โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนสร้างขึ้นแห่งแรกที่ใด

1. โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ

การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยพลังงานความร้อนใต้พิภพ 3 รูปแบบหลัก คือ โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบไอแห้ง โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบไอน้ำระเหยใหม่ และโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบสองวงจรสารทำงาน ดังรายละเอียดต่อไปนี้

1.1 โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบไอแห้ง (Dry steam geothermal power plant) พบได้น้อยมาก เนื่องจากการได้มาซึ่งไอแห้งสมบูรณ์ แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพต้องมีอุณหภูมิค่อนข้างสูง เช่น ชั้นหินร้อน หรือแมกมา เป็นต้น และทำให้ไอน้ำที่ได้จากหลุมเจาะ (Production well) มีอุณหภูมิสูงกว่า 235 °C ซึ่งไอน้ำดังกล่าวจะอยู่ในสภาวะไอร้อนยิ่งยวด (Super heat vapor) จากนั้นจึงนำมาส่งผ่านท่อไปหมุนกังหัน (Turbine) โดยตรง และขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator)

       1.2 โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบไอน้ำระเหยใหม่ (Flash steam geothermal power plant) เป็นกระบวนการผลิตไฟฟ้าที่พัฒนาต่อจากโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบไอแห้ง เนื่องจากน้ำพุร้อนที่ได้จากหลุมเจาะมีลักษณะเป็นของเหลวอุณหภูมิสูง หรือในบางครั้งอาจมีลักษณะเป็นของผสม (Mixture) ที่มีทั้งไอน้ำและของเหลวผสมกันอยู่ ดังนั้นจึงไม่สามารถนำไปผลิตไฟฟ้าโดยกังหันไอน้ำได้โดยตรง ต้องทำการลดความดันเพื่อแยกไอน้ำออกจากของเหลวก่อน ซึ่งแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพลักษณะนี้มักพบที่อุณหภูมิสูงกว่า 180 °C การทำงานของโรงไฟฟ้าประเภทนี้เริ่มจากนำน้ำพุร้อนอุณหภูมิสูง (มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของน้ำที่ความดันหนึ่งบรรยากาศ) จากหลุมเจาะ มาลดความดันอย่างรวดเร็ว (Flashing) ผ่านเครื่องแยกไอน้ำและของเหลว (Separator/Flash tank) เมื่อของไหลร้อนดังกล่าวถูกลดความดัน จะทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะกลายเป็นของผสม (Mixture) ที่ประกอบไปด้วยไอน้ำพุร้อนและน้ำพุร้อนในสถานะของเหลว ไอน้ำพุร้อนจะนำไปใช้ในการผลิตไฟฟ้าโดยกังหันไอน้ำ จากนั้นไอน้ำความดันต่ำจะถูกนำไปควบแน่น ซึ่งโรงไฟฟ้าบางแห่งอาจมีการติดตั้งระบบดักจับก๊าซเพิ่มเติม เพื่อให้ได้ของเหลวสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น และนำไปรวมกับของเหลวที่ออกมาจากเครื่องแยกไอน้ำและของเหลว จากนั้นนำไปใช้ประโยชน์ในด้านความร้อน หรืออัดกลับลงสู่แหล่งกักเก็บผ่านหลุมเจาะป้อนกลับอีกครั้ง

1.3 โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบสองวงจรสารทำงาน (Binary cycle geothermal power plant) คือ การนำแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ (น้ำพุร้อน) ที่มีอุณหภูมิช่วงระหว่าง 90-150 °C ไปให้ความร้อนแก่สารทำงานที่มีจุดเดือดต่ำกว่าอุณหภูมิน้ำพุร้อน เช่น สารทำความเย็น เป็นต้น ซึ่งทำให้สามารถผลิตไอสารทำงานความดันสูง สำหรับการขับเคลื่อนกังหันได้โดยใช้น้ำพุร้อนอุณหภูมิต่ำ

ดังนั้นระบบผลิตกระแสไฟฟ้าแบบสองวงจรสารทำงาน จึงหมายถึง การใช้น้ำพุร้อนเป็นสารทำงานชนิดแรก และสารทำความเย็นจุดเดือดต่ำเป็นสารทำงานชนิดที่สอง โดยในส่วนระบบที่ใช้สารทำความเย็นนั้น นิยมนำวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ (Organic Rankine Cycle, ORC) มาใช้ร่วมกับพลังงานความร้อนใต้พิภพ

2. วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ (Organic Rankine Cycle)

         วัฏจักรแรงคินเป็นวัฏจักรพื้นฐานทางอุดมคติ ดังแสดงในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงแผนภาพอุณหภูมิและเอนโทรปี (T-s diagram) ของกระบวนการต่าง ๆ ในวัฏจักรแรงคิน โดยของไหลที่ผ่านกระบวนการควบแน่นจนสมบูรณ์ในเครื่องควบแน่น (Condenser) จะกลายสถานะเป็นของเหลวอิ่มตัวที่สภาวะ 1 และของไหลจะถูกอัดตัวโดยปั๊ม (Pump) ภายใต้กระบวนการไอเซนทรอปิก จนกระทั่งมีความดันเท่ากับความดันในหม้อต้ม (Boiler) จากนั้นของไหลจะถูกให้ความร้อนภายใต้ความดันคงที่ (P2 = P2´) จนกระทั่งเข้าสู่สภาวะของเหลวอิ่มตัวที่สภาวะ 2´ กลายเป็นไออิ่มตัวที่สภาวะ 3´ และเป็นไอร้อนยวดยิ่งที่สภาวะ 3 ในที่สุด ไอร้อนยวดยิ่งจะเข้าสู่กังหัน (Turbine) ขยายตัวแบบไอเซนทรอปิก และผลิตงานโดยการขับหมุนเพลาที่ต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator) ทำให้ความดันและอุณหภูมิของไอของไหลลดลงที่สภาวะ 4 ณ บริเวณทางออกของกังหันซึ่งอยู่ในสภาวะของผสม (ไอและของเหลว) จากนั้นจะไหลไปควบแน่นยังเครื่องควบแน่นภายใต้ความดันคงที่ (P4 = P1) กลายเป็นของเหลวอิ่มตัวที่สภาวะ 1 อีกครั้ง

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงอุปกรณ์ในวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ [นัฐพร, 2561]

รูปที่ 2 แผนภาพอุณหภูมิและเอนโทรปีแสดงกระบวนการต่าง ๆ ในวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ [นัฐพร, 2561]

         วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ประกอบด้วยอุปกรณ์หลักทั้งหมด 5 ตัว อันประกอบไปด้วย ปั๊ม หม้อต้ม กังหัน เครื่องควบแน่น และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งพิจารณาภายใต้กระบวนการสภาวะคงตัว-การไหลคงตัว (Steady State Steady Flow, SSSF) ทั้งสิ้น มีความสัมพันธ์ของสมการทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 สมการทางคณิตศาสตร์ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ [นัฐพร, 2561]              

3. กรณีศึกษา: การประยุกต์เทคโนโลยีสู่ชุมชนแหล่งน้ำพุร้อนสันกำแพง จังหวัดเชียงใหม่

แหล่งน้ำพุร้อนสันกำแพง จังหวัดเชียงใหม่ ภายใต้การกำกับและดูแลของกิจการน้ำพุร้อนสันกำแพง อำเภอแม่ออน ตามพระราชดำริ จังหวัดเชียงใหม่ โดยการดำเนินงานภายใต้โครงการ การผลิตไฟฟ้าร่วมกับการทำความเย็นและความร้อนแบบขั้นบันไดจากพลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทย [นัฐพร และคณะ, 2560] ได้นำความร้อนจากน้ำพุร้อนหลุมที่ 1 มาใช้ในการผลิตไฟฟ้าด้วยวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ขนาด 15 kWe ร่วมกับการทำความเย็นจากระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนขนาด 5 TR และใช้ประโยชน์ด้านความร้อนโดยห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ขนาด 20 kW ซึ่งทั้ง 3 ระบบเป็นการใช้ประโยชน์น้ำพุร้อนแบบขั้นบันได ดังแสดงแผนภาพการทำงานในรูปที่ 4 และรูปที่ 5

รูปที่ 4 แบบแปลนการใช้ประโยชน์ร่วมด้านการท่องเที่ยวและการผลิตไฟฟ้าร่วมกับความเย็นและความร้อนสำหรับแหล่งน้ำพุร้อนแบบขั้นบันได [นัฐพร, 2561]

รูปที่ 5 ต้นแบบการใช้ประโยชน์ร่วมด้านการท่องเที่ยวและการผลิตไฟฟ้าร่วมกับความเย็นและความร้อนสำหรับแหล่งน้ำพุร้อนแบบขั้นบันได [นัฐพร, 2561]

เอกสารอ้างอิง

สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน กระทรวงพลังงาน. แผนพัฒนากำลังผลิตไฟฟ้าของประเทศไทย พ.ศ. 2558-2579, ออนไลน์: http://www.eppo.go.th/images/POLICY/PDF/PDP_TH.pdf, เข้าถึงเมื่อ: 30 พฤษภาคม 2561.     

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. แผนปฏิบัติการพัฒนาพลังงานทดแทนและพลังงานทางเลือก พ.ศ. 2558-2579, ออนไลน์: http://www.dede.go.th/download/files/AEDP%20Action%20Plan_Final.pdf, เข้าถึงเมื่อ: 13 เมษายน 2561.

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

นัฐพร ไชยญาติ, ชวโรจน์ ใจสิน, วรรษมล เลิศจตุรานนท์ และอัญชลี สายเขียว. โครงการ การผลิตไฟฟ้าร่วมกับการทำความเย็นและความร้อนแบบขั้นบันไดจากพลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทย