إمكانية استخدام الموارد الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة في العمليات الصناعية

The Untapped Power of Low-Temperature Geothermal Heat for Industry

وتشكل العمليات الصناعية جزءا كبيرا من استهلاك الطاقة العالمية، لا يزال معظمها يعتمد على الوقود الأحفوري للتدفئة، وفي حين أن الموارد الحرارية الأرضية العالية الحرارة قد استخدمت منذ وقت طويل لتوليد الكهرباء، وهي مادة ذات طابع دنيء، ولكنها وفرة على نطاق واسع، لا تزال الموارد المستخدمة في مجال الغازات الحرارية غير صالحة للاستخدام بدرجة كبيرة.

ما الذي يحدد الموارد الحرارية الأرضية المنخفضة التناسب؟

والطاقة الحرارية الأرضية هي الطاقة الحرارية المخزنة داخل قشرة الأرض، وتصنف الموارد عادة حسب درجة الحرارة، والموارد الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة هي تلك التي تقل درجة حرارة السوائل فيها عن ١٥٠ درجة مئوية )٣٠٠ درجة ف(. وهذا يتناقض مع متوسط درجة الحرارة )١٥٠-٢٠٠ درجة مئوية( والنظم ذات الحرارة العالية )أكثر من ٢٠٠ درجة مئوية( التي تستخدم عادة لتوليد الطاقة التقليدية.

• Hydrothermal systems] — Naturally occurring hot water or steam trapped in porous rock or fractured formations, these are often found at shallow depths (a few hundred meters to 2 km) and are the most common and economical to develop.
• الأحواض المزروعة - طبقات الصخور الرسوبية العميقة التي تحتوي على مياه دافئة، وغالبا ما تكون في المناطق التي لا يوجد فيها نشاط بركاني، وتوزع هذه الموارد على نطاق واسع في القارات ويمكن استغلالها باستخدام آبار المياه التقليدية.
• Enhanced Geothermal Systems (EGS) at lower temperatures] – While EGS traditionally aims at high temperatures, recent research explores engineering low-permeability, hot rock formations at moderate depths to create artificial reservoirs.

وعلى الصعيد العالمي، فإن غالبية الموارد الحرارية الأرضية المتاحة منخفضة الحرارة، إذ أن بلداناً مثل الولايات المتحدة والصين وتركيا وأيسلندا والعديد من الدول الأوروبية لديها ميادين واسعة النطاق منخفضة الحرارة غير متطورة حالياً للاستخدام الصناعي.() وتشير التقديرات إلى أن الاستخدام المباشر للحرارة الحرارية الأرضية يمكن أن يلبي 5-10 في المائة من الطلب الصناعي العالمي المنخفض().

التطبيقات الصناعية: حيث توجد أجهزة قياس ذات حرارة جغرافية منخفضة الطين

وتتطلب العمليات الصناعية الحرارة في مجموعة واسعة من درجات الحرارة، وكثير من هذه التهريب والتبخير والتبخير والتبخير والغسيل والتدفئة في الفضاء في درجات حرارة تقل كثيراً عن 150 درجة مئوية، مما يجعلها مرشحة مثالية للاستخدام المباشر الحراري الأرضي المنخفض الحرارة، وهي أقل القطاعات الصناعية الواعدة والتطبيقات المحددة.

تجهيز الأغذية والآداب

وتعتمد صناعة الأغذية اعتمادا كبيرا على الطاقة الحرارية للطبخ والتنظيف والتبخير والتبخير والتعقيم والتنظيف، ويمكن أن توفر الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة المياه الساخنة (60-120 درجة مئوية) لهذه المهام، وفي نيوزيلندا، تستخدم محطة معالجة حراريا ذات حرارة جيولوجية مياها خضراء تبلغ 120 درجة مئوية لتمديد الحليب وتجفيف الغاز الطبيعي بنسبة 90 في المائة.

جفاف المواد وتصريفها

فالحفر كثيف للطاقة، وكثيرا ما يتطلب الهواء عند درجة حرارة ٥٠-١٢٠ درجة مئوية. ويمكن أن يسخن الحرارة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة غرف التجفيف أو يوفر هواءا قبل الحرارة من أجل:

• Wood and timber] – Kiln drying using geothermal water at 80-100°C reduces costs and improves quality.
• Agricultural products] — Drying grains, fruits, vegetables, and herbs with geothermal heat preserves nutrients and extends shelf life.
• ]Ceramics and bricks - In regions with clay deposits, geothermal air at 80-120°C can medication bricks and tiles.
• Textiles] — Drying fabric after dyeing and endinging uses large amounts of energy; geothermal can provide this heat directly or via heat exchangers.

الصناعة الكيميائية والصيدلانية

وتتطلب ردود الفعل الكيميائية الكثير من درجات الحرارة الدقيقة بين 80 درجة مئوية و140 درجة مئوية. ويمكن استخدام الحرارة الأرضية المنخفضة الحرارة لتسخين المفاعلات، والتحلل، والتبخر، والاستعادة المذيبة.() وفي الصين، تستخدم النباتات الكيميائية المياه الحرارية الأرضية عند 110 درجة مئوية لإنتاج حمض البوريك، مما يحقق انخفاضاً بنسبة 40 في المائة في استخدام الفحم، ويمكن أيضاً أن يستخدم قطاع المستحضرات الصيدلانية مادة البخار الحرارية الأرضية لتعقيم المعدات والنظير.

التدفئة الخضراء وتربية الأحياء المائية

وعلى الرغم من أن هذه العمليات ليست " صناعية " فحسب، إلا أنها عمليات تجارية واسعة النطاق تستفيد من الحرارة الحرارية الأرضية، وتحافظ الحواضر على درجات حرارة نحو ١٥-٢٥ درجة مئوية حتى في الشتاء، وتستخدم السوائل الحرارية الأرضية التي يتم توزيعها عن طريق الأنابيب والمشعات، وتزيد مرافق تربية الأحياء المائية التي تزيد من التلابيا أو الروبيان أو سمك السلمون من أجل الحفاظ على درجات الحرارة القصوى في المياه، وتزيد من معدلات النمو، وتخفض من ذلك.

إنتاج المنسوجات

وتستهلك صناعة المنسوجات كميات كبيرة من المياه الساخنة للتصبغ والتباطئ والانتهاء منها، وتتراوح درجات الحرارة عادة بين ٦٠ و ١٠٠ درجة مئوية. ويمكن استخدام المياه الحرارية الأرضية مباشرة أو قبل عملية التسخين، مما يقلل استهلاك الوقود الأحفوري، وقد استخدمت مطحنة المنسوجات في منطقة دنيسلي التركية حرارة حرارية حرارية حرارية جوثية منذ الثمانينات، مما وفر ما يقدر ب ٠٠٠ ٥٠٠ دولار سنويا في تكاليف الطاقة.

التدفئة المحلية للمتنزهات الصناعية

ولا يقتصر الطابع الحراري الأرضي المنخفض التمرين على مصنع واحد؛ ويمكنه أن يخدم جميع المتنزهات الصناعية عن طريق شبكات تدفئة المناطق، وعلى سبيل المثال، تستخدم مدينة كلاماث فالز، أوريغون، المياه الحرارية الأرضية عند درجة 90-110 درجة مئوية لتدفئة المباني المتعددة، بما في ذلك معهد أوريغون للتكنولوجيا، والمرافق الصناعية القريبة، وتوزع هذه الشبكات الحرارة بكفاءة وتخفض عبء رأس المال على فرادى الشركات.

تكنولوجيات تسخير الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة القدرة على إحداث الاحترار

ويتطلب نشر الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة في الصناعة تكنولوجيات ملائمة للاستخلاص والاستخدام، وتشمل النهج الأكثر شيوعا ما يلي:

نظم الاستخدام المباشر

ويضخ السوائل الحرارية الأرضية في الاستخدام المباشر من بئر إنتاج ويمر عبر مبادلات حرارية قبل استخدامها في العملية الصناعية، وبعد نقل حرارتها، يتم إعادة ضخ السوائل المبردة إلى الخزان (للإبقاء على الضغط والاستدامة) أو تصريفها (حيثما يسمح بذلك)، ويصبح الاستخدام المباشر أبسط وأكفأ عندما تضاهي درجة الحرارة الحرارية الأرضية متطلبات العملية.

مضخات الحرارة الأرضية

وفي الحالات التي تكون فيها درجة حرارة الموارد منخفضة جدا )١٠-٣٠ درجة مئوية(، يمكن لمضخات الحرارة الحرارية الأرضية أن ترفع درجة الحرارة إلى مستوى قابل للاستخدام )٥٠-٧٠ درجة مئوية( باستخدام دورة ضغط بخار، وتتناسب هذه المضخات بشكل خاص مع مياه التدفئة الفضائية، ومياه عمليات التسخين، وتجفيف الحرارة المنخفضة، وفي حين أنها تتطلب الكهرباء اللازمة لتشغيلها، فإن معامل الأداء هو عادة ٣-٥ وحدات.

استخدام الكاستات

فالاستحواذ على السائل الحراري يُستخدم بالتتابع في عمليات متعددة عند درجات حرارة متناقصة، مثلاً، قد تستخدم المياه عند درجة حرارة 110 درجة مئوية في تسخين التفاعل الكيميائي، ثم عند درجة 80 درجة مئوية للجفاف ثم عند درجة 50 درجة مئوية لتدفئة الدفيئة، وأخيرا عند درجة 30 درجة مئوية لتربية الأحياء المائية، مما يزيد من استخراج الطاقة ويحسن الاقتصاد العام، ويكتسي الصيد بصفة خاصة بالنسبة للمتنزهات الصناعية التي تدور حول محيطها.

النظم الهجينة

ويمكن أن يؤدي الجمع بين الحرارة الأرضية المنخفضة الحرارة وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة (الطيور الحرارية المطلقة، أو الكتلة الأحيائية) أو حرارة النفايات الناتجة عن العمليات الصناعية إلى إيجاد نظم هجينة توفر حرارة موثوقة على مدار السنة، وعلى سبيل المثال، تستخدم محطة تجهيز الأغذية في سويسرا الحرارة الحرارية الأرضية مكملة بمغلي الكتلة الأحيائية أثناء ارتفاع الطلب، مما يحقق إمدادات حرارية متجددة بنسبة 100 في المائة.

المزايا والاستحقاقات الاقتصادية

ويتيح التحول إلى الحرارة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة مزايا عديدة على المغليات التقليدية للوقود الأحفوري، بل والمتجددات الأخرى:

• Price stability] – – Geothermal heat has no fuel cost and is not subject to price volatile. Once the initial infrastructure is built, operating costs are predictable and low (mainly electricity for pumps and maintenance).
• High capacity factor] — Geothermal resources provide heat 24/7, regardless of weather. This makes them ideal for continuous industrial processes that cannot tolerate intermittent supply.
• Reduced carbon footprint] - Direct use of geothermal heat can cut CO2 emissions by 70-90% compared to natural gas. Further reductions are possible if the electricity used for pumps is renewable.
• ] Local energy independence] - Many industrial sites are located on or near geothermal resources, reducing dependence on imported fuels and enhancing energy security.
• Job creation and economic development] – Developing geothermal resources stimulates local employment in drilling, engineering, construction, and operation. It also attracts industries seeking low-cost, stable energy.

ووفقاً لـ U.S. Department of Energy ]، فإن التكلفة المرتدة للحرارة من الحرارة الأرضية المنخفضة الحرارة يمكن أن تكون منخفضة إلى 15-30 دولاراً لكل ميغاواط، مقارنة بمبلغ 30 إلى 60 دولاراً للغاز الطبيعي (بأسعار المنطقة والغاز) مما يجعل الطاقة الحرارية الأرضية عالية القدرة على المنافسة، ولا سيما في المناطق التي توجد فيها ضرائب مرتفعة على الوقود الأحفوري أو أسعار الكربون.

العوائق والتحديات التي تواجه التبني

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن عدة حواجز تعوق الاستخدام الصناعي الواسع النطاق للموارد الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة، ومن الضروري فهم هذه التحديات لإيجاد حلول فعالة.

التكاليف الرأسمالية العليا

إن آبار الحرارة الأرضية المتدفقة باهظة التكلفة، حيث تكلف عادة مبلغ يتراوح بين ١ و ٥ ملايين دولار لأزواج الإنتاج/الحقن، حسب العمق والجيولوجيا، ويمكن أن يردع خطر الاستكشاف )ثقوب الجراثيم( الاستثمار، غير أنه يمكن تخفيف هذه المخاطر مع إجراء دراسات استقصائية جيولوجية مناسبة وإقامة شراكات بين القطاعين العام والخاص، وتساعد الإعانات الحكومية، والائز الضريبية، ونماذج التمويل المبتكرة )مثل اتفاقات شراء الحرارة الأرضية( على تخفيض الحاجز الأولي.

تحديد الموارد وتصنيعها

ولا تتوفر لجميع المواقع الصناعية موارد حرارية جغرافية متاحة، إذ يمكن أن تكون نوعية المياه )الارتفاع والتآكل( مسألة، مثل السوائل الحرارية الأرضية المالحة أو الغنية بالسيليكا، قد تتطلب مبادلات ومعالجات حرارية باهظة الثمن، ومع ذلك فإن كثيرا من أحواض المياه الرسوبية تكون في درجة حرارة نظيفة وغير سليمة.

العقبات التنظيمية والتأثيرية

وتنطوي عملية التطوير الحراري للجيولوجي على السماح بالحفر، واستخراج المياه، وإعادة الحقن، واستخدام الأراضي، ويمكن أن تستغرق هذه العملية سنوات في بعض الولايات القضائية، ومن شأن تبسيط إعطاء الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة (التي تشكل مخاطر بيئية أقل من النظم العالية الحرارة) أن يعجل النشر، ويشمل توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن الطاقة المتجددة ، الذي يسمح بتبسيطه .

الافتقار إلى الوعي والخبرة التقنية

ولا يدرك كثير من مديري المرافق الصناعية إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة أو الافتقار إلى الخبرة الداخلية اللازمة لتقييمها، ويمكن لبرامج التوعية وقواعد البيانات المتعلقة بدراسة الحالات الإفرادية ومراكز المساعدة التقنية سد هذه الفجوة، وتقدم الرابطة الدولية للحرارة الأرضية والرابطات الوطنية للحرارة الأرضية التدريب والموارد للمستعملين المحتملين.

التكامل مع العمليات القائمة

وقد يتطلب إعادة تكييف الحرارة الحرارية الأرضية إلى مصنع قائم إدخال تعديلات على الرصيف، ومبادلات الحرارة، ونظم المراقبة، غير أنه يمكن تصميم الحدائق الصناعية في المناطق الخضراء منذ بداية التكامل الحراري الجيوغرافي، مما يقلل كثيرا من التكلفة، وقد بدأت الآن تظهر نظم الإمداد الحرارية الأرضية الحديثة التي تعمل بالحاويات لتبسيط التركيب.

دراسات الحالات الناجحة حول العالم

وتظهر الأمثلة على العالم الحقيقي قدرة الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة على البقاء في الصناعة وتوفر نماذج قابلة للتكرار.

معهد أوريغون للتكنولوجيا (كالاث فالز، الولايات المتحدة الأمريكية)

وقد استخدم حرم أوريغون للتكنولوجيا حرارة حرارية حرارية حرارية حرارية أرضية منذ الستينات، ويوفر بئران عند درجة حرارة 90-110 درجة مئوية كامل الحرم الجامعي، بما في ذلك الفصول والمختبرات ومركز الطلبة، بالإضافة إلى أن السوائل الحرارية الأرضية تغذي محطة مجاورة لتجهيز الأغذية ودفيئة، وقد وفر نظام التدفئة في هذه المقاطعة الجامعة أكثر من مليون دولار سنوياً لتجنب تكاليف الغاز الطبيعي.

ريخانيسبيير، أيسلندا

إن أيسلندا قائد في استخدام الطاقة الحرارية الأرضية، وتستخدم مدينة ريخانسبيار الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة (100-130 درجة مئوية) لتوفير الحرارة لمصانع تجهيز الأسماك، ومرفق إنتاج الملح، والاحتباس الحراري، وتوزع الحرارة من خلال شبكة محلية، وتستخدم الكاستنغات لتتحول المياه المستعملة إلى ثلج وتربية الأحياء المائية، وقد حول هذا النظام منطقة لا تستخدم فيها الوقود الأحفوري.

يانغبينغ، تيبت

وبالإضافة إلى محطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية، يوفر حقل يانغباج )الماء عند ١٠٠-١٣٠ درجة مئوية( الحرارة لمصنع للدائن والجبن، وقد أثار النجاح الاهتمام بتكرار النموذج لمواقع صناعية أخرى عالية الجودة في الصين.

سانت غالين، سويسرا

شبكة تدفئة في مقاطعة سانت غالين، تغذيها حرارة حرارية أرضية منخفضة الحرارة عند درجة حرارة 115 درجة مئوية، وتغذي حرارة على مصنع للجعة والشوكولاتة ومستشفى، ويتجاوز المشروع المعارضة العامة الأولية عن طريق إظهار السلامة والفوائد البيئية، ويزود الآن 60 جيه/سنة من الحرارة المتجددة، ويقطع 000 12 طن من ثاني أكسيد الكربون سنويا.

The Road Ahead: Scaling Up Low-Temperature Geothermal

ومستقبل الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة في الصناعة أمر واعد، ولكنه يتطلب جهداً متضافراً من واضعي السياسات والصناعة والباحثين.

الابتكارات التكنولوجية

وتخفض التكاليف بفضل التقدم المحرز في تكنولوجيا الحفر (حفر الماس، الحفر التوجيهي) وتخفض النظم الحرارية الأرضية المغلقة التي تعمم سائلاً عاملاً من خلال مبادلات حرارة في القاع دون استخراج المياه، وتقضي على مسائل مناولة المياه ويمكن نشرها في أي جيولوجي تقريباً، وقد تزيد البحوث التي تجرى في سوائل نقل الحرارة القائمة على المواد النانوية من تحسين الكفاءة، وفي الوقت نفسه، يؤدي وضع النماذج المتقدمة والتعلم الآلات إلى تحسين توصيف الموارد، وتقليل مخاطر الاستكشاف.

السياسات والحوافز المالية

ولفتح الإمكانات الصناعية، ينبغي للحكومات أن تنص على ما يلي:

• (ب) ائتمانات ضريبية الاستثمار أو منح لحفر الحرارة الأرضية ونظم الإمداد بالحرارة.
• :: السماح بالتدريج بالمشاريع ذات الاستخدام المباشر المتدنية التدرج.
• تسعير الكربون الذي يجعل الحرارة الأحفورية أكثر تكلفة، ويحسن القدرة على المنافسة الحرارية الأرضية.
• بيانات جيولوجية وخرائط موارد متاحة للجمهور لتوجيه عملية اختيار المواقع.
• برامج التخفيف من المخاطر (مثل التأمين على الآبار الجافة أو قصور الأداء).

ويتضمن قانون الولايات المتحدة لخفض التضخم ائتمانا ضريبيا للاستثمار بنسبة 30 في المائة لمضخات الحرارة الأرضية ونظم الاستخدام المباشر، التي حفزت بالفعل مشاريع جديدة، وتولد سياسات مماثلة في الاتحاد الأوروبي واليابان وشيلي زخما.

التكامل مع السمبيوس الصناعي

ويمكن أن يكون الحرارة الأرضية المنخفضة الحرارة حجر الزاوية في النسيج الصناعي - حيث تتقاسم الشركات حرارة النفايات ومواردها - ويمكن للمتنزه الصناعي المصمم حول مورد حراري جغرافي أن يحجب الحرارة من العمليات الكيميائية ذات الحرارة العالية إلى تجهيز الأغذية الأقل درجة الحرارة وتسخينها في الفضاء، مما يزيد من الكفاءة الكلية إلى أقصى حد، ويمكن أن تحدد الأدوات الرقمية لرسم الخرائط الحرارية ومطابقة هذه أوجه التآزر.

التعليم وتنمية القوى العاملة

وهناك حاجة إلى برامج تدريب للفنيين والمهندسين ومطوري المشاريع في مجال الطاقة الحرارية الأرضية، كما أن الشراكات بين الجامعات والشركات الحرارية الأرضية ورابطات الصناعة يمكن أن تخلق مناهج دراسية ومنح شهادات، وتتيح منظمة رفع الحرارة الأرضية فرص التطوير المهني والتواصل، مع زيادة معرفة الشركات الصناعية بالتكنولوجيا، سيتسارع الاعتماد.

خاتمة

إن الموارد الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة تمثل مصدرا حراريا واسعا ونظيفا وموثوقا يمكن أن يغير العمليات الصناعية في جميع أنحاء العالم، حيث تقل درجات الحرارة عن ١٥٠ درجة مئوية، يمكن لهذه الموارد أن تلبي جزءا كبيرا من الطلب على الحرارة الصناعية - من تجهيز الأغذية وتجفيفها إلى التصنيع الكيميائي وتدفئة المناطق، وفي حين أن التحديات من قبيل التكاليف القصوى، وتحديد الموارد، والعقبات التنظيمية لا تزال قائمة، والتقدم التكنولوجي، ودعم السياسات، ودراسات الحالات الناجحة من أيسلندا والولايات المتحدة والصين.