิ้นเปลืองต่างๆ ค่าแรงงานของบุคลากร

ลักษณะและขนาดของหลุมเจาะ (Bore Characteristic) ขึ้นอยู่กับความดันของแหล่งอุณหภูมิ อัตราการไหล พลังงาน ของน้ำร้อนหรือไอน้ำ คุณภาพของน้ำร้อนหรือไอน้ำ ความพรุนและความสามารถในการไหลผ่านได้ของของไหล (Porosity and Permeability)

การรวบรวมและการส่งพลังงานความร้อนของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Fluid Collection and Transmission) ขึ้นอยู่กับการออกแบบและวางท่อ (Piping) การติดตั้งวาล์ว การติดตั้งระบบ แยกไอน้ำกับน้ำร้อน การติดตั้งเครื่องเก็บเสียง (Silencer) การติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ความปลอดภัย การวางระบบสำหรับ ปล่อยน้ำกลับลงไปใต้ดิน (Re-Injection System)

ขนาดกำลังผลิตไฟฟ้า (Electricity Potential) จะพิจารณาจากอัตราการไหล อุณหภูมิ ความดัน ค่าความร้อนของ น้ำ/ไอน้ำประสิทธิภาพของการเปลี่ยนพลังงานความร้อนไปเป็นไฟฟ้า ซึ่งจะขึ้นกับการวางท่อ การติดตั้งอุปกรณ์ และ เครื่องแยกน้ำร้อนและไอน้ำ ชนิดและการออกแบบของกังหันและเครื่องควบแน่น ขนาดของโรงไฟฟ้าจะเป็นตัวแปรสำคัญในการก่อสร้างโรงไฟฟ้า ถ้าขนาดใหญ่ต้นทุนต่อกิโลวัตต์ติดตั้งของโรงไฟฟ้าก็จะลดลง ถ้าชนิดของโรงไฟฟ้าไม่ซับซ้อนต้นทุนโรงไฟฟ้าก็จะถูกลง แต่ถ้าซับซ้อนต้นทุนก็จะสูงขึ้น

ชนิดของโรงไฟฟ้าที่จะใช้ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน ปริมาณของไอน้ำร้อน และน้ำร้อน ขนาดของแหล่งกักเก็บ ปริมาณแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำร้อน

อัตราเงินเฟ้อ และอัตราเพิ่มของราคาน้ำมัน ถ้าราคาน้ำมันเพิ่มสูงกว่าอัตราเงินเฟ้อ การนำพลังงานความร้อนใต้พิภพ มาใช้งาน ก็จะมีข้อได้เปรียบแต่ถ้าอัตราเงินเฟ้อสูงกว่าก็จะเป็นข้อเสียเปรียบ

สถานการณ์ของพลังงานในประเทศ (Energy Situation) ถ้าเป็นประเทศนำเข้าพลังงาน การพัฒนาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพก็มีความจำเป็นเพราะจะได้ลดการนำเข้าพลังงานจากต่างประเทศ ลดดุลย์การค้าและการชำระเงิน

ผลพลอยได้จากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal By Product) เช่น การนำน้ำร้อนที่ได้ไปใช้ ในการเกษตร การอบแห้ง หรือใช้ในอุตสาหกรรม นอกจากนี้อาจจะพัฒนาเป็นแหล่งท่องเที่ยวด้วย ปัจจัยต่างๆ เหล่านี้เป็นเรื่องที่จะต้องนำมาพิจารณาประกอบการพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพให้คุ้มค่าในเชิงเศรษฐศาสตร์

รูปที่ 13 ในประเทศหนาว การใช้ประโยชน์จากน้ำพุร้อนมาให้ความอบอุ่นกับเรือนกระจก (Greenhouse)
ทำให้พืชเจริญเติบโตได้ดี

รูปที่ 14 ฟาร์มจระเข้ที่ใช้น้ำพุร้อนช่วยในการให้ความอบอุ่น ที่ Idaho

การใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนใต้พิภพพิจารณาในแง่สิ่งแวดล้อม

พลังงานความร้อนใต้พิภพสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้หลายด้านดังกล่าวแล้ว อย่างไรก็ตามหากพิจารณาในแง่สิ่งแวดล้อมแล้วก็อาจมีผลกระทบได้ เช่นเดียวกับการใช้พลังงานชนิดอื่น ดังนั้นการนำมาใช้จึงต้องเตรียมศึกษาและป้องกันผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมไว้ด้วย กระนั้นก็ตามเป็นที่น่ายินดีว่าการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนใต้พิภพจะไม่ก่อให้เกิดผลกระทบกระเทือนที่ร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อม ผลกระทบที่จะมีก็เป็นเรื่องที่ป้องกันได้ดังที่ทำกันได้ผลแล้วในประเทศต่างๆ มีดังนี้

• หากน้ำจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพมีปริมาณแร่ธาตุละลายอยู่ในปริมาณที่สูง การนำมาใช้ก็อาจจะมีผลกระทบต่อระบบบาดาล หรือน้ำบนผิวดินที่ใช้ในการเกษตรหรือใช้อุปโภคบริโภคได้ วิธีการป้องกันคือ ทำให้ปริมาณแร่ธาตุเหล่านั้นตกตะกอน (Ponding and Evaporation) เสียก่อน หรืออัดน้ำที่ผ่านการใช้แล้วนั้นกลับคืนสู่ใต้ผิวดิน (Re-injection) ลงไปอยู่ในชั้นหินที่ปลอดภัย
• อาจมีก๊าซประเภทที่ไม่รวมตัว (Noncondensible Gases) เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟต์และก๊าซอื่นๆ มีปริมาณสูงอยู่ที่แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ ซึ่งหากหายใจเข้าไปอาจทำให้ระบบ1การหายใจขัดข้องได้ วิธีการป้องกันคือ หากพบว่ามีก๊าซเหล่านี้อยู่จะต้องเปลี่ยนสภาพของก๊าซ ให้เป็นกรดโดยผ่านก๊าซเข้าไปในน้ำ ก็จะได้กรดซัลฟูริด