พลังงานความร้อนใต้พิภพ (geothermal energy)-ชีววิทยา

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

พลังงานความร้อนใต้พิภพ
พลังงานความร้อนใต้พิภพ หมายถึง พลังงานความร้อนตามธรรมชาติที่ได้จากแหล่งความร้อนที่ถูกกักเก็บอยู่ภายใต้ผิวโลก โดยปกติอุณหภูมิใต้ผิวโลกจะเพิ่มขึ้นตามความลึก และเมื่อยิ่งลึกลงไปถึงภายในใจกลางของโลก จะมีแหล่งพลังงานความร้อนมหาศาลอยู่ ความร้อนที่อยู่ใต้ผิวโลกนี้มีแรงดันสูงมาก จึงพยายามที่จะดันตัวออกจากผิวโลกตามรอยแตกต่างๆ แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ มักพบในบริเวณที่เรียกว่าจุดร้อน (hot spots) โดยบริเวณนั้นจะมีค่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามความลึก มีบริเวณที่มีการไหล หรือแผ่กระจาย ของความร้อน จากภายใต้ผิวโลกขึ้นมาสู่ผิวดิน (geothermal gradient) มากกว่าปกติประมาณ 1.5-5 เท่า เนื่องจากในบริเวณดังกล่าวเปลือกโลกมีการขยับตัวเคลื่อนที่ทำให้เกิดรอยแตกของชั้นหิน สามารถแบ่งได้ดังนี้

ชั้นเปลือกโลก แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ
1. เปลือกโลกส่วนบน (upper crust) หรือเรียกว่า ชั้นไซอัล (sial)
2. เปลือกโลกส่วนล่าง (lower crust) หรือเรียกว่า ชั้นไซมา (sima)
ชั้นแมนเทิล สามารถแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ
1. ชั้นแมนเทิลส่วนบน (upper mantle)
2. ชั้นแมนเทิลส่วนล่าง (lower mantle)
แกนโลก สามารถแบ่งออกเป็น 2 ชั้น คือ
1. แกนโลกชั้นนอก (outer core)
2. แกนโลกชั้นใน (inner core)
ลักษณะทั่วไปของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ สามารถแบ่งเป็นลักษณะใหญ่ๆ ได้ 4 ลักษณะคือ
1. แหล่งที่เป็นไอน้ำ เป็นแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพที่อยู่ใกล้กับแหล่งหินหลอมเหลวในระดับตื้นๆ ทำให้น้ำในบริเวณนั้นได้รับพลังงานความร้อนสูงจนกระทั่งเกิดการเดือดเป็นไอน้ำร้อน
2. แหล่งที่เป็นน้ำร้อน ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นน้ำเค็ม (hot brine sources) เป็นแหล่งพลังงานความร้อนที่พบเห็นได้ทั่วไป มีลักษณะเป็นน้ำเค็มร้อนโดยมีจะอุณหภูมิต่ำกว่า 180 องศาเซลเซียส
3. แหล่งที่เป็นหินร้อนแห้ง แหล่งที่เป็นหินร้อนแห้ง (hot dry rock) เป็นแหล่งที่สะสมพลังงานความร้อนในรูปของหินเนื้อแน่นโดยไม่มีน้ำร้อนหรือไอน้ำเกิดขึ้นเลย แหล่งลักษณะนี้จะมีค่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามความลึกเกินกว่า 40 องศาเซลเซียส
4. แหล่งที่เป็นแมกมา (molten magma) แมกมาหรือลาวาเหลว เป็นแหล่งพลังงานความร้อนที่มีค่าสูงสุดในบรรดาแหล่งพลังงานความร้อนที่กล่าวมา โดยมีอุณหภูมิสูงกว่า 650 องศาเซลเซียส ส่วนใหญ่จะพบในแอ่งใต้ภูเขาไฟ

โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ
การใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนใต้พิภพมีมาตั้งแต่สมัยโรมัน โดยใช้ในลักษณะของการนำน้ำร้อนมาเพื่อการรักษาโรคและใช้ประโยชน์ภายในครัวเรือน ในยุคต่อมาได้มีการนำเอาไอน้ำร้อนมาใช้ในการประกอบอาหาร ใช้น้ำร้อนสำหรับอาบชำระร่างกาย ใช้ล้างภาชนะ และใช้ในการบำบัดรักษาโรค การใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพเพื่อการผลิตไฟฟ้าเริ่มต้นขึ้นในปี 1913 ที่ประเทศอิตาลี โดยใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพจากแหล่งลาร์เดอเรลโล มีขนาดกำลังการผลิต 250 กิโลวัตต์ นับว่าเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแห่งแรกในโลกที่มีการผลิตไฟฟ้าออกมาในเชิงอุตสาหกรรม โดยในปัจจุบันได้พัฒนาและขยายเป็นโรงไฟฟ้าขนาด 700 เมกะวัตต์ นอกจากนี้ยังมีแผนที่จะเพิ่มขนาดกำลังการผลิตมากขึ้นเป็น 1,200 เมกะวัตต์ (กลับขึ้นด้านบน)

ผลกระทบจากการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ

พลังงานความร้อนใต้พิภพ สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้หลายประการดังที่ได้กล่าวมาแล้ว อย่างไรก็ตามการใช้ประโยชน์จากแหล่งพลังงานความร้อนนี้ แม้จะไม่ก่อให้เกิดผลกระทบที่ร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อม แต่ก็ควรทำการศึกษาเพื่อทำความเข้าใจและหาทางป้องกันผลกระทบที่อาจจะเกิดตามมาได้ ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพสามารถสรุปได้ดังนี้
– ก๊าซพิษ โดยทั่วไปพลังงานความร้อนที่ได้จากแหล่งใต้พิภพ มักมีก๊าซประเภทที่ไม่
สามารถรวมตัว ซึ่งก๊าซเหล่านี้จะมีอันตรายต่อระบบการหายใจหากมีการสูดดมเข้าไป ดังนั้นจึงต้องมีวิธีกำจัดก๊าซเหล่านี้โดยการเปลี่ยนสภาพของก๊าซให้เป็นกรด โดยการให้ก๊าซนั้นผ่านเข้าไปในน้ำซึ่งจะเกิด ปฏิกิริยาเคมีได้เป็นกรดซัลฟิวริกขึ้น โดยกรดนี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้
– แร่ธาตุ น้ำจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพในบางแหล่ง มีปริมาณแร่ธาตุต่างๆ ละลายอยู่ในปริมาณที่สูงซึ่งการนำน้ำนั้นมาใช้แล้วปล่อยระบายลงไปผสมกับแหล่งน้ำธรรมชาติบนผิวดินจะส่งผลกระทบต่อระบบน้ำผิวดินที่ใช้ในการเกษตรหรือใช้อุปโภคบริโภคได้ ดังนั้นก่อนการปล่อยน้ำออกไป จึงควรทำการแยกแร่ธาตุต่างๆ เหล่านั้นออก โดยการทำให้ตกตะกอนหรืออาจใช้วิธีอัดน้ำนั้นกลับคืนสู่ใต้ผิวดินซึ่งต้องให้แน่ใจว่าน้ำที่อัดลงไปนั้นจะไม่ไหลไปปนกับแหล่งน้ำใต้ดินธรรมชาติที่มีอยู่ ความร้อนปกติน้ำจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ ที่ผ่านการใช้ประโยชน์จากระบบผลิตไฟฟ้าแล้วจะมีอุณหภูมิลดลง แต่อาจยังสูงกว่าอุณหภูมิของน้ำในแหล่งธรรมชาติเพราะยังมีความร้อนตกค้างอยู่
ดังนั้นก่อนการระบายน้ำนั้นลงสู่แหล่งน้ำธรรมชาติควรทำให้น้ำนั้นมีอุณหภูมิเท่าหรือใกล้เคียงกับอุณหภูมิของน้ำในแหล่งธรรมชาติเสียก่อน โดยอาจนำไปใช้ประโยชน์อีกครั้งคือการนำไปผ่านระบบการอบแห้งหรือการทำความอบอุ่นให้กับบ้านเรือน
– การทรุดตัวของแผ่นดิน ซึ่งการนำเอาน้ำร้อนจากใต้ดินขึ้นมาใช้ ย่อมทำให้ในแหล่งพลังงานความร้อนนั้นเกิดการสูญเสียเนื้อมวลสารส่วนหนึ่งออกไป ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาการทรุดตัวของแผ่นดินขึ้นได้ ดังนั้นหากมีการสูบน้ำร้อนขึ้นมาใช้ จะต้องมีการอัดน้ำซึ่งอาจเป็นน้ำร้อนที่ผ่านการใช้งานแล้วหรือน้ำเย็นจากแหล่งอื่นลงไปทดแทนในอัตราเร็วที่เท่ากัน เพื่อป้องกันปัญหาการทรุดตัวของแผ่นดิน (กลับขึ้นด้านบน)