Understanding Geothermal Energy: A Primer

الطاقة الحرارية الأرضية التي تنتج من الحرارة الطبيعية المخزنة في قشرة الأرض، وهي مورد لا يزال غير مستغل إلى حد كبير في مناطق عديدة، وهذه الحرارة تولد باستمرار نتيجة لتآكل النظائر المشعة العميقة تحت سطح الأرض ويمكن الوصول إليها عن طريق الآبار المثقوبة في مستودعات الحرارة الأرضية، مع أخذ درجة الحرارة وعمق الموارد الحرارية الأرضية في الاعتبار.

أزمة المياه العالمية والحاجة إلى نزع السلاح المستدام

وتؤثر ندرة المياه العذبة على أكثر من بليوني شخص في جميع أنحاء العالم، ومن المتوقع أن تتفاقم الحالة في ظل الضغوط المشتركة للنمو السكاني والتحضر وتغير المناخ، حيث أن العديد من المناطق القاحلة وشبه القاحلة، بما في ذلك أجزاء من الشرق الأوسط وشمال أفريقيا والولايات المتحدة الجنوبية الغربية، تعتمد بالفعل اعتمادا كبيرا على التحلية لتلبية احتياجات المياه البلدية والصناعية، كما أن أساليب التحلية التقليدية، ولا سيما الهياكل الأساسية العكسية للغاز الأحفوري.

How Geothermal Energy Power Desalination Processes

ويمكن نشر الطاقة الحرارية الأرضية في تحلية المياه من خلال مسارين رئيسيين: الاستخدام الحراري المباشر لعمليات التبخر والاستخدام غير المباشر عن طريق توليد الكهرباء إلى نظم النسيج العكسي للطاقة، ولكل نهج احتياجات تقنية متميزة ومزايا تشغيلية، مما يجعلها مناسبة لمختلف الجداول والسياقات الجغرافية.

التحلل الحراري: الرش المتعدد المراحل والإصابة المتعددة

إن أساليب تحلية الحرارة، بما في ذلك التدفق المتعدد المراحل والاضطرابات المتعددة الأثر، تعتمد على الحرارة في مياه البحر، وتربط البخار بالماء الطازج، وترتبط هذه العمليات تاريخياً بارتفاع استهلاك الطاقة، ولكن عندما تأتي الحرارة من مصدر حراري، فإن انخفاض تكلفة الطاقة بشكل كبير، وتحلل البصمة الكربونية بسرعة 60 في المائة من المحركات الحرارية.

الطاقة الكهربائية الحرارية الأرضية

إن التخثر العكسي في الوقت الراهن هو أكثر تكنولوجيا تحلية انتشارا على الصعيد العالمي، حيث يمثل حوالي 70 في المائة من القدرة المركبة، ويعمل ذلك بإجبار المياه البحرية عن طريق حمالات شبه قابلة للشرب على ضغط مرتفع، وهي عملية تتطلب طاقة كهربائية كبيرة، كما أن محطات الطاقة الحرارية الأرضية، سواء كانت البخار الجاف أو البخار الوميض أو دورة الوصل الثنائي، يمكن أن توفر الكهرباء اللازمة لتشغيل مضخات الأشعة تحت الصفرية.

النظم الهجينة والابتكارات الناشئة

وبالرغم من أن النُهج المبتكرة التي تجمع بين العمليات الحرارية والحمائية تكتسب زخما في قطاع تحلية الحرارة الأرضية، فعلى سبيل المثال، يمكن للمصنع أن يستخدم الحرارة الحرارية الأرضية في ما يتعلق بمياه التغذية قبل أن يدخل وحدة التحلل الحراري العكسي، مما يقلل من مستوى كفاءة المياه ويخفض الطاقة اللازمة للضغط.

الطاقة الحرارية الأرضية في تطبيقات معالجة المياه الأوسع

وفي حين أن تحلية المياه تحظى باهتمام كبير، فإن الطاقة الحرارية الأرضية تؤدي أيضا دورا قيما في سياقات أخرى لمعالجة المياه، بما في ذلك إدارة المياه المستعملة، وإصلاح المياه الجوفية، وإعادة استخدام المياه الصناعية، ويمكن أن تعجل الخواص الحرارية لسوائل الطاقة الحرارية الأرضية ردود الفعل الكيميائية، وتعزز العمليات البيولوجية، وتحسن تكاثر المسببات المرضية، مما يؤدي إلى نتائج أكثر كفاءة في مجال المعالجة.

معالجة مياه الصرف وإدارة حمض السلف

وفي محطات معالجة مياه الصرف التقليدية، فإن الحفاظ على درجات الحرارة المثلى للحفر البيولوجي أمر حاسم بالنسبة لنشاط الكائنات المجهرية التي تكسر المادة العضوية، حيث يمكن أن تؤدي دحرة الصهاريج النفاثة إلى استهلاك كميات كبيرة من الطاقة، ويمكن استخدام الحرارة الحرارية الأرضية للحفاظ على درجات حرارة ثابتة في الحفريات الهوائية، وزيادة إنتاج الغازات الأحيائية، والحد من الطلب على الطاقة في المصنع.

إصلاح المياه الجوفية وتجديدها

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تلوث المياه الجوفية يمثل مشكلة مستمرة في أجزاء كثيرة من العالم، ولا سيما في المناطق المتأثرة بالنشاط الصناعي أو التعدين أو الجرعة الزراعية، إذ أن أساليب العلاج التقليدية، مثل نظم الضخ والتجهيز، تتطلب مدخلات مستمرة في الطاقة من أجل الضخ ومعدات المعالجة، ويمكن استخدام الحرارة الحرارية الأرضية لتعزيز أداء هذه النظم بزيادة درجة حرارة المياه الجوفية عند استخراجها، مما يعجل بتدهور المواد الكيميائية.

إعادة استخدام المياه الصناعية

وكثيرا ما تتطلب صناعات مثل تجهيز الأغذية، وصنع المواد الكيميائية، وتوليد الطاقة كميات كبيرة من المياه لأغراض التبريد، والغسيل، والعمليات العملية، كما أن العديد من هذه الصناعات تولد مياهاً مائية يجب معالجتها قبل إعادة استخدامها أو تصريفها، ويمكن أن توفر الطاقة الحرارية الأرضية كل من الحرارة والطاقة اللازمة لتشغيل نظم المعالجة المتقدمة، بما في ذلك المفاعلات الأحيائية الخزفية وتكنولوجيات تصريف المياه الخالية من السائل.

أهم جوانب معالجة المياه الحرارية الأرضية - الدريفن

  • Renewable and continuously available:] contrast solar or wind, geothermal energy is not subject to daily or seasonal volatile, ensuring a consistent power supply for water treatment operations that must run 24/7.
  • Low life cycle greenhouse gas emissions:] Geothermal plants produce roughly one-tenth of the carbon emissions per kilowatt-hour compared to natural gas power plants, and direct-use geothermal heating has even lower emissions.
  • Reduced operational costs over the long term:] While geothermal projects have high upfront capital costs, the fuel cost is effectively zero, which shields operators from volatile fossil fuel prices and leads to lower levelized cost of water over the plant's lifetime.
  • Energy independence for remote and off-grid locations:] Coastal and island communities with geothermal resources can achieve energy and water autonomy without relying on imported fuels or grid connections.
  • Co-generation opportunities:] A single geothermal well can supply heat for desalination, electricity for pumps and lighting, and residual heat for building heating or agricultural greenhouses, maximizing the value of the resource.
  • Minimal land footprint:] Geothermal plants and direct-use systems occupy relatively small areas compared to solar or wind farms of equivalent energy output, an important consideration in densely populated regions.

التحديات التقنية والاقتصادية

وعلى الرغم من مزاياه الكثيرة، فإن الاعتماد الواسع النطاق للطاقة الحرارية الأرضية لمعالجة المياه يواجه عدة حواجز هامة، ويتمثل التحدي الأكثر رعبا في ارتفاع التكلفة الأولية للاستكشاف، والحفر الجيد، وبناء النباتات، إذ أن حفر بئر واحد من الطاقة الحرارية الأرضية يمكن أن يكلف ملايين الدولارات، وهناك دائما خطر بأن لا تنتج المستودعات المستهدفة معدل التدفق المتوقع أو درجة الحرارة، وهذا الخطر الجيولوجي يمكن أن يوزع على القطاع الخاص، ولا سيما في المناطق التي لا توجد فيها صناعات الحرارية.

كما أن التعقيدات التقنية تنشأ عن التركيبة الكيميائية لسوائل الحرارة الأرضية، وقد تؤدي المستويات العالية من الملح المذوب، والسيليكا، والغازات مثل سلفيد الهيدروجين إلى زيادة وتآكل وتآكل في مبادلات الحرارة، والأنابيب، والمقاييس، وتستلزم هذه المسائل اختيار المواد بعناية، والصيانة المنتظمة، وأحيانا المعالجة المتقدمة لسوائل الحرارة الحرارية الأرضية قبل أن تستخدم في معدات المعالجة المثلى لدرجات الحرارة.

كما أن التنقيب عن الطاقة الحرارية الأرضية يتطلب في كثير من الأحيان تقييمات للأثر البيئي، وتصاريح حقوق المياه، والموافقة على استخدام الأراضي، التي يمكن أن تستغرق سنوات لضمان ذلك، وفي بعض الولايات القضائية، لا يزال الإطار القانوني للتنمية الحرارية الأرضية غير ناضج، مما يخلق عدم يقين بالنسبة للمستثمرين، وأخيرا، فإن حجم مرافق التحلية الحرارية الأرضية الحالية وتجهيزات معالجة المياه لا يزال صغيرا مقارنة بالبدائل التي تستخدمها الحكومات الأحفورية، مما يعني أن وفورات الحجم لم تتحقق.

دراسات الحالة العالمية والتنفيذات العالمية الحقيقية

وهناك عدة مشاريع في جميع أنحاء العالم توفر أدلة على إمكانية إدماج الطاقة الحرارية الأرضية بنجاح في تكنولوجيات معالجة المياه، ففي أيسلندا، حيث توجد موارد حرارية جيولوجية، تعمل محطة موارد Svartsengi على إنتاج محطة مشتركة للحرارة والطاقة توفر الطاقة الحرارية لنظام متعدد التأثيرات، وتنتج هذه المحطة مياهاً جديدة للمقيمين المحليين والمستعملين الصناعيين، بينما تقدم أيضاً الدعم لشبكة لمعالجة الحرارة في المقاطعات وجيل من الطراز الحراري الجيولوجي.

وفي كينيا، يُستخدم البخار الحراري الجيولوجي في منطقة أوكلاريا لتوليد الكهرباء ووحدة تحلية توفر المياه العذبة للمجتمعات المجاورة في وادي الشباك، وقد استحدث المشروع بالشراكة مع شركة توليد الكهرباء في كينيا، لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء التي تعمل في مجال أشعة الأوسموز العكسية، وقد جلبت هذه المبادرة مياه الشرب النظيفة إلى المناطق التي كانت تعتمد سابقا على إمدادات الطاقة الحرارية الشاحنية خلال فترات الجفاف.

وفي الولايات المتحدة، قام مكتب تكنولوجيا الطاقة الحرارية الأرضية بتمويل البحوث في مجال تحلية الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة من خلال مرصدها الحدودي للبحوث في الطاقة الحرارية الأرضية، وقد اختبرت المشاريع الرائدة في منطقة الحوض العظمى استخدام محطات توليد الطاقة الثنائية في توفير الكهرباء وحرارة النفايات لوحدات تحلية المعادن، وتهدف هذه الجهود إلى إثبات الجدوى التقنية والقابلية للاستمرار الاقتصادي في المناطق الحرارية الأرضية.

وهناك مشاريع إضافية في بلدان مثل إندونيسيا والمكسيك ونيوزيلندا تستكشف استخدام الحرارة الحرارية الأرضية لمعالجة المياه الزراعية، بما في ذلك تنقية مياه الري ومعالجة المياه الجوفية المهبلي، ويقدم كل مشروع بيانات قيمة عن أداء النظم الحرارية الأرضية في ظل ظروف هيدرولوجية مختلفة ويساعد على تحسين المعايير الهندسية اللازمة لنشرها على نطاق أوسع.

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ويتوقف مستقبل الطاقة الحرارية الأرضية في معالجة المياه على استمرار الابتكار في عمليات تكنولوجيا الحرارة الأرضية وتنقية المياه على السواء، ومن المتوقع أن تؤدي التطورات في تقنيات الحفر، مثل الحفر التوجيهي والنظم الحرارية الأرضية المعززة، إلى خفض تكلفة وخطر الوصول إلى الموارد الحرارية الأرضية، وفتح مناطق جديدة للتنمية، وأن يؤدي تعزيز النظم الحرارية الأرضية، التي تخلق خزانات صناعية من خلال استخدام المياه الحرارية الأرضية في الصخور الجافة الساخنة.

ومن ناحية معالجة المياه، فإن البحث في مواد حمائية جديدة يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى، والتسامح مع طائفة أوسع من كيميائيات المياه العذبة، سيحسن التوافق بين الحرارة الحرارية الأرضية وارتفاع التذبذب، كما أن عمليات تحلية حراري منخفضة الحرارة، مثل الترطيب، والتحلل من الحرارة المتوسطة، تُستخدم في الحد الأدنى من معدلات المعالجة الحرارية الأرضية، بل وتُستخدم هذه التكنولوجيات في معالجة هذه المواد.

وبدأت الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي تؤدي دورا في تحسين محطات تحلية الحرارة الأرضية إلى أقصى حد ممكن، ويمكن للخرافيزميات الافتراضية أن تتوقع حدوث تغييرات في درجة حرارة الخزان، ونوعية المياه العذبة، والطلب على الطاقة، مما يتيح للمشغلين تعديل بارامترات النظام في الوقت الحقيقي لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة والتقليل إلى أدنى حد من وقت التعطل.

وسيلزم دعم السياسات من أجل زيادة معالجة المياه الحرارية الأرضية، ويمكن للحكومات أن تعجل النشر بتقديم تعريفات مغذية أو حوافز ضريبية أو منح لمشاريع تحلية الحرارة الأرضية، ولا سيما في المناطق التي تُعَدَّ فيها المياه، كما يمكن للمصارف الإنمائية الدولية وآليات تمويل المناخ أن تؤدي دوراً بتوفير قروض ميسرة وأدوات لتخفيف المخاطر للمشاريع في البلدان النامية، وبما أن العالم يتحرك نحو اقتصاد دائري، فإن إدماج الطاقة الحرارية الأرضية في البنية التحتية المائية.

ومع استمرار الاستثمار والتعاون، يمكن أن يصبح تحلية المياه بالطاقة الحرارية الأرضية ومعالجة المياه حلا رئيسيا لأزمة المياه العالمية المتزايدة، ويتيح الجمع بين مصدر للطاقة المتجددة الموثوقة وتكنولوجيات تنقية المياه المثبتة خريطة طريق لمستقبل يمكن للجميع الحصول فيه على المياه النظيفة، بغض النظر عن الجغرافيا أو الحالة الاقتصادية، ويتمثل التحدي الآن في الانتقال من مشاريع البيان العملي إلى التنفيذ على نطاق واسع، مما يؤدي إلى خفض التكاليف وبناء المعارف المؤسسية التي تجعل هذه النظم نموذجا.