Table of Contents

الحاجة المتزايدة إلى الاستقرار في ظل مستقبل متجدد

فالتحول العالمي نحو الطاقة المتجددة آخذ في التسارع، ويقوده ضرورات المناخ وانخفاض تكاليف التكنولوجيا، فالطاقة الشمسية الرياح تمثل الآن حصة متزايدة بسرعة من توليد الكهرباء، بيد أن مكامنها الطبيعية المتأصلة لا تشرق دائما، ولا تهب الرياح دائما استقرارا، وتحافظ على تحديات كبيرة بالنسبة لمشغلي الشبكات، وبدون تخزين كاف، فإن التكاثر المفرط خلال فترات الحرق الطبيعية أو الريحية قد يؤدي إلى حدوث حالات من عدم الاستقرار.

وتبرز الطاقة الحرارية الأرضية فيما بين الموارد المتجددة لأنها توفر إمدادات مستمرة من الحرارة من داخل الأرض، بل وتواجه حتى النباتات الحرارية الأرضية قيودا تشغيلية: فهي عادة ما تكون في إنتاج مستمر لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، ولكن تقلبات الطلب على الشبكات، والحل يكمن في الجمع بين توليد الطاقة الحرارية الأرضية وتخزين الطاقة الحرارية الحرارية، وبتحديد إنتاج الحرارة من توليد الطاقة الكهربائية، يمكن أن تستوعب نظم التخزين الحرارية الأرضية فائضا في الطاقة عند الطلب.

Understanding Geothermal Energy Storage Fundamentals

ويلتقط تخزين الطاقة الحرارية الأرضية الحرارة من مستودعات الحرارة الأرضية أو من العمليات الصناعية ويخزنها في وسط لتحويلها لاحقا إلى الكهرباء، خلافا للبطاريات الكهربائية التي تخزن الطاقة في شكل الكهروكيميائي، يحتفظ تخزين الحرارة الأرضية بالطاقة الحرارية التي يمكن استخلاصها في ساعات أو حتى في أيام لاحقة، والمبدأ الأساسي بسيط: تحويل الطاقة الحرارية الزائدة بعيدا عن توليد الطاقة الكهربائية الفورية وتحولها إلى وسيط تخزين كهربائي.

وتتوقف كفاءة التخزين الحراري الأرضي على درجة حرارة المصدر، وعلى قدرة التخزين المتوسطة على الحرارة، والقدرة على تقليل الخسائر الحرارية أثناء التخزين، وبالنسبة للنظم الحرارية المائية التقليدية (الالتسميات فوق 150 درجة مئوية؛ جيم)، كثيرا ما يتحقق التخزين بتعديل معدلات الإنتاج وأسعار الحقن، وبالنسبة للموارد ذات الحرارة الدنيا، والمضخات الحرارية، ومستودعات التخزين المصممة، تصبح ضرورية بالفعل.

مقاييس الأداء الرئيسية

وعند تقييم حلول التخزين الحرارية الأرضية، ينظر مشغلو الشبكات في عدة معايير تقنية:

  • Round-trip efficiency (RTE): ] The ratio of electricity output to thermal energy input. Modern systems achieve RTE of 60-80%, depending on storage temperature and conversion technology.
  • Storage capacity (MWh-th): ] The total amount of thermal energy that can be stored. Large-scale layer storage can hold hundreds of GWh-th.
  • Discharge duration:] The time over which stored energy can be delivered at rated power. Geothermal storage typically excels at durations of 6-24 hours, with seasonal capabilities emerging.
  • Response time:] The speed at which output can be ram storage systems respond in minutes, similar to gas turbines.

وتضع هذه القياسات تخزيناً حرارياً جغرافياً كمكمل للبطاريات القصيرة الأجل (التي تعالج تقلبات من ثاني إلى ساعة) ومنافساً لضخ المياه من أجل تحقيق التوازن بين متوسط العمر والخدمة.

أنواع حلول تخزين الطاقة الحرارية الأرضية

وقد تم تطوير مجموعة متنوعة من تقنيات التخزين، تتناسب كل منها مع الظروف الجيولوجية المختلفة، ومدابير درجات الحرارة، واحتياجات الشبكات، وتتمثل الفئات الرئيسية الثلاث في تخزين الطاقة الحرارية في وسائط الإعلام المصممة، ومستودعات المياه الجوفية، وتخزين الخزانات، وتخزين مضخات الحرارة.

تخزين الطاقة الحرارية في وسائط الإعلام المهندسة

وتستخدم نظم الحيز المائي الصلب أو السائل لتخزين الحرارة عند درجات الحرارة المرتفعة، وتشمل وسائل التخزين المشتركة الملح المبلطين، والسرامين، والصخور المحطمة، ومواد التغيير التدريجي، وفي سياق الحرارة الأرضية، تستخرج الحرارة عادة من الرصيف الحراري الأرضي وتنتقل إلى وسيط التخزين عن طريق مبادلات الحرارة، وعندما تكون هناك حاجة إلى الكهرباء، تستخدم الحرارة المخزنة لتغلي سائل عامل (مثل سائل دورة الترب العضوي)

ومن التشكيلات الواعدة مفهوم ] التخزين الحراري الجيودي المزود بالأجهزة (AGS) ]، حيث تخزن الحرارة الزائدة من منشأة حرارية جغرافية في سرير صخري مأهول أو مجموعة من الثقوب في المنطقة دون السطحية، وقد أثبت مشروع تخزين الطاقة الحرارية الحرارية في السويد تخزينها في مساحة تصل إلى 90 درجة حرارة عالية من النيترات في فتحة.

تخزين الأكويفر والمستودع

وتستخدم مصادر الطاقة الحرارية المائية الجوفية التكوينات الطبيعية تحت سطح الماء كمستودعات تخزين، وتضخ المياه الجوفية خلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء من بئر بارد، وتسخين باستخدام الحرارة الحرارية الأرضية أو فائض الكهرباء المتجددة، وتحقن في بئر دافئ، وتخزن المياه المسخنة في طبقة المياه الجوفية، التي تعمل كعامل طبيعي في حامض الحرارة، وعندما يرتفع الطلب، تولد التدفق.

(ب) إن نظم الغلاف الجوي جذابة بشكل خاص لأنها تستغل البنية التحتية الموجودة تحت سطح الأرض ولا تحتاج إلى صهاريج سطحية كبيرة، وتعمل مدينة ستوتغارت، ألمانيا، على نظام بياتاس على نطاق المقاطعات يوفر التدفئة والتبريد للمباني، بينما يدعم أيضاً توازن الشبكة، وفي الولايات المتحدة، تقوم إدارة مصانع الطاقة بإحداث كسر في الطاقة؛ ويمول مكتب التكنولوجيات الحرارية الأرضية بحوثاً في معززة.

تخزين مضخة الحرارة (المضخات الحرارية الحرارية مع تخزين الحروف البحرية)

ويمكن إعادة استخدام نظم الحرارة الأرضية الضحلة، التي كثيرا ما تُنشر في المباني التي تسخن وتبريد، لتخزين الشبكة، كما أن مضخة الحرارة الحرارية الأرضية تنقل الحرارة بين المبنى وشبه السطح الضحل، ومن خلال ربط مجموعة كبيرة من الثقوب بالمحطات المركزية للمضخات الحرارية، يمكن للمرافق تخزين فائض الكهرباء المتجددة كسخان في الأرض خلال الصيف واسترجاعها خلال الشتاء.

ويستخدم نظام لاندينغ سولار في ألبرتا، كندا، نظاماً لتخزين الطاقة الحرارية بالثقوب، يحتوي على 144 ثقلاً من البيوت لتخزين الحرارة الشمسية الصيفية للاستخدام في الشتاء، وتلبية 97 في المائة من القاطرات المحلية؛ وطلب التدفئة، وفي حين أن هذا المثال لا يرتبط مباشرة بتوليد الطاقة الحرارية الأرضية، يمكن توسيع المفهوم نفسه لتخزين الحرارة من النباتات الحرارية الأرضية أو من العناصر الريحية الزائدة والكهرباء الشمسية عن طريق المقاومة.

Grid Integration: How Geothermal Storage Provides Stability Services

وتُعد القدرة على التقاضي والتصريف عند الطلب أداة للتخزين الحراري الأرضي أداة متعددة الأطراف لمشغلي الشبكة، وتفصل الأقسام الفرعية التالية الخدمات المحددة التي يمكن أن يوفرها التخزين الحراري الجيولوجي.

الموازنة بين القرم و الشحوم

يمكن أن تُحمَّل نظم التخزين الحرارية الأرضية خلال ساعات العمل (في الليل أو نهاية الأسبوع) عندما تكون أسعار الكهرباء بالجملة منخفضة، وخلال ساعات الذروة بعد الظهر، تُحوَّل الحرارة المخزنة إلى الكهرباء وتباع بأسعار أقساط، ولا يؤدي هذا الارتفاع إلى تحسين اقتصاديات مصنع الطاقة الحرارية الأرضية فحسب، بل أيضا إلى خفض الحاجة إلى بدء تشغيل محطات لتقوية الطاقة تكون مغذية بالغاز الطبيعي بنسبة 5 في المائة.

تنظيم التردد والاستجابة السريعة

ويجب أن تظل الترددات الخفية في حدود ضيقة (مثلاً 60 هرتز زائد أموزن؛ 0.05 هرتز في أمريكا الشمالية) وتتفادى الاختلالات الفادحة بين العرض والانحرافات في الترددات التي يمكن أن تلحق الضرر بالمعدات، ويمكن للتخزين الحراري الأرضي أن يوفر الاستجابة التواترية ] عن طريق تغيير معدل الميزة المخزنة في أشغال التربوية المتوسطة.

احتياطي التأديب والدعم في حالات الطوارئ

وعندما يسافر مولد كبير أو خط نقل غير متوقع، تحتاج الشبكة إلى قدرة احتياطية يمكن أن تنفجر في غضون 10 دقائق ويمكن الاحتفاظ بنظم تخزين حراري جوي في حالة " إلدكو؛ وأجهزة احتياطية مجهزة بمئة دولار؛ ومتوسط التخزين متزامن مع الشبكة ولكن يعمل على الأقل، وعند حدوث حالة طوارئ، يمكن أن تصطدم أسعار التربص بسجلات كاملة في أسواق القيادة.

القدرة على البدء الأسود

وفي حالة انقطاع كامل للشبكات، تحتاج محطات الطاقة إلى مصدر خارجي للكهرباء لإعادة تشغيل نظمها الخاصة، ويمكن أن توفر محطات الطاقة الحرارية الأرضية المخزنة قدرة على البدء في إنتاج المواد الكيميائية، ويمكن استخدام الحرارة المخزنة لتوليد الكهرباء دون الاعتماد على طاقة الشبكة، وهذه خدمة موثوقية بالغة الأهمية يمكن أن توفرها قلة من الموارد المتجددة، مما يجعل تخزين الطاقة الحرارية الأرضية قيمة للشبكات الجزرية والزجاجات الصغرى.

فوائد تخزين الحرارة الأرضية لإدارة الخضروات

وبالإضافة إلى الخدمات المحددة المبينة أعلاه، يوفر تخزين الطاقة الحرارية الأرضية مزايا منهجية تدعم عملية إزالة الكربون في قطاع الطاقة على نطاق أوسع.

Enhanced Grid Stability and Resilience

ومن خلال استيعاب فائض توليد الطاقة المتجددة وإطلاقها عند الحاجة، يضعف تخزين الطاقة الحرارية الأرضية التقلبات المرتبطة بالرياح والطاقة الشمسية، ويمكن لشبكة ذات تخزين حراري جيوئي كبير أن تدمج في التغلغلات العالية للمتغيرات المتجددة دون التضحية بالموثوقية، وهذا أمر مهم بصفة خاصة لأن المناطق ترمي إلى توليد الكهرباء المتجددة بنسبة 80 إلى 10 في المائة بحلول عام 2040.

انخفاض الاعتماد على الوقود الفوسيلي

وتكلف محطات الفيكرات لتشغيل وضخ كميات عالية غير متناسبة من ثاني أكسيد الكربون والملوثات لكل ميغاواط لأنها لا تدوم سوى بضع مئات من الساعات في السنة، ويمكن للتخزين الحراري الأرضي أن يزيل هذه النباتات ويخفض الانبعاثات ويحسن نوعية الهواء المحلي، وقد تبين من تحليل أجرته فرقة العمل المعنية بالهواء النظيف في عام 2022 أن استبدال 1 جي دبليو من الغاز الطبيعي بتخزين حراري جغرافي يمكن أن يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية بمقدار 1.5 مليون طن.

وفورات التكاليف من خلال زيادة الاستخدام

وتتحمل محطات الطاقة الحرارية الأرضية تكاليف ثابتة مرتفعة ولكنها منخفضة التكاليف المتغيرة، ويتيح تخزينها الإضافي تشغيل المصنع بكامل طاقته لأكثر من ساعات اليوم، مما يقلل من مستوى تكلفة الكهرباء، ويستفيد التخزين نفسه من انخفاض تكلفة الحرارة الحرارية الأرضية (ويقل في كثير من الأحيان عن 0.02 دولار/كه - ث)، مما يجعله أرخص من تخزين البطاريات لمدة تزيد على 6 ساعات.

أوجه التآزر مع المصادر الأخرى المتجددة

ويمكن أن تُحمَّل تكاليف تخزين الطاقة الحرارية الأرضية ليس فقط بالحرارة الحرارية الأرضية بل أيضاً بتقليص طاقة الرياح والكهرباء الشمسية، وخلال فترات التدفق المفرط، يمكن أن تنخفض أسعار الكهرباء إلى الصفر أو سالبة، وبدلاً من الحد من الناتج المتجدد، يمكن للمرافق أن تستخدم تلك الكهرباء الرخيصة في أجهزة التسخين المقاومة للكهرباء أو المضخات الحرارية التي تُحمِّل التخزين الحراري، مما يُنشئ نظاماً هجيناً لتخزين.

التحديات والحواجز التقنية

ورغم وعدها، فإن الانتشار الواسع النطاق لتخزين الحرارة الأرضية يواجه عقبات عديدة تتطلب مواصلة البحث والاستثمار.

التكاليف الرأسمالية العليا

إن الآبار التنظيفية، وبناء مبادلات الحرارة، وتركيب وسائل التخزين الحرارية كثيفة رأس المال، وقد يكلف نظام متوسط النطاق لأجهزة الفرز (50 ميغاواط، 8 ساعات تخزين) 150 مليون دولار، مقارنة بالماء المضخ، ولكن مع تحديد مواعيد زمنية أطول، غير أنه يتوقع أن تتراجع التكاليف مع تحسن تكنولوجيات الحفر (النمو من النفط والغاز) وارتفاع مستويات التصنيع.

حدود جيولوجية سريعة

ولا يوجد في كل موقع مزيج صحيح من القابلية للتشبث، وتدرج درجة الحرارة، وتكوين الصخور من أجل التخزين الفعال، وتحتاج هذه البيانات إلى طبقات مياه جوفية كافية وقيمة منخفضة للمياه العذبة، وأحسنت أعمال التخزين القائمة على نظام إي جي إس في تكوينات الصخور الجافة الساخنة، التي هي أكثر شيوعا في المناطق النشطة من حيث التكتون، كما أن التحديد الأولي للمواقع باستخدام مسوحات الجيوفيزيائية وآبار الاختبارات هو أمر أساسي، ولكنه يضيف إلى تكاليف المشاريع.

فقدان الحرارة وتدهور الكفاءة

وعلى مدى فترات التخزين الطويلة (الأسبوع إلى الأشهر)، تتسرب الحرارة تدريجياً إلى الصخرة المحيطة، وفي نظم نظام البيانات المالية، يمكن أن تتراوح الخسائر في الحرارة بين 10 في المائة و30 في المائة تبعاً لممتلكات طبقة المياه الجوفية ومقياس الهندسة المخزنية، ويجري تطوير مواد العزل المتقدمة والتصميمات السليمة للتخفيف من هذه الخسائر، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يسبب التدوير الحراري إجهاداً آلياً في الصخور القريبة من عملية الآبار، مما قد يُكسر في تكوينها ويؤثر على عمليات التخزين.

الحواجز التنظيمية والتام

وتخضع الحقن تحت الأرض وتخزين السوائل المسخنة للوائح البيئية بموجب قوانين مثل قانون مياه الشرب المأمونة (في الولايات المتحدة) والتوجيه الإطاري للمياه الصادر عن الاتحاد الأوروبي، ويمكن أن يستغرق الحد من النفايات 3-7 سنوات، ويستلزم الحصول على قبول المجتمع المحلي اتصالاً شفافاً بشأن المخاطر السيزمية وحماية المياه الجوفية، ولا يوجد في العديد من الولايات القضائية تصنيف واضح للتخزين الحراري الأرضي كتوليد للطاقة أو تخزينها، مما يخلق عدم يقين لدى مطوري المشاريع.

المشاريع العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وتظهر عدة مشاريع رائدة الجدوى التقنية والقابلية الاقتصادية للتخزين الحراري الأرضي.

The Geysers, California

The Geysers geothermal field in Northern California is the worldrsquo;s largest geothermal complex, with a installed capacity of over 1.5 GW. In 2018, Calpine Corporation implemented a ]re-injection enhancement program that functions as a form of storage: during periods of low demand, excess ste rise injectam is diverted and injected well depleted flexibility.

محطة كرافل للطاقة الحرارية الأرضية، أيسلندا

(أ) استخدام محطة كرافا (120 ميغاواط) تخزين الطاقة الحرارية فوق الثقوب ] متصل بشبكة تدفئة في المقاطعات، وأثناء الصيف الذي يرتفع فيه الطلب على التدفئة، يخزن فائض الحرارة الحرارية في حقل ثقوب عميق يحتوي على 14 ثقباً في أعماق البحار.

Pilot Project in Cornwall, United Kingdom

وسيستخدم عنصر الطاقة الحرارية الأرضية العميقة في كورنوال التابع للأمم المتحدة آبار حفر تبلغ عمق 5 كيلومترات للوصول إلى الصخور المغنية الساخنة، وسيستخدم عنصر " RTES " () شبكة كسر لتخزين الحرارة الزائدة المتولدة خلال فترات منخفضة الطلب، ويشترك في تمويل المشروع صندوق تخزين الطاقة في المستقبل.

التوجيهات والبحوث المستقبلية

وتتعهد عدة سبل بحث بتخفيض التكاليف وتحسين الكفاءة وتوسيع نطاق التطبيق الجغرافي للتخزين الحراري.

شركة مخزن متقدمة

ويقوم الباحثون بوضع نماذج متطورة لعمليات الكيمياء الحرارية الميكانيكية في خزانات التخزين، ويمكن أن تؤدي الخوارزميات التعليمية الماكين إلى تحقيق الحد الأمثل من الحقن والجدول الزمني للإنتاج إلى أقصى حد ممكن لتحقيق أقصى قدر من التعافي من الحرارة مع التقليل إلى أدنى حد من الظواهر السيزمية المستحثة، كما أن موقع الاختبارات في موقع يوفيرتير للبحوث في تقنيات الطاقة الحرارية الأرضية هو موقع اختباري.

النظم الهجينة مع الطاقة الشمسية المركزة

ويخلق التخزين الحراري الأرضي مع محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP) مادة " اللدكو؛ وجهازاً للأشعة الشمسية؛ وهجيناً يتقاسم البنية التحتية للتخزين الحراري، وخلال ساعات مشمسة، تسخن شبكة المعلوماتية في وسط التخزين؛ وتحافظ الحرارة الحرارية الأرضية على درجة الحرارة بين عشية وضحاها، ويزيد هذا التآزر من عامل القدرة ليبلغ 90 في المائة ويخفض تكلفة التخزين عن طريق نشر أصول ثابتة على مصدرين للطاقة.

تخزين مباشر للاستعمالات للعمليات الصناعية

ويمكن أيضاً أن تخدم التخزين الحراري الأرضي الحمولات الحرارية الصناعية (مثل تجهيز الأغذية، وصنع المواد الكيميائية) التي تتطلب حرارة ثابتة عالية الحرارة، وبتخزين الحرارة عندما تكون أسعار الكهرباء منخفضة، يمكن للمرافق الصناعية أن تقلل من تكاليف الطاقة وتخفف من الضغط على الشبكة، ويظهر مشروع نظام " ديستريز " الممول من الاتحاد الأوروبي هذا المفهوم في عدة مواقع صناعية في مختلف أنحاء أوروبا.

Seasonal Energy Storage for High Latitude Regions

وتتفاوت بلدان مثل كندا والسويد وفنلندا في التوافر الشمسي الشديد، إذ يمكن أن يوفر تخزين الطاقة الحرارية الكبيرة للحفر التي تُحمَّل بواسطة الطاقة الشمسية الصيفية التدفئة والتوليد حتى للطاقة في الشتاء، ويتعاون مختبر الطاقة المتجددة الوطني مع الشركاء الفنلنديين لوضع نظام شامل للأفضليات البيئية من أجل توفير خدماته لمقاطعة تضم 000 10 منزل، ويمكن إعادة تصميم هذه النظم على الآبار الأرضية الحرارية الموجودة.

خاتمة

ويمثل تخزين الطاقة الحرارية الأرضية جزءاً ناقصاً في الانتقال إلى شبكة متجددة تماماً، إذ إنه بتمكينها من توليد طاقة مرنة وقابلة للإرسال من مصدر للحمولة الأساسية، يعالج تداخل الرياح والطاقة الشمسية مع توفير خدمات الاستقرار الأساسية مثل تنظيم الترددات، والاحتياطي العمودي، والقدرة على البدء السوداء، وتنوع تكنولوجيات التخزين، والكمود، ومن صهاريج الملح المتحركة إلى طبقات المياه الجوفية إلى مناطق مائية متطورة، وتمتد نطاق واسع.

وفي حين أن هناك تحديات قائمة، فإن المشاريع الرائدة والمبادرات البحثية الجارية تخفض بشكل مطرد التكاليف وتحسن الأداء، فمع وجود سياسات داعمة تعترف بالقيمة الفريدة لتخزين الطاقة الطويلة الأجل، يمكن أن يحقق تخزين الحرارة الأرضية نضجا تجاريا في غضون العقد القادم، وينبغي لمشغلي المحاجر ومخططي المرافق أن يبدأوا في إدراج تخزين الطاقة الحرارية الأرضية في حافظات مواردهم الآن، مع تعزيز قدرتهم على التوازن، وتعزيز القدرة على التكيف، وخفض الانبعاثات.