เนื้อหา

แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทย (GEOTHERMAL ENERGY IN THAILAND)

พลังงานความร้อนใต้พิภพเป็นแหล่งพลังงานตามธรรมชาติชนิดหนึ่ง ที่มีโอกาสจะพัฒนาขึ้นมาใช้ประโยชน์ได้หลายรูปแบบ การมีแหล่งน้ำพุร้อนเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่บ่งบอกถึงการมีแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพของพื้นที่ ทั้งนี้เนื่องจากน้ำพุร้อน (Hot spring) เป็นน้ำพุธรรมชาติที่ผุดขึ้นมาจากชั้นเปลือกโลก เนื่องจากความดันของของไหลที่มีอุณหภูมิสูงกว่าของชั้นบรรยากาศ ระดับอุณหภูมิของน้ำที่สูงขึ้น เกิดจากการที่น้ำบาดาลไหลลงไปตามรอยแตกของหินชั้นเปลือกโลก แล้วได้รับความร้อนจากภายในโลกรวมกับการแพร่กระจายจากหินหลอมเหลว (Magma) ที่ระดับลึก ดังนั้นน้ำพุร้อนแต่ละแห่งอาจมีกลิ่นและรสแตกต่างกัน เนื่องจากความแตกต่างและปริมาณธาตุรวมทั้งก๊าซที่ละลายมาจากหิน 

พลังงานความร้อนเป็นพลังงานธรรมชาติที่เกิดจากการกักเก็บความร้อนไว้ใต้ผิวโลก โดยโครงสร้างของโลกมีด้วยกัน 3 ชั้น อันประกอบไปด้วย

ชั้นเปลือกโลก (Crust) คือ ชั้นนอกสุดของโลกหรือชั้นผิวโลกมีความหนาประมาณ 0-100 km ทั้งนี้ชั้นเปลือกโลกสามารถแบ่งได้เป็น 2 ส่วน คือ เปลือกโลกส่วนบน (Upper crust) หรือเรียกว่า ชั้นไซอัล (Sial) เป็นชั้นผิวโลกที่มีความหนาแน่นต่ำ ประกอบด้วยแร่ธาตุจำพวกหินบะซอลต์ (Basalt) และซิลิเกต (Silicates) เป็นส่วนใหญ่ เปลือกโลกส่วนล่าง (Lower crust) หรือเรียกว่า ชั้นไซมา (Sima) เป็นชั้นที่มีความหนาของผิวโลกบาง แต่มีความหนาแน่นมากกว่าเปลือกโลกส่วนบน ชั้นนี้ประกอบด้วยแร่ธาตุจำพวก หินตะกอนและหินทรายเป็นส่วนใหญ่ รวมทั้งเป็นแหล่งสะสมน้ำมันและก๊าซธรรมชาติ ดังนั้นสำหรับผิวโลกที่เป็นภาคพื้นทวีปจะประกอบด้วยเปลือกโลกชั้นไซอัลและชั้นไซมา มีความหนามากกว่าส่วนผิวโลกที่อยู่ใต้มหาสมุทร ซึ่งมีเพียงเปลือกโลกชั้นไซมาเท่านั้น

ถัดจากชั้นเปลือกโลกจะเป็นชั้นแมนเทิล (Mantle) เป็นชั้นที่อยู่ระหว่างเปลือกโลกกับแกนโลก มีปริมาตรมากที่สุดหรือประมาณ 80% ของปริมาตรโลก แร่ธาตุในชั้นนี้มีส่วนประกอบของแมกนีเซียม (Magnesium) และเหล็ก (Iron) เป็นส่วนใหญ่ โดยชั้นนี้แบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนบน (Upper mantle) และส่วนล่าง (Lower mantle) หินในชั้นแมนเทิลส่วนบนมีอุณหภูมิต่ำและค่อนข้างเปราะแตกได้ง่าย เมื่อมีแรงมากระทำและก่อให้เกิดแผ่นดินไหวตามมา ในขณะที่หินในชั้นแมนเทิลส่วนล่างมีอุณหภูมิสูงและค่อนข้างอ่อน ชั้นแมนเทิลอยู่ลึกลงไปจากผิวโลกประมาณ 2,900 km อุณหภูมิสูงกว่า 3,500 °C

ชั้นในสุดของโลกเรียกว่า แกนโลก (Core) มีความหนาแน่นและอุณหภูมิสูงมาก ประกอบด้วยแร่ธาตุจำพวกโลหะของเหล็ก (Iron) และนิกเกิล (Nickel) เกือบทั้งหมด ในชั้นนี้สามารถแบ่งออกเป็น 2 ชั้น คือ แกนโลกชั้นนอก (Outer core) มีสภาพเป็นหินเหลวหรือที่เรียกว่า แมกมา (Magma) มีความหนาประมาณ 2,100 km มีอุณหภูมิระหว่างรอยต่อชั้นแกนโลกกับชั้นแมนเทิลประมาณ 4,000 °C และชั้นในสุดของโลกหรือแกนโลกชั้นใน (Inner core) มีสภาพเป็นโลหะแข็ง มีความหนาประมาณ 1,350 km มีอุณหภูมิที่รอยต่อระหว่างชั้นนี้กับชั้นนอกสูงถึง 6,400 °C

         น้ำพุร้อนที่เกิดขึ้นล้วนใช้ประโยชน์จากความร้อนใต้พื้นโลก โดยน้ำจากผิวดินที่เกิดจากฝนหรือแหล่งน้ำตามธรรมชาติต่าง ๆ จะไหลซึมลงสู่ชั้นผิวโลกตามรอยแตกของเปลือกโลก จากนั้นน้ำดังกล่าวเมื่อได้รับความร้อนจากแหล่งความร้อนใต้ผิวโลก ทำให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นจนในบางครั้งอาจเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำในที่สุด ซึ่งจากคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamic) ของของไหลที่ว่า ของไหลอุณหภูมิสูงจะมีความดันสูงและความหนาแน่นต่ำ ทำให้น้ำร้อนหรือไอน้ำอุณหภูมิสูงที่ถูกกักเก็บไว้ใต้เปลือกโลก ดันตัวขึ้นมายังผิวโลกที่มีความดันต่ำกว่าแหล่งกักเก็บ โดยน้ำร้อนและไอน้ำดังกล่าวจะพุ่งออกจากผิวดินขึ้นสู่อากาศหรือที่เรียกว่า น้ำพุร้อน (Hot spring) โดยความสูงของน้ำพุร้อนที่พุ่งขึ้นสู่อากาศจะขึ้นกับความดันของแหล่งกักเก็บน้ำร้อนใต้พิภพโดยตรง จากนั้นจะทำให้เกิดที่ว่างในแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพ และน้ำผิวดินที่มีอุณหภูมิต่ำและมีความหนาแน่นของของไหลสูงกว่า สามารถไหลลงไปยังแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพและเกิดเป็นน้ำพุร้อนต่อไป

การใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพนิยมใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ถ่ายเทความร้อนจากน้ำพุร้อนไปยังระบบต่าง ๆ เช่น ระบบผลิตกระแสไฟฟ้า ปั๊มความร้อน เป็นต้น หลังจากนั้นอุณหภูมิของน้ำพุร้อนจะลดลง และถูกส่งกลับลงไปยังแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้ผิวดินเพื่อรับพลังงานความร้อนอีกครั้ง จึงถือเป็นการจบกระบวนการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ

พลังงานความร้อนใต้พิภพจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับภูเขาไฟ โดยพื้นที่ที่ภูเขาไฟยังคงระอุอยู่จะมีศักยภาพพลังงานความร้อนใต้พิภพสูงตามไปด้วย ซึ่งสามารถแบ่งออกตามลักษณะทางกายภาพได้เป็น 3 ประเภท [มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2557] ดังต่อไปนี้

แหล่งที่เป็นไอน้ำ (Steam dominated) คือ แหล่งกักเก็บความร้อนที่ประกอบด้วยไอน้ำเป็นส่วนมาก (มากกว่า 95%) โดยทั่วไปมักจะเป็น แหล่งที่อยู่ใกล้กับหินหลอมเหลวร้อนที่อยู่ในระดับตื้น ๆ อุณหภูมิของไอน้ำร้อนจะสูงมากกว่า 240 oC แหล่งที่กักเก็บความร้อนใต้พิภพประเภทนี้ค่อนข้างจะพบน้อย เนื่องจากจะเกิดใกล้กับแหล่งภูเขาไฟที่ยังคงมีศักยภาพด้านความร้อนอยู่ (ภูเขาไฟยังคงระอุ) แต่มีศักยภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าค่อนข้างสูง เพราะสามารถนำเข้าสู่ระบบได้โดยตรง รวมถึงมีอุณหภูมิที่สูงอีกด้วย ตัวอย่างของแหล่งกักเก็บแบบไอน้ำ ได้แก่ The Geyser Field ในมลรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา และ Larderello ในประเทศอิตาลี เป็นต้น

แหล่งที่เป็นน้ำร้อน (Hot water dominated) คือ แหล่งกักเก็บสะสมความร้อนที่ประกอบไปด้วยน้ำร้อนเป็นส่วนใหญ่ (มากกว่า 95%) อุณหภูมิน้ำร้อนจะขึ้นอยู่กับระดับความลึกของแหล่งกักเก็บ แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพประเภทนี้มักจะพบมากในพื้นที่ที่ภูเขาไฟสงบแล้วหรือภูเขาไฟเก่า ซึ่งเป็นลักษณะของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพของประเทศไทย

แหล่งหินร้อนแห้ง (Hot dry rock) คือ แหล่งสะสมความร้อนที่เป็นหินเนื้อแน่น ไม่มีน้ำร้อนหรือไอน้ำไหลหมุนเวียนอยู่ ดังนั้นการนำมาใช้ประโยชน์จำเป็นต้องอัดน้ำเย็นลงไปทางหลุมเจาะ (Injection well) ให้น้ำได้รับความร้อนจากหินร้อน โดยไหล หมุนเวียนภายในรอยแตกที่กระทำขึ้น (Stimulated fracture system) จากนั้นก็ทำการสูบน้ำร้อนขึ้นมาทางหลุมเจาะอีกหลุมหนึ่ง (Production well) ซึ่งเจาะลงไปให้ตัดกับรอยแตกของแหล่งหินร้อนแห้ง ดังแสดงในรูปที่ 2.3 ตัวอย่างของแหล่งพลังงานความร้อนประเภทนี้ ได้แก่ มลรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา และ Oita Prefecture ประเทศญี่ปุ่น เป็นต้น อนึ่งแหล่งหินร้อนแห้งนี้มักเกิดขึ้นในพื้นที่ที่ภูเขาไฟยังคงมีศักยภาพอยู่

สำหรับแหล่งน้ำพุร้อนในประเทศไทย กรมทรัพยากรธรณีระบุว่าแหล่งน้ำพุร้อนของประเทศไทยมีจำนวน 112 แหล่ง [สุจิตร และพินิจ, 2522] ซึ่งใกล้เคียงกับการศึกษาของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ที่ทำการสำรวจแหล่งน้ำพุร้อนทั่วประเทศไทยในปี พ.ศ. 2549 โดยพบแหล่งน้ำพุร้อนทั่วประเทศทั้งหมด 97 แหล่ง ซึ่งแตกต่างจากข้อมูลของกรมทรัพยากรธรณี เนื่องจากในปัจจุบันสภาวะอากาศทั่วโลกเปลี่ยนแปลงไป รวมถึงอุณหภูมิอากาศสูงขึ้น ทำให้แหล่งน้ำตามธรรมชาติบางแห่งแห้งขอด ซึ่งหมายรวมถึงแหล่งน้ำพุร้อนด้วยเช่นกัน

อุณหภูมิแหล่งกักเก็บ (Reservoir temperature) สามารถทำการวิเคราะห์คุณภาพน้ำ ผลวิเคราะห์ทางเคมี สามารถนำมาประเมินอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บน้ำร้อน ซึ่งค่าที่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณสารละลายธาตุในสภาวะสมดุลของน้ำพุร้อน และการสูญเสียพลังงานความร้อนในแหล่งกักเก็บ โดย Antonio (2009) นำเสนอสมการที่ใช้ทำนายอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพดังแสดงในสมการต่อไปนี้

Quartz (No steam loss)

                                                   

Quartz (Maximum steam loss)

                                         

Sodium potassium ratio system

                                          

Sodium potassium calcium ratio system

                            

         โดยที่

β              มีค่าเท่ากับ 1/3 เมื่ออุณหภูมิน้ำร้อนที่ผิวดินน้อยกว่า 100 oC

Na         ค่าความเข้มข้นของโซเดียมที่ละลายอยู่ในน้ำพุร้อน (ppm)

K              ค่าความเข้มข้นของโพแทสเซียมที่ละลายอยู่ในน้ำพุร้อน (ppm)

Ca         ค่าความเข้มข้นของแคลเซียมที่ละลายอยู่ในน้ำพุร้อน (ppm)

SiO2      ค่าความเข้มข้นของควอตซ์หรือซิลิกาที่ละลายอยู่ในน้ำพุร้อน (ppm)

 ตัวอย่าง การประเมินอุณหภูมิแหล่งกักเก็บ

จากส่วนประกอบทางเคมีและอุณหภูมิของน้ำพุร้อนที่ผิวดินดังแสดงในตารางที่ 1 อยากทราบว่าอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพมีค่าเท่าใด

 

ตารางที่ 1 อุณหภูมิน้ำพุร้อนที่ผิวดินและส่วนประกอบทางเคมี

ชื่อแหล่งน้ำพุร้อน	อุณหภูมิน้ำ ที่ผิวดิน (°C)	ส่วนประกอบทางเคมี (mg/L)
		Na	K	Ca	SiO2
โป่งนาคำ จ.เชียงราย	65	96	3.8	3.9	83.4

 

 แนวทางการวิเคราะห์

ขั้นตอนที่ 1) การทำนายอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพโดยสมการ Quartz (No steam loss)

ส่วนประกอบ SiO2 (mg/L = ppm) ของแหล่งโป่งนาคำ     83.40           ppm

แทนค่า SiO2 ในสมการ                                127.30        °C        

ขั้นตอนที่ 2) การทำนายอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพโดยสมการ Quartz (Maximum steam loss)

ส่วนประกอบ SiO2 (mg/L = ppm) ของแหล่งโป่งนาคำ     83.40          ppm

แทนค่า SiO2 ในสมการ                                     124.36       °C        

ขั้นตอนที่ 3) การทำนายอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพโดยสมการ Sodium potassium ratio system

ส่วนประกอบ Na (mg/L = ppm) ของแหล่งโป่งนาคำ          96          ppm

ส่วนประกอบ K (mg/L = ppm) ของแหล่งโป่งนาคำ                    3.80            ppm  

แทนค่า Na/K ในสมการ                             148.62        °C

ขั้นตอนที่ 4) การทำนายอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพโดยสมการ Sodium potassium calcium ratio system

ส่วนประกอบ Na (mg/L = ppm) ของแหล่งโป่งนาคำ              96               ppm  

ส่วนประกอบ K (mg/L = ppm) ของแหล่งโป่งนาคำ                3.80            ppm  

ส่วนประกอบ Ca (mg/L = ppm) ของแหล่งโป่งนาคำ              3.90            ppm  

แทนค่า Na/K และ Ca/Na ในสมการ

โดยใช้ β = 1/3                                                                                                                      138.92        °C

โดยใช้ β = 4/3                                                                                                                          103.72        °C

เอกสารอ้างอิง

นัฐพร ไชยญาติ. เทคโนโลยีพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy Technology), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, พิมพ์ครั้งที่ 9 ตุลาคม พ.ศ. 2561, 416 หน้า.

มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. ทฤษฎีพลังงานความร้อนใต้พิภพ, ออนไลน์: http://teenet.cmu.ac.th/sci/intro01.php#03, เข้าถึงเมื่อ: 14 เมษายน 2557.

สุจิตร พิตรากูล และพินิจ กุลสิงห์. รายงานวิจัย การเกิดน้ำพุร้อนและความน่าจะมีคุณค่าทางเศรษฐกิจ ณ บ้านโป่งกุ่ม ตำบลป่าเมี่ยง, อำเภอดอยสะเก็ดและบ้านโป่งฮ่อม ตำบลบ้านสหกรณ์ อำเภอสันกำแพง จังหวัดเชียงใหม่, เสนอต่อสำนักสภาวิจัยแห่งชาติ, 2522.