การประเมินศักยภาพและลักษณะทางธรณีวิทยาของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพในภาคเหนือของประเทศไทย

พลังงานความร้อนใต้พิภพ (geothermal energy) เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีความสามารถในการผลิตไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง (baseload energy) และมีความเสถียรสูงเมื่อเทียบกับพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม ศักยภาพของพลังงานความร้อนใต้พิภพขึ้นอยู่กับลักษณะทางธรณีวิทยาและโครงสร้างใต้ผิวดินอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งในประเทศไทย ภาคเหนือถือเป็นพื้นที่ที่ได้รับความสนใจจากนักวิจัยอย่างมาก เนื่องจากมีการพบแหล่งน้ำพุร้อนจำนวนมากที่มีอุณหภูมิสูง และมีความสัมพันธ์กับระบบรอยเลื่อนและหินแกรนิตใต้ผิวดิน

ภาพรวมทรัพยากรความร้อนใต้พิภพในภาคเหนือของประเทศไทย 

จากการรวบรวมข้อมูลพบว่า ภาคเหนือของประเทศไทยมีแหล่งน้ำพุร้อนอย่างน้อย 16 แห่งที่มีอุณหภูมิพื้นผิวมากกว่า 80°C ซึ่งถือว่าอยู่ในช่วงที่สามารถนำไปใช้ผลิตไฟฟ้าด้วยเทคโนโลยีแบบ binary cycle ได้

โดยทั่วไป แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพในพื้นที่นี้มีลักษณะสำคัญร่วมกัน ได้แก่

• เป็นแหล่งที่มีอุณหภูมิระดับต่ำถึงปานกลาง
• กระจายตัวตามแนวโครงสร้างทางธรณีวิทยา โดยเฉพาะแนวรอยเลื่อน
• หลายพื้นที่ยังมีศักยภาพ แต่ยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีจำนวนแหล่งค่อนข้างมาก แต่ปัจจุบันมีเพียง แหล่งฝาง (Fang geothermal system) ที่ถูกนำมาพัฒนาเพื่อผลิตไฟฟ้า

ส่วนแหล่งอื่น ๆ ยังคงอยู่ในขั้นตอนของการสำรวจ หรือไม่สามารถพัฒนาได้ เนื่องจากข้อจำกัดด้านกฎหมาย เช่น การตั้งอยู่ในพื้นที่อุทยานแห่งชาติ

สถานการณ์นี้สะท้อนให้เห็นอย่างชัดเจนว่า แม้ประเทศไทยจะมีศักยภาพด้านพลังงานความร้อนใต้พิภพอยู่ไม่น้อย แต่ยังมี ช่องว่างระหว่าง “ศักยภาพที่มี” กับ “การนำไปใช้จริงในเชิงพาณิชย์” อยู่พอสมควร

กรณีศึกษา: ระบบความร้อนใต้พิภพแหล่งฝาง 

แหล่งฝางถือเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของการพัฒนา พลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทยในปัจจุบัน และแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถนำมาใช้จริงได้ แม้จะยังอยู่ในระดับเริ่มต้น

ลักษณะการผลิตไฟฟ้า

การพัฒนาในพื้นที่เริ่มจากการสำรวจและเจาะหลุมลึกประมาณ 268–417 เมตร โดยพบอุณหภูมิสูงสุดประมาณ 130°C และมีอัตราการไหลรวมของน้ำร้อนประมาณ 8.3 ลิตรต่อวินาที (Singharajwarapan et al., 2012)

จากนั้นจึงมีการติดตั้งโรงไฟฟ้าระบบ Binary Cycle ขนาด 300 กิโลวัตต์ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่เหมาะกับแหล่งที่มีอุณหภูมิไม่สูงมาก

ในทางปฏิบัติ โรงไฟฟ้าสามารถผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 150–250 กิโลวัตต์ โดยกำลังการผลิตจะเปลี่ยนแปลงไปตามฤดูกาลและสภาพของแหล่งน้ำร้อน

ศักยภาพที่แท้จริงของแหล่งพลังงานความร้อน

แม้ระบบที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันจะยังอยู่ในระดับทดลองหรือ pilot scale แต่ข้อมูลจากการศึกษาชี้ให้เห็นว่า แหล่งฝางอาจมีศักยภาพสูงกว่านั้น เนื่องจาก บางหลุมมีอุณหภูมิอยู่ในช่วง 110–115°C และจากการวิเคราะห์ทางเคมีของน้ำ (geothermometry) คาดว่าอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บใต้ดิน (reservoir) อาจสูงถึง 150°C

ข้อมูลนี้สะท้อนให้เห็นว่า แม้จะมีการพัฒนาไปแล้วในระดับหนึ่ง แต่ศักยภาพของแหล่งฝางยังไม่ได้ถูกใช้เต็มที่ หากมีการปรับปรุงระบบ เช่น การเพิ่มอัตราการไหล หรือพัฒนาเทคโนโลยีการเจาะและการผลิต ก็มีโอกาสที่จะ เพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าปัจจุบันอย่างมีนัยสำคัญ

โครงสร้างธรณีวิทยาและกลไกของระบบ Geothermal

ความสัมพันธ์กับระบบรอยเลื่อน 

แหล่ง geothermal ในภาคเหนือมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับ ระบบรอยเลื่อนมุมสูง (high-angle fault systems) ซึ่งทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักในการควบคุมการไหลของของไหลใต้ดิน 

ในกรณีของแหล่งฝาง ซึ่งเป็นแหล่งที่มีการศึกษาละเอียดมากที่สุด พบว่า:

• ตั้งอยู่บริเวณปลายของ รอยเลื่อนแม่จัน (Mae Chan fault)
• รอยเลื่อนนี้เป็นแบบ strike-slip fault ที่ยังคงมีพลัง (active fault)
• และในบางช่วงมีการเปลี่ยนรูปของโครงสร้างเป็นแบบ extensional faulting

ลักษณะของโครงสร้างเช่นนี้มีความสำคัญอย่างมาก เพราะช่วย:

• สร้างช่องทางให้ของไหลใต้ดินสามารถไหลเวียนขึ้นสู่ผิวดินได้
• ควบคุมตำแหน่งของแหล่งน้ำพุร้อนที่พบบนผิวโลก

บทบาทของระบบรอยแตก 

แม้ว่าจะมีแหล่งความร้อนอยู่ใต้ดิน แต่น้ำร้อนใต้พิภพไม่ได้สะสมอยู่ในโพรงขนาดใหญ่เหมือนแหล่งน้ำบาดาลทั่วไป แต่จะไหลผ่าน รอยแตก (fractures) ภายในหิน เช่น หินแกรนิตและหินแปร

รอยแตกเหล่านี้มีลักษณะสำคัญ คือ

• เกิดจากแรงเค้นที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนตัวของรอยเลื่อน
• มีความสามารถในการให้น้ำไหลผ่าน (permeability) สูง แต่เฉพาะในบางตำแหน่งเท่านั้น

ลักษณะดังกล่าวทำให้ระบบ geothermal ในพื้นที่นี้มีความซับซ้อน เนื่องจาก น้ำร้อนจะไหลได้ดีเฉพาะในบางแนวของรอยแตก แต่ไม่ได้กระจายตัวสม่ำเสมอทั้งพื้นที่ ทำให้เป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ทำให้การสำรวจและการเจาะหลุมในระบบประเภทนี้มีความท้าทายสูง

การสำรวจธรณีฟิสิกส์และการตีความค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistivity)

การสำรวจธรณีฟิสิกส์ โดยเฉพาะวิธีวัดค่าความต้านทานไฟฟ้า (resistivity) เป็นเครื่องมือสำคัญที่ใช้ในการทำความเข้าใจโครงสร้างใต้ผิวดินของระบบความร้อนใต้พิภพ เนื่องจากสามารถช่วยบ่งชี้การเปลี่ยนแปลงของชนิดหิน ของไหล และแร่ที่เกิดจากกระบวนการทางความร้อนใต้พิภพได้

จากผลการสำรวจในพื้นที่แหล่งฝาง พบลักษณะที่น่าสนใจคือ

• บริเวณที่มีค่าความต้านทานต่ำ (น้อยกว่า 60 Ωm) พบอยู่ในระดับตื้น ประมาณ 50–100 เมตรจากผิวดิน
• ในขณะที่ชั้นหินที่ลึกลงไปกลับมีค่าความต้านทานสูงกว่า 100 Ωm ซึ่งบ่งชี้ถึงหินเนื้อแน่น เช่น หินแกรนิตที่ยังไม่ถูกเปลี่ยนสภาพมากนัก

ประเด็นสำคัญจากการศึกษานี้คือ การตีความค่าความต้านทานต่ำในระบบ geothermal ไม่สามารถสรุปได้โดยตรงว่าเป็นแหล่งน้ำร้อนใต้พิภพ แต่เกิดจากกระบวนการที่เรียกว่า hydrothermal alteration ซึ่งเป็นการที่หินเดิมถูกเปลี่ยนแปลงโดยน้ำร้อนใต้พิภพ ทำให้เกิดแร่ชนิดใหม่ โดยเฉพาะแร่ดินเหนียว (clay minerals) เช่น smectite, illite และแร่กลุ่ม clay อื่น ๆ ซึ่งแร่เหล่านี้มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าได้ดี จึงทำให้ค่าความต้านทานไฟฟ้าลดลงอย่างชัดเจน

การวิเคราะห์ทางเคมี

นอกจากข้อมูลจากการสำรวจธรณีฟิสิกส์แล้ว การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของน้ำพุร้อนก็เป็นอีกเครื่องมือสำคัญในการศึกษาระบบความร้อนใต้พิภพ โดยเฉพาะการใช้วิธีที่เรียกว่า geothermometry ซึ่งช่วยประมาณอุณหภูมิของแหล่งกักเก็บใต้ดิน (reservoir) ที่ไม่สามารถวัดได้โดยตรงจากผิวดิน

หลักการของ geothermometry คือ การใช้ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับสมดุลของแร่และสารละลายในน้ำ เช่น ซิลิกา (silica) หรืออัตราส่วนของธาตุต่าง ๆ เพื่อย้อนคำนวณว่า น้ำร้อนนั้นเคยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิเท่าใดก่อนจะไหลขึ้นมาสู่ผิวดิน

สำหรับแหล่งฝาง การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของน้ำจากทั้งหลุมผลิตและน้ำพุธรรมชาติให้ผลที่สอดคล้องกันว่า

• อุณหภูมิของแหล่งกักเก็บใต้ดินอาจอยู่ที่ประมาณ 150°C
• แม้ว่าที่ผิวดินจะวัดได้เพียงประมาณ 90–115°C เท่านั้น

ข้อมูลนี้สะท้อนให้เห็นว่า ระหว่างที่น้ำร้อนเคลื่อนตัวจากใต้ดินขึ้นสู่ผิวโลกจะเกิดกระบวนการ เช่น การเย็นตัว การผสมกับน้ำใต้ดิน หรือการสูญเสียพลังงานบางส่วนระหว่างทาง

ศักยภาพในการพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพ

แหล่งความร้อนใต้พิภพในภาคเหนือของประเทศไทยหลายแห่งมีศักยภาพในการพัฒนาเพื่อผลิตไฟฟ้า แม้ว่าส่วนใหญ่จะยังไม่ได้ถูกนำมาใช้จริงในเชิงพาณิชย์ ตัวอย่างที่สำคัญ ได้แก่

• San Kamphaeng ซึ่งถูกประเมินว่ามีศักยภาพในการผลิตไฟฟ้าประมาณ 5 เมกะวัตต์
• Fang ซึ่งแม้ปัจจุบันจะผลิตไฟฟ้าได้ในระดับไม่สูง แต่มีโอกาสเพิ่มกำลังการผลิตได้ถึงประมาณ 2.8 เมกะวัตต์ หากสามารถเพิ่มอัตราการไหลของน้ำร้อนได้

อย่างไรก็ตาม จากข้อมูลในงานวิจัยพบว่า ปัจจัยที่กำหนดศักยภาพของแหล่ง geothermal ไม่ได้ขึ้นอยู่กับ “อุณหภูมิ” เพียงอย่างเดียว เนื่องจากแม้บางแหล่งจะมีอุณหภูมิสูง แต่หากมีอัตราการไหลต่ำ หรือไม่สามารถเข้าถึงโซนที่มี permeability สูงได้ ก็จะไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ในระดับที่คุ้มค่า 

จากการศึกษาในแหล่งฝางพบว่า การเลือกตำแหน่งเจาะที่สามารถเข้าถึงรอยแตกที่ให้ปริมาณน้ำสูง การออกแบบหลุมเจาะให้เหมาะสม เช่น ขนาดหลุมและความลึก และความสามารถในการเพิ่มอัตราการไหล จะเป็นกุญแจสำคัญในการเปลี่ยนศักยภาพที่มีอยู่ ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงในเชิงพาณิยช์

สรุป

ระบบความร้อนใต้พิภพในภาคเหนือของประเทศไทยเป็น non-magmatic system ที่แหล่งความร้อนมาจากการถ่ายเทความร้อนในเปลือกโลก (crustal heat flow) และถูกควบคุมโดยโครงสร้างรอยเลื่อนและรอยแตกในหิน ซึ่งทำหน้าที่เป็นช่องทางการไหลของน้ำร้อน แม้ว่าศักยภาพโดยรวมจะอยู่ในระดับต่ำถึงปานกลาง แต่จากข้อมูลการศึกษาพบว่ายังมีโอกาสพัฒนาได้อีก หากสามารถออกแบบการสำรวจและการเจาะให้เข้าถึงโซนที่มีการไหลของน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ก็มีความเป็นไปได้ที่จะต่อยอดเป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าระดับเมกะวัตต์ในอนาคต

 

Source: 

• Singharajwarapan, F. S., Wood, S. H., Prommakorn, N., & Owens, L. (2012). Northern Thailand geothermal resources and development: A review and 2012 update. Geothermal Resources Council Transactions.
• Wood, S. H., Kaewsomwang, P., & Singharajwarapan, F. S. (2018). Geologic framework of the Fang Hot Springs area with emphasis on structure, hydrology, and geothermal development, Chiang Mai Province, northern Thailand. Geotherm Energy, 6(3).