إمكانية حدوث الحرارة الأرضية في المحيطات الموارد اللازمة لحلول الطاقة الساحلية

Understanding Oceanic Geothermal Resources

الطاقة الحرارية الأرضية المحيطية مصدرها نفس الحرارة العميقة التي تقوى النباتات الحرارية الأرضية، لكن البيئة البحرية تستحدث ظروفا جيولوجية و حرارية فريدة، وتولد الحرارة أساساً من التحلل الإشعاعي للعناصر في الأرض وقاعها، فضلاً عن الحرارة المتبقية من تكوين الكواكب، وتنتقل الطاقة الحرارية إلى صخور المحيطات من خلال عمليات التصريف ودرجات الحرارة.

أنواع النظم الحرارية الأرضية المحيطية

ويمكن تصنيف الموارد الحرارية الأرضية المحيطية على نطاق واسع إلى ثلاثة أنواع رئيسية، لكل منها خصائص واستراتيجيات استغلال متميزة:

• Seafloor Hydrothermal Systems:] found at mid-ocean ridges and volcanic arcs, these systems feature high-temperature liquids (up to 400°C) emitted through vents. The intense heat and high pressure make them technically challenging but energy dense. Black smokers and diffuse flow zones are associated examples.
• ]Sedimentary Basin Geothermal Systems:] Thick sedimentary layers on continental margins can compch heat from deep crustal sources. These basins often have moderate temperatures (100-200°C) at depths of 2-5 km below the seafloor, they are accessible using conventional offshore drilling technologies and are analogary to seshore
• Submarine Volcanoes and Hot Spots:]المنطقة الساحلية يمكن أن يؤدي النشاط البركاني الضحلة بالقرب من المناطق الساحلية (مثلاً في رنين النار في المحيط الهادئ) إلى ارتفاع تدفق الحرارة بالقرب من الشاطئ، ومن الأمثلة على ذلك نظام كرافل في أيسلندا (جزء من الغواصات) وخارج ساحل اليابان، وهذه المواقع توفر تكاليف مرتفعة لدرجات حرارة وربما أقل.

وتبدو قاعدة الموارد العالمية مذهلة، ووفقا لتقرير الوكالة الدولية للطاقة المتجددة لعام 2023 () " IRENA])، فإن الإمكانات الحرارية الأرضية المحيطية المتاحة على طول الحواف القارية وحدها تقدر بأنها على أساس مئات من الاغوات - مع أن الطاقة تشكل جزءا كبيرا من الطلب الساحلي.

ألف - مزايا الطاقة الحرارية الأرضية الساحلية للمحيطات

لماذا تركز على الحرارة الأرضية المحيطية للمجتمعات الساحلية؟ وتمتد الفوائد إلى ما هو أبعد من مجرد القرب.

Proximity to Load Centers

ويعيش ما يقرب من ٤٠ في المائة من سكان العالم في حدود ١٠٠ كيلومتر من خط ساحلي، وتخفض موارد الحرارة الأرضية المحيطية - وخاصة تلك الموجودة في أحواض الرواسب والمناطق البركانية القريبة من الشاطئ - في كثير من الأحيان مباشرة من ساحل المدن الكبرى، وهذا القرب القريب منها يقلل بشكل كبير من تكاليف الهياكل الأساسية للنقل وفقدان الطاقة بالمقارنة بالمصادر البعيدة داخل الأراضي أو الرياح البحرية النائية، وبالنسبة للدول الجزرية والمليات الساحلية، فإن مصدر حمولة المحلية هو رصيد استراتيجي.

موثوقية الشحنات الأساسية وإمكانية التنبؤ بها

وعلى عكس الطاقة الشمسية والريحية، لا تتأثر الطاقة الحرارية الأرضية بالطقس أو وقت النهار أو التغيرات الموسمية، ويمكن للموارد الحرارية الأرضية المحيطية أن توفر الطاقة المستمرة والمرسلة ، وعندما تقترن بدورات التخزين الحراري أو الهجينة، فإنها يمكن أن توفر ناتجا مرنا لموازنة تقلبات الشبكات المتجددة، وهذا الموثوقية قيمة بوجه خاص بالنسبة للشبكات الساحلية التي قد تكون مُدربة بالفعل.

مخططات الجسد

وتستخدم منشأة طبيعية طبيعية بحرية نموذجية بعض رؤوس آبار قاع البحار ومنصة إنتاج صغيرة أو وحدة توليد الطاقة في المناطق دون البحار، مقارنة بمزارع الرياح الواسعة أو صفائف الطاقة الشمسية، فإن البصمة المادية على سطح المحيط وقاع البحر هي أدنى مستوى ممكن، وهذا يقلل من الصراع مع الممرات البحرية، وأراضي الصيد، والمناطق البحرية المحمية.

التآزر مع مصادر أخرى للتجديد البحري

إن الطاقة الحرارية الأرضية المحيطية مكملة للرياح البحرية والمد والقوى الموجية، مثلا، يمكن تقاسم نفس البنية التحتية للمحطة البحرية، ويمكن أن يؤدي الناتج الثابت للحرارة الأرضية إلى زيادة الناتج المتغير من صفائف الرياح والمدّات، كما أن النظم الهجينة التي تجمع بين مضخات الحرارة الأرضية لتدفئة المناطق وتوليد الكهرباء يمكن أيضا أن تكون في البيئات الساحلية، ويجري دراسة هذه الحدائق المتكاملة للطاقة البحرية في أوروبا وآسيا.

منخفض كربونات الكربون وتأثيرها البيئي

وعادة ما تكون انبعاثات غازات الدفيئة من الطاقة الحرارية الأرضية أقل من 50 غراماً من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوه - مقابل الطاقة الكهرمائية والنووية، وأقل بكثير من الغاز الطبيعي، كما أن النظم الحديثة ذات الحواف المغلقة لا تنتج أي غازات تقريباً، وبالإضافة إلى ذلك، تتجنب النباتات الحرارية الأرضية البحرية النزاعات التي تصيب استخدام الأراضي والتي تصيب المشاريع الساحلية، ويمكن إدارة الآثار البيئية من خلال الجلوس المتأنق، ولكن المخاطر مثل الظواهر السيزمية والتصريف الكيميائي تتطلب رصداً صارماً.

تكنولوجيات تسخير الطاقة الحرارية الأرضية في المحيطات

وتشمل مواءمة التكنولوجيا الحرارية الأرضية التقليدية مع البيئة البحرية عدة ابتكارات هندسية، وتتمثل التكنولوجيات الرئيسية فيما يلي:

محطات الطاقة الحرارية الأرضية البحرية

وتستخدم معظم التصميمات المقترحة نظاماً ثنائياً لدورة الحرارة، حيث يسخن سائل حراري جوي ساخن من قاع البحر سوائل عمل ثانوية مع نقطة حرارة أقل (مثلاً، أيزوبوتان أو الأمونيا) في مبادلات حرارية، مما يقود توربين، ثم يعاد ضخ السائل إلى الخزان، وقد تستخدم معدات نصف حرارية ثانوية ذات درجة عالية من الحرارة، ودورات تحويل سلكية مباشرة.

الحفريات في أعماق البحار والإنشاءات

والحفر في المياه العميقة )٠٠٠ ١-٤٠٠٠ متر( هو أمر روتيني بالنسبة للنفط والغاز، ولكن الآبار الحرارية الأرضية تتطلب مواد مختلفة لمعالجة درجات الحرارة العالية والسوائل التآكلية، أما السلف في ]التدفقات الأولية[ ]الخامسة[[ ]الخامسة والألف[، وصقل الأسمنت، والتنقيب التوجيهي فيمكن من الوصول إلى المناطق الساخنة، وتظل نظم الباخرة التي يمكن أن تتحمل ضغوطاً شديدة، وتتيح التشغيل عن بعد، وهي ٢٠ في المائة.

توليد الطاقة في منطقة البحر الفرعي ونقلها

وثمة بديل للمنابر السطحية هو وضع وحدة توليد الطاقة مباشرة على قاع البحار، ويمكن أن تعمل التربينات الفرعية ومبادلات الحرارة في ضغط عال، مما يقلل من الاحتياجات الهيكلية، وتنتقل السلطة عبر الكابلات ذات الدفع العالي إلى الشاطئ، وهذا النهج يقلل إلى أدنى حد من الأثر البصري وخطر العاصفة، ولكنه يتطلب وجود روبوتات متقدمة للنفقة، وقد تم اختبار نظم الحرارة الأرضية الأساسية في اليابان والنرويج.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من وعدها، فإن الطاقة الحرارية الأرضية المحيطية تواجه عقبات تقنية وبيئية واقتصادية هائلة.

الحواجز التقنية

• High Pressure and Temperature:] Deep-sea environments impose extreme conditions on equipment. ROVs and downhole tools must withstand hydrostatic pressures exceeding 400 bar and temperatures up to 400°C. Materials science is advancing but still limited.
• Wellbore Stability and Corrosion:] Saline, acidic geothermal liquids quickly corrode standard steel.
• Distance from Shore:] Even if the resource is coastal, wells are often 10–50 km from land. Power transmission and drilling logistical add complexity.
• Lack of Reservoir Data:] Only a few deep boreholes have been drilled for geothermal purposes offshore. Resource characterization relies heavily on geophysical surveys, which have lower resolution than onshore exploration.

الشواغل البيئية

وفي حين أن تأثيرها أقل من تأثير الوقود الأحفوري، يجب أن تعالج مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية البحرية ما يلي:

• Disruption of Benthic Habitats:] Seafloor drilling and platform placement can disturb fragile ecosystems, including hydrothermal vent communities that host unique biodiversity. Mitigation measures include direction drilling to avoid vent fields and strict discharge standards.
• Chemical Releases:] Geothermal liquids often contain heavy metals, arsenic, and silica. closed-loop reinjection minimizes release, but accidental spills remain a risk.
• Induced Seismicity:] Fluid injection can trigger small ters. Offshore, the risk is lower due to less dense population, but sensitive infrastructure and marine life still need protection.

ألف - الرؤية الاقتصادية

وتقدر التكلفة الحالية للطاقة ذات المستوى المتوسط بالنسبة للحرارة الأرضية البحرية بمبلغ يتراوح بين 100 و200 دولار لكل ميغاه - أرفع من الحرارة الأرضية الساحلية (40-80 دولارا/ميغاه) والرياح الخارجية التنافسية (50-100 دولار/ميغاه)، غير أنها، كمصدر للحمولة الأساسية، تزيل محطات الذروة الغازية وتوفر قيمة استقرار الشبكة، مع بقاء تكاليف رأس المال البالغة 000 5 دولار/000 10 دولار لكل مركبة من الكيلوغرامات، تمويل المشاريع.

المشاريع والمبادرات البحثية الملحوظة

وهناك عدة مساع رائدة في هذا المجال هي النهوض بتكنولوجيا الحرارة الأرضية في المحيطات:

• Iceland’s Offshore Geothermal Program:] Iceland already uses subsea geothermal heat for district heating in Reykjavik (via pipelines across a fjord). New exploration off the Reykjanes Peninsula is evaluating direct power generation from submarine hydrothermal systems. The country’s expertise in both geothermal and offshore operations.
• Japan’s Seafloor Geothermal Project:] Japan’s National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) conducted a pilot trial in the Okinawa Trough, drilling into a hydrothermal field at 1,600 m depth. The test successfully produced steam and is being scaled up to a 5 MW demonstration plant.
• US Department of Energy (DOE) Initiatives:] The DOE’s Geothermal Technologies Office has funded research into offshore sedimentary basin geothermal, including a study at the Gulf of Mexico’s deepwater well. A collaborative effort with the National Renewable Energy Laboratory is exploring integration with the
• European Union Horizon 2020 – GEOFORE Project:] This initiative is developing a modular offshore geothermal power system that can be deployed in water depths up to 3,000 m. Partners include universities and industry from Sweden, Norway, and Germany. The project aims for a field demonstration by 2028.

وتظهر هذه المشاريع جدوى تقنية وتوفر بيانات حاسمة للتنمية التجارية في المستقبل.

التكامل مع نظم الطاقة الساحلية

إن الطاقة الحرارية الأرضية المحيطية ليست حلا قائما بذاته؛ بل إنها تعمل على أفضل وجه في إطار مزيج متنوع للطاقة الساحلية.

Hybrid Offshore Energy Parks

ويقلل جمع الطاقة الحرارية الأرضية بالرياح البحرية والموجات والشمس العائمة على نفس الشبكة من تكاليف البنية التحتية ويحسن معامل القدرة العامة، فمثلاً يمكن لمصنع الحرارة الأرضية البالغ 100 ميغاواط أن يوفر قوة ثابتة بينما يُستخدم شبكة المزارع الريحية التي تبلغ 300 ميغاواط خلال فترات الرياح، مع تدحرج الحرارة الأرضية، وهذه النظم الهجينة قيد الدراسة من قبل مختبر الطاقة المتجددة الوطني([1]).

ويمكن استخدام فائض الكهرباء من حمولة قاعات الحرارة الأرضية في إنتاج الهيدروجين الأخضر الذي يمكن تخزينه أو تصديره، كما أن محطات الطاقة الحرارية الأرضية الموجودة على الشاطئ بالقرب من الموانئ هي مثالية لمراكز الهيدروجين، وقد حددت دراسة أجرتها الوكالة الدولية للطاقة () في عام 2022 ([FLT:]]) الطاقة الحرارية الأرضية المحيطية كمصدر محتمل منخفض التكلفة للهيدروجين النظيف بالنسبة للصناعة الساحلية.