ما هي الطاقة الحرارية الأرضية؟

إن الطاقة الحرارية الأرضية تخترق حرارة الأرض الداخلية، مورد واسع وغير مستغل إلى حد كبير يوفر إمدادات مستمرة من الطاقة تعتمد على الطقس، وهذه الحرارة تنشأ من التكوين البدائي للكوكب ومن التحلل الإشعاعي للمعادن العميقة داخل القشرة، وترتفع درجة الحرارة بعمق، عادة نحو ٢٥-٣٠ درجة مئوية لكل كيلومترات، وفي المناطق ذات النشاط الجيولوجي، تكمن كمية كبيرة من الصخور أو السطح المغنط.

ثلاثة أنواع رئيسية من محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية تستخدم تجارياً. Dry steam plants] تأخذ البخار مباشرة من آبار تحت الأرض وتستخدمه لتدور التربينات.

وفيما عدا الكهرباء، فإن الطاقة الحرارية الأرضية تخدم الاستخدامات المباشرة: تدفئة المناطق، وتدفئة الدفء، وتربية الأحياء المائية، وحرارة العمليات الصناعية، وحتى تذوب الثلج، وفي الشبكات الموزعة، يمكن أن تكمل تطبيقات الاستخدام المباشر توليد الطاقة، وتحسين كفاءة النظام عموما، وعامل التحميل.

شبكات الطاقة الموزعة

كما أن شبكات الطاقة الموزعة - التي تسمى أيضاً نظم توليد الطاقة الموزعة أو نظم موارد الطاقة الموزعة - تتألف من مصادر طاقة أصغر حجماً، وموحدة، تقع بالقرب من مستهلكي الطاقة، ويمكن أن تشمل هذه المصادر صفائف فولتية شمسية، وتوربينات الرياح، وخلايا الوقود، وخزن البطاريات، ووحدات الطاقة الحرارية الأرضية، وخلافاً لمحطات الطاقة المركزية التي ترسل الكهرباء عبر خطوط الانتقال الطويلة، فإن الشبكات الموزعة تولد الطاقة الكهربائية تولد الطاقة الكهربائية في نقطة الموثوقية أو بالقرب منها، مما يؤدي إلى زيادة في زيادة في عمليات الإمداد أو إلى الحد من ذلك.

وكثيرا ما تقترن الشبكات الموزعة بالشبكات المجهرية - الشبكات المحلية التي يمكن أن تعمل بشكل مستقل عن شبكة الطاقة الرئيسية أثناء الاضطرابات، ويوفر هذا الهيكل المرونة الطاقية ضد المخارج ويتيح للمجتمعات المحلية إدارة إنتاجها واستهلاكها من الطاقة، أما بالنسبة للطاقة الحرارية الأرضية، فإن النشر يعني محطات أصغر حجما (من 0.5 إلى 10 ميغاواط) يمكن أن تكون متاحة على أساس الموقع.

السمات الرئيسية للنظم الحرارية الأرضية الموزعة

  • Modularity:] Geothermal units can be designed in standard modules, allowing incremental capacity additions as needed - a critical feature for communities that want to scale investment gradually.
  • Baseload Performance:] contrast intermittent solar or wind, distributed geothermal provides constant, dispatchable power. A properly designed binary plant operates at high capacity factors (90%+), making it a reliable backbone for microgrids.
  • Low Profile:] Geothermal plants occupy relatively small footprints compared to many other renewable installations. A 5 MW binary plant and its wellfield typically require about 1 -2 acres of surface area, making it feasible in space-constrained environments.
  • Compbined Heat and Power (CHP):] Many geothermal distributed systems can co-produce electricity and heat. In a district heating cycle, for instance, the residual heat after power generation can warm nearby buildings, hospitals, or greenhouses, boosting overall system efficiency to 70-80%.

المزايا من الطاقة الحرارية الأرضية في الشبكات الموزَّعة

ويسفر إدماج الطاقة الحرارية الأرضية في نظم الطاقة الموزعة عن طائفة من الفوائد التقنية والاقتصادية والبيئية - التي يضاعف الكثير منها الهيكل اللامركزي.

الموثوقية والاستقرار المظلم

وعامل القدرة الحرارية الأرضية غير مطابق بين مصادر الطاقة المتجددة. ] في حين أن متوسطات الطاقة الشمسية تبلغ نحو 20 إلى 25 في المائة ورياحها نحو 30 إلى 40 في المائة، فإن النباتات الثنائية الحديثة الحرارية الأرضية تحقق بشكل روتيني نسبة 90 إلى 95 في المائة من الطاقة المتاحة، وفي شبكة موزعة، يمكن أن يكون هذا الناتج الثابت المصدر الرئيسي لتوليد الطاقة الكهربائية من بعد، مما يقلل من الحاجة إلى تخزين البطاريات على نطاق الشبكة، ويقلل إلى أدنى حد.

وعلاوة على ذلك، ونظرا لأن الطاقة الحرارية الأرضية غير متقطعة، فإنها تكمل بطبيعة الحال موارد أخرى موزعة، ويمكن للزجاج المجهري الذي يشمل الطاقة الحرارية الأرضية والشمسية وتخزين البطاريات أن يحافظ على درجة عالية من الموثوقية حتى خلال فترات الغيوم الممتدة أو الرياح الهادئة - فالوحدة الحرارية الأرضية تحشد ببساطة نصيبها من الحمولة.

المنافع البيئية والإنبعاثات

ولا تُنتج النباتات الحرارية الأرضية إلا القليل من ثاني أكسيد الكربون أثناء التشغيل، كما أن محطات الدورة الثنائية، التي هي الأكثر شيوعاً في التطبيقات الموزعة، إطلاقات من غازات الدفيئة تقريباً، وتبين تحليلات دورة الحياة أن الطاقة الحرارية الأرضية لديها آثار كربونية تبلغ نحو 15 إلى 50 غراماً من كل كيلوواط - ساعة - مقارنة بالريح وبدرجة أكبر بكثير من الغاز الطبيعي (400 إلى 500 غرام/كيلوواط).

Scalability and Local Economic Development

يمكن أن تُستخدم نظم الطاقة الحرارية الأرضية الموزعة لتطابق الحمولات المحلية من 500 كيلوواط إلى 20 مصنعاً من طراز MW لمدينة تضم 10000 أسرة، وهذه القدرة على التصعيد تسمح للمجتمعات المحلية بأن تبدأ بصغر حجمها وتوسيعها مع زيادة الطلب أو مع تأكيد الحفر على موارد إضافية، فالطبيعة المحلية للاستثمار تخلق فرص عمل في الحفر، وتشغيل النباتات، والصيانة، وإدارة الشبكات، في كثير من الأحيان في الأماكن التي تحتفظ بفرص أخرى للحصول على عمل مستقرة.

انخفاض الخسائر في الانبعاثات وتكاليف الهياكل الأساسية

وفي المتوسط، تبلغ الخسائر في الانبعاثات والتوزيع في الولايات المتحدة نحو ٥-٦ في المائة من الكهرباء المتولدة؛ وفي الشبكات القديمة أو التي يزيد حجمها، يمكن أن تتجاوز الخسائر ١٠ في المائة، ومن خلال توليد الطاقة عند نقطة الاستهلاك، توزع النباتات الحرارية الأرضية عمليا على هذه الخسائر، علاوة على أنها تتجنب الحاجة إلى خطوط جديدة لنقل الطاقة البعيدة المدى تكون باهظة التكلفة وكثيفة الأرض وكثيرا ما تتأخر بفعل العقبات التنظيمية والمستقرة.

التحديات والحلول

وفي حين أن الوعد بتوزيع الطاقة الحرارية الأرضية هام، يجب التصدي للعديد من الحواجز القائمة على العالم الحقيقي لفتح الانتشار الواسع النطاق.

التكاليف الرأسمالية العليا

بالإضافة إلى أنّ حفر آبار عميقة وبناء مصنع للحرارة الأرضية هو رأسمال كثيف، بالنسبة لخمسة ميغاواط، يمكن أن يُسجّل الاستكشاف والحفر بنسبة 30 إلى 50 في المائة من مجموع تكاليف المشاريع، كما أنّ مخاطر التدفق الجاف أو عدم كفاية التدفقات تُثبّت الاستثمار الخاص، لا سيما في المناطق الحدودية، إلاّ أنّه قد بدأ يُظهر العديد من الحلول.

عدم اليقين الجيولوجي والموقع

أما الموارد الحرارية الأرضية فهي غير موزعة بصورة موحدة، كما أن الظروف الفولطية - درجات الحرارة المرتفعة، والصخور القابلة للتداول، والمياه الجوفية الكافية - موجودة في مناطق ذات رقائق تكتونية نشطة، أو نشاط بركاني، أو في أحواض رسوبية عميقة، وهذا يعني أن اختيار الموقع مقيد، غير أن التقدم المحرز في المسح الجيوفيزيائي (الدراسية، والجاذبية، والتف، والتأمل في مواقع التكوين)

استخدام المياه والنزعة السيزمية

أما أفضل أنواع البحث في مجال الطاقة الحرارية المائية فيمكن أن تستهلك المياه لأغراض التبريد وإعادة الحقن، أما نظم التبريد الملزمة والمفاجئة (مثلاً، أجهزة رصد الهواء) فتؤدي إلى خفض استهلاك المياه بنسبة 90 في المائة مقارنة بالتصميمات المحتوية على الماء، وفي المناطق القاحلة، يمكن أن تتفاؤل النباتات المصغرة الموزعة عن التبريد الجاف، وإن كانت تُفرض عليها عقوبة طفيفة على الكفاءة.

الحد الأدنى والأعراض التنظيمية

وقد لا تزال مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية الموزعة تواجه تصاريح بيئية طويلة، وتصاريح حفر، واتفاقات ربط الشبكات، لا سيما عندما تكون هناك حاجة إلى آبار متعددة، وتوحيد التصاريح الخاصة بالحرارة الأرضية الصغيرة (دون 10 ميغاواط)، وتبسيط التشاور مع الدراسات الاستقصائية الجيولوجية الحكومية يمكن أن يقلل من الأطر الزمنية، وقد أنشأت بعض الولايات القضائية مناطق موارد حرارية ذات قدرة على إحداث الوصل الجغرافي.

الإدماج التقني مع المحاجر القائمة للتوزيع

وقد صممت شبكات توزيع أقدم لتدفق الطاقة من اتجاه واحد - من محطات النقل الفرعية إلى المستعملين النهائيين - ويمكن أن يتطلب إضافة توليد الطاقة الحرارية الأرضية (وبخاصة حمولة الأساس) رفع مستوى معدات الحماية، وأجهزة تنظيم الفولط، وضوابط البرمجيات، ويمكن للمتحولين الحديثين الذين يستخدمون في محطات ثنائية أن يقدموا دعماً تفاعلياً في مجال الطاقة ووصلات فولتية، مما يجعلهم في متناول الشبكة.

التوقعات المستقبلية

إن إدماج الطاقة الحرارية الأرضية في شبكات الطاقة الموزعة أمر مهيأ للنمو الكبير، حيث تنضج التكنولوجيا وتتراجع التكاليف وتدعم السياسات، وتشير عدة اتجاهات إلى مستقبل مشرق.

ويمكن أن تكون معظم النظم الحرارية الأرضية المعززة في أوتاه هي أكبر متغيرات في مجال الطاقة، حيث يمكن أن تكون شبكة الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة (مرصد البحوث في الطاقة الحرارية الأرضية) في منطقة أوتاه تبين كيفية إنشاء نظم محمولة ذات قدرة اقتصادية قابلة للاستمرار في الشبكة العالمية.

(أ) النظم المزدحمة بالطاقة الشمسية التي تجمع بين الحرارة الأرضية والطاقة الشمسية والريحية والتخزين، على سبيل المثال، في مدينة ليكفيو، أوريغون، توجد محطة حرارية ذاتية حرارية تعمل بالطاقة الحرارية الأرضية تبلغ 33 ميغاواط، وتزودها بحمولة أساسية؛ وستؤدي إضافة معتزمة إلى 50 ميغاواط من الطاقة الشمسية و20 ميغاواط من مخزن البطاريات الضوئية إلى حد أقصى.

(أ) إن خطة الاتحاد الأوروبي الخاصة بـ (ريباورو) تحدد هدف توليد الكهرباء الحرارية الأرضية ثلاث مرات بحلول عام 2030، وتستثمر اليابان وإندونيسيا بشدة في الطاقة الحرارية الأرضية الصغيرة لكهربة الريف، وفي الولايات المتحدة، يوفر قانون خفض التضخم ائتمانا ضريبيا بنسبة 30 في المائة (مع زيادة حجم محطات إنتاج الطاقة والمحتوى المحلي)

وتبرز الدراسات المتعلقة بالحرارة الأرضية الموزعة في المقاطعات النجاح العملي: فمحطة هيليشيدي بالقرب من ريكفيك، أيسلندا، توفر الكهرباء والحرارة على مستوى المناطق في العاصمة من خلال شبكة موزعة من الآبار وخطوط النقل، وتحصل على طاقة متجددة تبلغ نحو 100 في المائة في منطقة العاصمة.

إن الإمكانات العالمية للعوامل الحرارية الأرضية الموزعة هائلة، وتقدر الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أنه مع إدخال تحسينات قوية على السياسات والتكنولوجيا، يمكن أن يوفر الطاقة الحرارية الأرضية ٣-٥ في المائة من الكهرباء العالمية بحلول عام ٢٠٥٠ - وسيتوزع جزء كبير منها على محاصيل مجهرية موزعة، وبالنسبة للبلدان النامية ذات الإمكانات الحرارية الأرضية العالية )مثل كينيا وإندونيسيا وشيلي(، تتيح النباتات الموزعة فرصة للقفز على البنية التحتية المركزية للوقود الأحفوري، مما سيجلب الطاقة إلى المجتمعات المحلية النائية التي لا تتوفر فيها شبكات باهظة.

ولا توجد عقبات أمام الطريق، بل يجب أن تتراجع تكاليف الحفر، مما يسمح بالعمليات بأن تصبح أسرع، ويجب تحديث معايير التكامل الشبكي، ولكن المسار واضح: فالطاقة الحرارية الأرضية، التي تقتصر على بضعة مواقع بركانية، تتطور إلى مورد متعدد الأطراف ومتقن وموثوق بدرجة عالية لشبكات الطاقة الموزعة، وحيث تسعى المجتمعات والصناعات إلى الحصول على طاقة مأمونة ونظيفة وميسورة، فإن الناتج الحراري الجغرافي ثابت.

For further reading, the U.S. Department of Energy ] Geothermal Technologies Office offers detailed technical resources. The International Renewable Energy Agency'4]