भूतापीय ताप

भूतापीय तापन कुछ ताप अनुप्रयोगों के लिए भूतापीय ऊर्जा का प्रत्यक्ष उपयोग है। मनुष्य ने पुरापाषाण युग से भूतापीय ताप का इस तरह लाभ उठाया है। 2004 में लगभग सत्तर देशों ने कुल 270 उड़ जाना भूतापीय तापन का प्रत्यक्ष उपयोग किया। 2007 तक, दुनिया भर में 28 गीगावाट की भूतापीय तापन क्षमता स्थापित है, जो वैश्विक प्राथमिक ऊर्जा खपत के 0.07% को संतुष्ट करती है। ऊष्मीय दक्षता अधिक है क्योंकि किसी ऊर्जा रूपांतरण की आवश्यकता नहीं है, लेकिन क्षमता कारक कम (लगभग 20%) होते हैं क्योंकि गर्मी की ज्यादातर सर्दियों में आवश्यकता होती है।

भूतापीय (भूविज्ञान) ग्रह के मूल गठन के बाद से पृथ्वी के भीतर बरकरार गर्मी से उत्पन्न होता है, खनिजों के रेडियोधर्मी क्षय से, और सतह पर अवशोषित सौर ऊर्जा से। अधिकांश उच्च तापमान भू-तापीय ताप विवर्तनिक प्लेट सीमाओं के करीब के क्षेत्रों में काटा जाता है जहां ज्वालामुखीय गतिविधि पृथ्वी की सतह के करीब बढ़ती है। इन क्षेत्रों में, भूजल और भूजल को आवेदन के लक्षित तापमान से अधिक तापमान के साथ पाया जा सकता है। हालाँकि, ठंडी जमीन में भी गर्मी होती है। नीचे 6 m, औसत वार्षिक वायु तापमान पर स्थिर जमीन का तापमान लगातार होता है, और इस गर्मी को ग्राउंड सोर्स हीट पंप से निकाला जा सकता है।

अनुप्रयोग
घरों, ग्रीनहाउस, स्नान और तैराकी या औद्योगिक उपयोगों को गर्म करने सहित सस्ते भू-तापीय ताप के लिए कई प्रकार के अनुप्रयोग हैं। अधिकांश अनुप्रयोग 50 °C (122 °F) और 150 °C (302 °F) के बीच गर्म तरल पदार्थ के रूप में भूतापीय का उपयोग करते हैं। विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त तापमान भिन्न होता है। भूतापीय ताप के प्रत्यक्ष उपयोग के लिए, कृषि क्षेत्र के लिए तापमान सीमा 25 °C (77 °F) और 90 °C (194 °F) के बीच होती है, अंतरिक्ष ताप के लिए 50 °C (122 °F) से 100 ° के बीच होती है। सी (212 डिग्री फारेनहाइट)। हीट पाइप तापमान सीमा को 5 °C (41 °F) तक बढ़ा देते हैं क्योंकि वे गर्मी को निकालते और बढ़ाते हैं। 150 डिग्री सेल्सियस (302 डिग्री फारेनहाइट) से अधिक भू-तापीय ताप आमतौर पर भू-तापीय विद्युत उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है। 2004 में आधे से अधिक सीधे भू-तापीय ताप का उपयोग अंतरिक्ष को गर्म करने के लिए किया गया था, और एक तिहाई का उपयोग स्पा के लिए किया गया था। शेष का उपयोग विभिन्न प्रकार की औद्योगिक प्रक्रियाओं, अलवणीकरण, घरेलू गर्म पानी और कृषि अनुप्रयोगों के लिए किया गया था। रेक्जाविक और एक्यूरीरी के शहर सड़कों और फुटपाथों के नीचे भू-तापीय संयंत्रों से बर्फ पिघलने के लिए गर्म पानी की आपूर्ति करते हैं। भूतापीय विलवणीकरण का प्रदर्शन किया गया है।

भूतापीय प्रणालियां पैमाने की अर्थव्यवस्थाओं से लाभान्वित होती हैं, इसलिए अंतरिक्ष ताप शक्ति को अक्सर कई इमारतों, कभी-कभी पूरे समुदायों में वितरित किया जाता है। यह तकनीक, रिक्जेविक, आइसलैंड जैसे स्थानों में लंबे समय से दुनिया भर में प्रचलित है; बोइस, इडाहो; और क्लैमथ फॉल्स, ओरेगन; जिला तापन के रूप में जाना जाता है। यूरोपीय भू-तापीय ऊर्जा परिषद (ईजीईसी) के अनुसार अकेले यूरोप में 280 भू-तापीय जिला ताप संयंत्र 2016 में लगभग 4.9 GWth की कुल क्षमता के साथ परिचालन में थे।

निष्कर्षण
पश्चिमी संयुक्त राज्य अमेरिका के पर्याप्त हिस्से सहित दुनिया के कुछ हिस्से अपेक्षाकृत उथले भू-तापीय संसाधनों के अधीन हैं। इसी तरह की स्थितियां आइसलैंड, जापान के कुछ हिस्सों और दुनिया भर के अन्य भू-तापीय गर्म स्थानों में मौजूद हैं। इन क्षेत्रों में, पानी या भाप को प्राकृतिक गर्म झरनों से पकड़ा जा सकता है और सीधे RADIATORS या उष्मा का आदान प्रदान करने वाला्स में पाइप किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, गर्मी एक भू-तापीय विद्युत संयंत्र से या गहरे कुओं से गर्म जलभृतों में सह-उत्पादन द्वारा आपूर्ति की गई अपशिष्ट गर्मी से आ सकती है। प्रत्यक्ष भू-तापीय तापन भू-तापीय बिजली उत्पादन की तुलना में कहीं अधिक कुशल है और इसकी कम मांग वाली तापमान आवश्यकताएं हैं, इसलिए यह एक बड़ी भौगोलिक सीमा पर व्यवहार्य है। यदि उथली जमीन गर्म लेकिन सूखी है, तो हवा या पानी को पृथ्वी ट्यूब या डाउनहोल हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से परिचालित किया जा सकता है जो जमीन के साथ हीट एक्सचेंजर्स के रूप में कार्य करते हैं।

भूतापीय ऊर्जा से बिजली उत्पन्न करने के लिए गहरे भू-तापीय संसाधनों से सुपर तरल का भी उपयोग किया जाता है। आइसलैंड डीप ड्रिलिंग प्रोजेक्ट ने 2,100 मीटर पर मैग्मा की जेब पर प्रहार किया। मेग्मा के करीब तल पर एक छिद्र के साथ छेद में एक सीमेंटेड स्टीलकेस का निर्माण किया गया था। मैग्मा भाप के उच्च तापमान और दबाव का उपयोग 36MW बिजली उत्पन्न करने के लिए किया गया, जिससे IDDP-1 दुनिया का पहला मैग्मा-वर्धित भू-तापीय प्रणाली बन गया। उन क्षेत्रों में जहां उथली जमीन इतनी ठंडी है कि सीधे आराम प्रदान नहीं कर सकती, यह अभी भी सर्दियों की हवा की तुलना में गर्म है। उथली जमीन की ऊष्मीय जड़ता सौर को बरकरार रखती है गर्मियों में संचित ऊर्जा, और जमीन के तापमान में मौसमी बदलाव 10 मीटर की गहराई से पूरी तरह से गायब हो जाते हैं। पारंपरिक भट्टियों द्वारा उत्पन्न की जा सकने वाली ऊष्मा को भू-तापीय ऊष्मा पम्प से अधिक कुशलता से निकाला जा सकता है। भूतापीय ताप पंप दुनिया में कहीं भी अनिवार्य रूप से आर्थिक रूप से व्यवहार्य हैं।

सिद्धांत रूप में, भू-तापीय ऊर्जा (आमतौर पर शीतलन) को मौजूदा बुनियादी ढांचे से भी निकाला जा सकता है, जैसे नगरपालिका जल पाइप।

ग्राउंड-सोर्स हीट पंप
किसी भी उच्च तापमान भू-तापीय संसाधनों के बिना क्षेत्रों में, एक भू-तापीय ताप पंप | भू-स्रोत ताप पंप (जीएसएचपी) अंतरिक्ष हीटिंग और अंतरिक्ष शीतलन प्रदान कर सकता है। रेफ्रिजरेटर या एयर कंडीशनर की तरह, ये सिस्टम जमीन से इमारत तक गर्मी के हस्तांतरण को मजबूर करने के लिए हीट पंप का उपयोग करते हैं। गर्मी को किसी भी स्रोत से निकाला जा सकता है, चाहे वह कितना भी ठंडा क्यों न हो, लेकिन एक गर्म स्रोत उच्च दक्षता की अनुमति देता है। एक भू-स्रोत ऊष्मा पम्प उथली भूमि या भूजल का उपयोग करता है (आमतौर पर शुरू होता है 10 - 12 C) गर्मी के स्रोत के रूप में, इस प्रकार इसके मौसमी मध्यम तापमान का लाभ उठाते हुए। इसके विपरीत, एक वायु स्रोत ऊष्मा पम्प हवा से गर्मी (बाहर की ठंडी हवा) खींचता है और इस प्रकार अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

GSHPs जमीन में दबे बंद पाइप लूप के माध्यम से एक वाहक द्रव (आमतौर पर पानी और थोड़ी मात्रा में एंटीफ्रीज का मिश्रण) को प्रसारित करते हैं। सिंगल-होम सिस्टम बोर होल के साथ वर्टिकल लूप फील्ड सिस्टम हो सकते हैं 50 - 400 ft गहरा या, यदि व्यापक खाइयों के लिए पर्याप्त भूमि उपलब्ध है, तो लगभग छह फीट उपसतह पर एक क्षैतिज लूप क्षेत्र स्थापित किया जाता है। जैसा कि तरल पदार्थ भूमिगत रूप से प्रसारित होता है, यह जमीन से गर्मी को अवशोषित करता है और इसकी वापसी पर, गर्म तरल पदार्थ गर्मी पंप से गुजरता है जो द्रव से गर्मी निकालने के लिए बिजली का उपयोग करता है। फिर से ठंडा किया गया द्रव वापस जमीन में भेज दिया जाता है जिससे चक्र जारी रहता है। गर्मी निकाली जाती है और गर्मी पंप उपकरण द्वारा उप-उत्पाद के रूप में उत्पन्न होती है जिसका उपयोग घर को गर्म करने के लिए किया जाता है। ऊर्जा समीकरण में ग्राउंड हीटिंग लूप को जोड़ने का मतलब है कि अकेले बिजली को सीधे हीटिंग के लिए इस्तेमाल करने की तुलना में काफी अधिक गर्मी को एक इमारत में स्थानांतरित किया जा सकता है।

गर्मी के प्रवाह की दिशा बदलते हुए, गर्मी के महीनों में ठंडा करने के लिए घर के माध्यम से ठंडा पानी प्रसारित करने के लिए उसी प्रणाली का उपयोग किया जा सकता है। एक एयर कंडीशनर के रूप में गर्म बाहरी हवा में पहुंचाने के बजाय गर्मी अपेक्षाकृत ठंडे मैदान (या भूजल) तक समाप्त हो जाती है। नतीजतन, गर्मी को बड़े तापमान अंतर में पंप किया जाता है और इससे उच्च दक्षता और कम ऊर्जा उपयोग होता है।

यह तकनीक किसी भी भौगोलिक स्थिति में ग्राउंड सोर्स हीटिंग को आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाती है। 2004 में, 15 GW की कुल क्षमता वाले अनुमानित मिलियन ग्राउंड-सोर्स हीट पंपों ने स्पेस हीटिंग के लिए 88 PJ ऊष्मा ऊर्जा निकाली। ग्लोबल ग्राउंड-सोर्स हीट पंप की क्षमता सालाना 10% बढ़ रही है।

इतिहास
कम से कम पुरापाषाण काल ​​से गर्म झरनों का उपयोग स्नान के लिए किया जाता रहा है। सबसे पुराना ज्ञात स्पा चीन के मोंट ली पर एक पत्थर का पूल है, जिसे तीसरी शताब्दी ईसा पूर्व में किन राजवंश में बनाया गया था, उसी स्थान पर जहां हू अकिंग सी हाय महल बाद में बनाया गया था। जियोथर्मल ऊर्जा ने पॉम्पी में 0 ईस्वी के आसपास बाथ और घरों के लिए जिला तापन की आपूर्ति की। पहली शताब्दी ईस्वी में, रोमनों ने इंग्लैंड में सुलिस का पानी पर विजय प्राप्त की और वहां के गर्म झरनों का उपयोग थर्मल और भूमिगत अग्निकोष्ठ को खिलाने के लिए किया। इन स्नानों के लिए प्रवेश शुल्क संभवतः भू-तापीय शक्ति के पहले व्यावसायिक उपयोग का प्रतिनिधित्व करता है। आइसलैंड में एक 1,000 साल पुराना हॉट टब स्थित है, जहां इसे द्वीप के मूल निवासियों में से एक ने बनाया था। चाउड्स-एग्यूस, फ्रांस में दुनिया का सबसे पुराना कामकाजी भू-तापीय जिला हीटिंग सिस्टम 14वीं सदी से काम कर रहा है। प्रारंभिक औद्योगिक शोषण 1827 में लार्ड़ेरेलो, इटली में ज्वालामुखी मिट्टी से बोरिक एसिड निकालने के लिए गीजर भाप के उपयोग के साथ शुरू हुआ।

1892 में, बोइस, इडाहो में अमेरिका का पहला डिस्ट्रिक्ट हीटिंग सिस्टम सीधे भू-तापीय ऊर्जा द्वारा संचालित किया गया था, और जल्द ही 1900 में ओरेगॉन के क्लैमथ फॉल्स में कॉपी किया गया था। आइसलैंड और टस्कनी में लगभग एक ही समय में ग्रीनहाउस गर्म करने के लिए। चार्ली लिब ने 1930 में अपने घर को गर्म करने के लिए पहला डाउनहोल हीट एक्सचेंजर विकसित किया। 1943 में आइसलैंड में घरों को गर्म करने के लिए गीज़र के भाप और गर्म पानी का इस्तेमाल किया जाने लगा।

इस समय तक, लॉर्ड केल्विन ने पहले ही 1852 में ऊष्मा पम्प का आविष्कार कर लिया था, और हेनरिक ज़ोली ने 1912 में जमीन से गर्मी निकालने के लिए इसका उपयोग करने के विचार का पेटेंट कराया था। लेकिन यह 1940 के दशक के अंत तक नहीं था कि भूतापीय ताप पंप को सफलतापूर्वक लागू किया गया था। सबसे पहला संभवत: रॉबर्ट सी. वेबर का घर-निर्मित 2.2 kW डायरेक्ट-एक्सचेंज सिस्टम था, लेकिन स्रोत उनके आविष्कार की सटीक समयरेखा के बारे में असहमत हैं। जे. डोनाल्ड क्रॉकर ने कॉमनवेल्थ बिल्डिंग (पोर्टलैंड, ओरेगॉन) को गर्म करने के लिए पहला वाणिज्यिक भू-तापीय ताप पंप डिजाइन किया और 1946 में इसका प्रदर्शन किया। ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर कार्ल नीलसन ने 1948 में अपने घर में पहला आवासीय ओपन लूप संस्करण बनाया। 1973 के तेल संकट के परिणामस्वरूप यह तकनीक स्वीडन में लोकप्रिय हो गई और तब से दुनिया भर में इसकी स्वीकार्यता धीरे-धीरे बढ़ रही है। 1979 में पॉलीब्यूटिलीन पाइप के विकास ने हीट पंप की आर्थिक व्यवहार्यता को बहुत बढ़ा दिया। 2004 तक, दुनिया भर में एक लाख से अधिक भू-तापीय ऊष्मा पम्प स्थापित हैं जो 12 GW तापीय क्षमता प्रदान करते हैं। हर साल, लगभग 80,000 इकाइयां अमेरिका में और 27,000 स्वीडन में स्थापित की जाती हैं।

अर्थशास्त्र
भूतापीय ऊर्जा एक प्रकार की नवीकरणीय ऊर्जा है जो प्राकृतिक संसाधनों के संरक्षण को प्रोत्साहित करती है। यूएस यूनाइडेट स्टेट्स पर्यावरणीय संरक्षण एजेंसी के अनुसार, भू-विनिमय सिस्टम पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में घर के मालिकों को हीटिंग लागत में 30-70 प्रतिशत और कूलिंग लागत में 20-50 प्रतिशत की बचत करते हैं। जियो-एक्सचेंज सिस्टम पैसे भी बचाते हैं क्योंकि उन्हें बहुत कम रखरखाव की आवश्यकता होती है। अत्यधिक विश्वसनीय होने के अलावा वे दशकों तक बने रहने के लिए बनाए गए हैं।

कुछ उपयोगिताओं, जैसे कैनसस सिटी पावर एंड लाइट, भू-तापीय ग्राहकों के लिए विशेष, कम सर्दियों की दरों की पेशकश करते हैं, और भी अधिक बचत की पेशकश करते हैं।

भूतापीय ड्रिलिंग जोखिम
भू-तापीय तापन परियोजनाओं में भूमिगत खाइयों या ड्रिलहोल्स द्वारा प्रवेश किया जाता है। जैसा कि सभी भूमिगत कार्यों के साथ होता है, यदि क्षेत्र के भूविज्ञान को अच्छी तरह से नहीं समझा जाता है, तो परियोजनाएँ समस्याएँ पैदा कर सकती हैं।

2007 के वसंत में स्टॉफेन इम ब्रिसगौ के टाउन हॉल को भू-तापीय ताप प्रदान करने के लिए एक अन्वेषणात्मक भू-तापीय ड्रिलिंग ऑपरेशन आयोजित किया गया था। शुरू में कुछ मिलीमीटर डूबने के बाद, एक प्रक्रिया जिसे अवतलन कहा जाता है, शहर का केंद्र धीरे-धीरे ऊपर उठना शुरू हो गया है शहर के केंद्र में इमारतों को काफी नुकसान पहुंचाते हुए, टाउन हॉल सहित कई ऐतिहासिक घरों को प्रभावित किया। यह अनुमान लगाया गया है कि ड्रिलिंग ने एक anhydrite परत को छिद्रित किया जिससे उच्च दबाव वाले भूजल को एनहाइड्राइट के संपर्क में आने के लिए लाया गया, जो तब विस्तार करना शुरू कर दिया। वर्तमान में बढ़ती प्रक्रिया का कोई अंत नजर नहीं आ रहा है।  परिवर्तनों से पहले और बाद में TerraSAR एक्स रडार उपग्रह से डेटा ने स्थिति की स्थानीय प्रकृति की पुष्टि की:

<ब्लॉककोट>इन टेक्टोनिक उत्थान के कारण के रूप में एनहाइड्राइट सूजन नामक भू-रासायनिक प्रक्रिया की पुष्टि की गई है। यह जिप्सम (हाइड्रस कैल्शियम सल्फेट) में खनिज एनहाइड्राइट (निर्जल कैल्शियम सल्फेट) का परिवर्तन है। इस परिवर्तन के लिए एक पूर्व शर्त यह है कि एनहाइड्राइट पानी के संपर्क में है, जो तब इसकी क्रिस्टलीय संरचना में जमा हो जाता है। संभावित जोखिमों के अन्य स्रोत हैं, जैसे: गुफा का विस्तार या स्थिरता की स्थिति का बिगड़ना, भूजल संसाधनों की गुणवत्ता या मात्रा में गिरावट, भूस्खलन-प्रवण क्षेत्रों के मामले में विशिष्ट खतरे का बिगड़ना, चट्टानी यांत्रिक विशेषताओं का बिगड़ना, मिट्टी और जल प्रदूषण (अर्थात। एंटीफ्रीज एडिटिव्स या प्रदूषणकारी रचनात्मक और उबाऊ सामग्री के कारण)। साइट-विशिष्ट भूगर्भीय, हाइड्रोजियोलॉजिकल और पर्यावरण ज्ञान के आधार पर परिभाषित डिज़ाइन इन सभी संभावित जोखिमों को रोकता है।

यह भी देखें

 * वार्षिक भूतापीय सौर
 * कार्नोट की प्रमेय (थर्मोडायनामिक्स)
 * एक स्रोत से जिले को उष्मा या गर्म पानी की आपूर्ति
 * भूतापीय ढाल
 * भूतापीय (भूविज्ञान)
 * भूतापीय उर्जा
 * भूतापीय ताप पंप
 * थर्मल बैटरी

बाहरी कड़ियाँ

 * Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) - Geothermal Technologies Program
 * Idaho National Laboratory - Geothermal Energy
 * Oregon Institute of Technology - Geo-Heat Center
 * Southern Methodist University - Geothermal Lab
 * Geothermal Technologies Program at the US National Renewable Energy Lab
 * The Canadian GeoExchange Coalition

Jeotermal Enerji