نُهج مبتكرة لخفض استخدام المياه في إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية

إن الطاقة الحرارية الأرضية مصدر طاقة مستدام يسخر حرارة الأرض لتوليد الكهرباء، ويوفر بديلاً للوقود الأحفوري منخفض الكربون، غير أن محطات الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية - وخاصة تلك التي تستخدم دورات البخار التقليدية أو الجافة - كثيراً ما تتطلب كميات كبيرة من المياه لأغراض التبريد وغيرها من العمليات، ويثير هذا الاعتماد القلق بشأن حفظ المياه، ولا سيما في المناطق التي تبعث فيها المياه، حيث تكون الموارد الحرارية الأرضية أكثر وفرة في مجال إدارة الابتكارات.

التحديات التي تواجه استخدام المياه في الطاقة الحرارية الأرضية

وتتوقف النباتات الحرارية الأرضية التقليدية عادة على كميات كبيرة من المياه لأغراض التبريد، مما يمكن أن يربط موارد المياه المحلية، لا سيما في المناطق القاحلة مثل غرب الولايات المتحدة وشرق أفريقيا وأجزاء من جنوب شرق آسيا، مثلا، فإن وجود محطة سريعة مائية مائية مائية مائية مائية مائية مائية مائية مائية مائية عالية، تستخدم أبراج التبريد الرطبة قد يؤدي إلى زيادة في استهلاك المياه في المناطق الساحلية.

النهج الابتكارية لخفض المياه

1- تكنولوجيات التبريد الجاف

كما أن نظم التبريد الجافة تستخدم الهواء بدلا من الماء في البخار، وتخفض بدرجة كبيرة - أو تزيل في بعض الحالات - استهلاك المياه - وهناك نوعان أوليان: مكثفات الهواء وأبراج التبريد الجاف، بينما تقل كفاءة التبريد الحراري التقليدي في درجات الحرارة المحيطة الساخنة نتيجة لانخفاض كثافة الهواء وقدرة الحرارة، وتحسن مستويات الاستهلاك من المواد والتصميم.

2- إعادة حقن الفوائض المنتجة

ووفقاً للعديد من المصانع الحرارية الأرضية، فإن إعادة ضخ السوائل الحرارية الأرضية المبردة إلى الخزان، مما يقلل من سحب المياه من مصادر خارجية، وهذا النظام المغلق لا يحفظ المياه فحسب، بل يساعد أيضاً على الحفاظ على ضغط الخزان، ويطيل أمد حياة الموارد، كما أن معدلات إعادة التخصيب في منطقة كاليفورنيا تتجاوز 90 في المائة من الرنة المنتجة، ولكن الخسائر يمكن أن تحدث نتيجة التوسع في أنماط التحلل الحراري، أو استخدام تقنيات التراكم.

3- استخدام مصادر المياه غير الصالحة للشرب

كما أن استخدام المياه غير الصالحة للشرب، مثل المياه المستعملة البلدية المعالجة، والمياه الجوفية المكبوتة، أو إنتاج المياه من عمليات النفط والغاز، يقلل من الطلب على المياه العذبة، وهذا النهج ذو قيمة خاصة في مناطق نسر المياه، ويكفل التشغيل المستدام دون استنفاد إمدادات المياه المحلية، وفي الولايات المتحدة، قام مكتب تكنولوجيات الطاقة الحرارية الأرضية التابع لإدارة الطاقة بتمويل عدة مشاريع باستخدام مصادر توليد الطاقة الكهربائية من أجل التبريد في السنة.

4 - نظم دورة المولدات المتقدمة ومركبات ثاني أكسيد الكربون الفائقة الأهمية

ويمكن أن تؤدي هذه المصانع الحرارية الأرضية الملزمة التي تستخدم سوائل عمل ثانوية )مثل الإيزوبوتان أو الخماسي( مع وجود نقطة غلي أدنى، إلى تشغيلها بالفعل في حلقات مغلقة مع الحد الأدنى من استهلاك المياه لدورة الطاقة، غير أن التصميمات الثنائية المتقدمة تتضمن الآن سمات مثل أجهزة التكتل الهوائية أو أجهزة التدفئة والتوليد المشتركة لتحسين كفاءة المياه عموما)٢(.

5- تعزيز النظم الحرارية الأرضية وتكتلات التكنولوجيا

(أ) إن مشروعات " التدفق " (EFmalS) التي تُبلغ عن وجودها في إطار مشروعات المياه غير المحتوية على كميات مائية، مثل استخدام ثاني أكسيد الكربون أو رغوة النيتروجين، قد تقلل من كثافة المياه، وعلى سبيل المثال، يستخدم مشروع " غلاف يوتا " التابع لوزارة البيئة والتنمية مزيجاً من المياه وتراكمات الجيل لتقليل استخدام المياه إلى أدنى حد ممكن " .

التوجيهات والبحوث المستقبلية

وتركز البحوث الجارية على تحسين كفاءة التبريد الجاف، وتطوير تقنيات أفضل لإعادة الحقن، واستكشاف مصادر بديلة للمياه، وتساعد الابتكارات مثل المواد المتقدمة (مثلاً، العزلات القائمة على الهباء، والأطر المعدنية - العضوية لالتقاط المياه)، والرصد الرقمي بالتعلم الآلي، والجيل القادم من النظم الحرارية الأرضية على تحقيق الاستخدام الأمثل للمياه والحد من الآثار البيئية.

تحسين كفاءة التبريد الجاف

وتهدف البحوث إلى زيادة أداء التبريد الجاف من خلال نظم الإكتساح المزدوج، والتبريد الجاف المأخوذ من الرذاذ، وتخزين الطاقة الحرارية لتحويل حمولات التبريد إلى ساعات أكثر تبريدا، وقد مولت مبادرة التبريد الجاف المتقدم التي وضعتها وزارة الطاقة مظاهرات للتخزين الحراري مقترنة بمصانع الحرارة الأرضية، مما مكّن 30 في المائة من ناتج الطاقة السنوي مع استخدام الحد الأدنى من المياه، بالإضافة إلى أن أجهزة التبريد ذات الدفع الفلفات يمكن أن تزيد من التبريد الجوي خلال الأيام الساخنة.

الرصد الرقمي والتفعيل الأمثل

ويتيح إدماج أجهزة الاستشعار التي تستخدم شبكة الإنترنت (IoT) مع أجهزة قياس الأنيسول المغناطيسي رصد ظروف الخزانات في الوقت الحقيقي، والكيمياء السوائل، وكفاءة التبريد، مثلاً، يستخدم نظام رصد خزانات القرنبي في الجدول الزمني لأجهزة قياس درجة الحرارة الموزعة على الألياف للكشف عن المناطق الساخنة والباردة، وتوجيه استخدامات ماسبرغ لتعظيم الارتقاء في الأشعة، وتقليل الخسائر في المياه.

المواد المتقدمة والكيمياء الجيولوجية

ويمكن أن تستعيد التكنولوجيات الجديدة للأخشاب والنباتات المياه من غازات البخار الحرارية الأرضية أو العادم، وقد استحدث الباحثون في مختبر لورانس بيركلي الوطني جهازاً للبوليمر المستجيب للطيور يمكن أن يستخرج الماء من البخار في درجات حرارة عالية، ويمكن إعادة تدويره إلى 90 في المائة من مياه العمليات، وفي الوقت نفسه تساعد أجهزة تتبع الجيوكيميائية على زيادة تدفق السوائل في أجهزة التنظيف، مما يتيح إدارة دقيقة لمقاومة.

النهج التكميلية

وثمة سبيل واعد آخر هو إدماج النباتات الحرارية الأرضية بوحدات تحلية المياه، باستخدام حرارة النفايات لإنتاج المياه العذبة، مع تبريد سوائل العمل، وقد حقق طيار في محطة ريخانيز الحرارية الأرضية في أيسلندا إنتاجا مشتركا قدره 300 متر/يوم من المياه العذبة دون مدخلات إضافية من الطاقة، وبالمثل، فإن استخدام الحرارة الأرضية الزائدة من أجل تطبيقات الاستخدامات المباشرة مثل تدفئة الدفء أو تدفئة المناطق يقلل من كمية التبريد في دورة الطاقة.

ومن خلال الجمع بين التبريد الجاف والمهجين، وإعادة الحقن المتقدمة، واستخدام المياه غير الصالحة للشرب، والتكنولوجيات الناشئة مثل نظم ثاني أكسيد الكربون، تتحرك صناعة الطاقة الحرارية الأرضية نحو استهلاك المياه في المناطق القريبة من الزهيد، وهذه الابتكارات لا تؤدي إلى تحسين استدامة الطاقة الحرارية الأرضية فحسب، بل تتيح أيضا نشرها في المناطق المزروعة بالمياه، مما يفتح إمكانات هائلة للطاقة النظيفة والموثوقة، ومع استمرار البحوث، يمكن أن نتوقع أن تصبح النباتات الحرارية أكثر كفاءة.