Table of Contents
إن الطاقة الحرارية الأرضية هي أحد أكثر الموارد المتجددة الموثوقة وقلة الاستخدام المتاحة للزراعة الحديثة، إذ يمكن للمزارعين، من خلال الاستفادة من الحرارة الجوفية المستقرة للأرض، أن يحولوا عمليات الاحتباس الحراري إلى مراكز إنتاج غذائية عالية الإنتاج، تكون محصنة إلى حد كبير من تقلبات أسعار الطقس والوقود الأحفوري، وتستكشف هذه المادة العلوم والفوائد واستراتيجيات التنفيذ والآثار العالمية لاستخدام الطاقة الحرارية الأرضية في زراعة الدفيئة، مع التركيز بوجه خاص على كيفية تحقيق الأمن الغذائي في جميع أنحاء العالم.
ما هي الطاقة الحرارية الأرضية؟
والطاقة الحرارية الأرضية هي الطاقة الحرارية المخزنة في قشرة الأرض، وهي مصدرها النواة الأساسية للكوكب، والارتقاء الإشعاعي للمعادن، وهي تعاد تجديدها باستمرار، مما يجعلها موردا متجددا حقيقيا، ويمكن استخدام الموارد الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء )المستودعات الحرارية العالية الحرارة التي تزيد على ١٥٠ درجة مئوية(، وذلك حسب العمق ودرجة الحرارة العالية.
وعلى عكس الطاقة الشمسية أو الريحية، فإن الطاقة الحرارية الأرضية ليست متقطعة، فهي توفر إمدادات ثابتة من الحمولة الأساسية على مدار الساعة، و 365 يوماً في السنة، وهي قيمة خاصة بالنسبة للعمليات المتنامية التي تخضع لسيطرة المناخ، وتقدر الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أن القدرة الحرارية الأرضية العالمية على الاستخدام المباشر - بما في ذلك الزراعة - تتسع 100 غيغاواط في المائة (GWth) [فرون: صفر]
How Geothermal Energy Powers Greenhouses
وتلتقط نظم الاحتباس الحراري الأرضي الحرارة من تحت الأرض وتنقلها إلى الفضاء المتنامي، وتعتمد الطريقة التي يتم اختيارها على الجيولوجيا المحلية، وعمق الموارد، وحجم العملية.
التدفئة الحرارية الأرضية المباشرة
وفي المناطق التي توجد فيها مياه ساخنة أو بخار ميسر بالقرب من السطح، مثل المناطق البركانية أو الأحواض الرسوبية - يمكن أن يوضع السائل الحراري الجيولوجي المهتز مباشرة في أجهزة التشعيع أو حلقات التدفئة تحت سطح الأرض أو مبادلات الحرارة داخل المدفأة، وهذا النهج يتسم بالكفاءة العالية لأنه يزيل الحاجة إلى مضخة حرارية؛ ويزود السوائل الحرارية الأرضية نفسها برف الحرارة.
مضخات الحرارة الأرضية
وبالنسبة للمواقع التي لا توجد فيها موارد سطحية عالية الحرارة، فإن مضخات الحرارة ذات المصدر الأرضي هي الحل المفضل، وهذه النظم توزع سوائل من خلال ثغرة مدفونة من الأنابيب (سواء كانت الثقوب الرأسية أو الخنادق الأفقية) حيث تستوعب الحرارة من الأرض، ثم تركز الحرارة على درجة حرارة مناسبة لتدفئة الهواء الدافئ أو الماء.
النظم الهجينة والخزن
وتجمع بعض الدفاتر المتقدمة بين التدفئة الحرارية الأرضية وتخزين الطاقة الحرارية (مثل خزانات المياه الجوفية أو مواد التغيير التدريجي) لإيقاف تقلبات درجات الحرارة، كما أن النظم الهجينة التي تدمج أجهزة جمع الحرارة الشمسية مع الحلقات الحرارية الأرضية تكتسب أيضاً الانقسامات، مما يقلل من العمق المطلوب ويخفض التكاليف الأولية.
منافع بيت غرينتش الحراري الجيولوجي
الإنتاج السنوي ونوعية المحاصيل
ولعل أهم ميزة للتدفئة الحرارية الأرضية هي القدرة على الحفاظ على نظام دقيق ومستقر للحرارة بغض النظر عن المناخ الخارجي، مما يزيل خطر الضرر الحاد، ويقلل من الإجهاد الحراري الناجم عن التطرف في أواخر الزمان، ويتيح للمزارعين تخطيط دورات المحاصيل المتعددة سنويا، وتزدهر المحاصيل مثل الطماطم والخيار والفلفل والخضروات المنشورة في ظروف حرارة باستمرار، وتنتج عنها غلات وقود أعلى.
كفاءة التكاليف واستقلال الطاقة
وبعد الاستثمار الأولي في رأس المال، تكون لنظم الطاقة الحرارية الأرضية تكاليف تشغيل منخفضة جدا، ولا يكلف مصدر الحرارة نفسه شيئا، ولا تتطلب المضخات الحرارية سوى كمية صغيرة من الكهرباء لنقل الحرارة بدلا من توليدها، وعلى مدى فترة عشرين عاما، يمكن أن يوفر الدفيئة التي تستخدم الطاقة الحرارية الأرضية نسبة تتراوح بين 50 و80 في المائة من تكاليف التدفئة مقارنة بالغاز الطبيعي أو البروبان أو النفط، وهذا استقرار التكلفة أمر حاسم بالنسبة للأمن الغذائي لأنه يغذي المزارعين من أسواق الطاقة المتقلبة.
الاستدامة البيئية
إن الطاقة الحرارية الأرضية تنتج انبعاثات غازات الدفيئة المباشرة غير معقولة، وحتى عندما تشمل الكهرباء إلى مضخات حرارة الطاقة، فإن البصمة الكربونية أقل بكثير من التدفئة القائمة على الوقود الأحفوري، وبتسريح الفحم أو الغاز، فإن وجود سد وحيد للحرارة الحرارية الأرضية يمكن أن يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار يتراوح بين 100 و300 طن متري سنوياً، بالإضافة إلى أن النظم الحرارية الأرضية لها آثاراً أرضية صغيرة فوق البئر والغطاء الأرضي.
كفاءة المياه والحد من ضغط الآفات
ويدخل العديد من الدفاتر الحرارية الأرضية التدفئة الهيدروليكية مباشرة في مياه الري، ويحافظ على درجات الحرارة القصوى للمناطق المتجذرة دون طاقة إضافية، مما يمكن أن يحسن كفاءة استخدام المياه عن طريق الحد من الخسائر المتصاعدة، وعلاوة على ذلك، فإن التدفئة الحرارية الأرضية تسمح بضبط البيئة الصارمة، يمكن للمزارعين أن يقللوا من مستويات الرطوبة واحتياجات التهوية، مما يوقف الأمراض الفطرية ويقلل من الحاجة إلى مبيدات المبيدات الحشرية.
اعتبارات التنفيذ
ويتطلب الانتقال إلى تدفئة غازات الدفيئة الحرارية الأرضية تخطيطا دقيقا واستثمارات كبيرة في البداية، غير أن العائدات الطويلة الأجل، مع اختيار المواقع وتصميم النظم على النحو السليم، هي عائدات مُلحة.
تقييم الموقع ودراسة الجدوى
وتتمثل الخطوة الأولى في تقييم الموارد الحرارية الأرضية، ويشمل ذلك تحليل الجيولوجيا المحلية، وسلوك التربة، وتوافر المياه الجوفية، وعمق درجات الحرارة الصالحة للاستخدام، وبالنسبة لنظم الاستخدام المباشر، يمكن حفر آبار الاختبار لقياس معدلات التدفق والتكوين الكيميائي لسوائل الحرارة الأرضية، وبالنسبة لنظم المضخات الحرارية، تحدد اختبارات الاستجابة الحرارية الأرضية القدرة على السير الحراري، وهو أمر حاسم بالنسبة لأخصائيي الهندسة الحرارية.
تصميم النظام وتوسيمه
ويجب أن يضاهي التصميم حمولة التدفئة من غازات الدفيئة (التي تعتمد على نوع الغلازين، والعزل، والمنطقة المناخية، ومتطلبات درجة حرارة المحاصيل) بقدرة الموارد الحرارية الأرضية، ويزيد الإفراط في الارتفاع التكاليف دون داع، بينما يؤدي النقص إلى عدم كفاية التدفئة، وتستخدم غازات الدفيئة الحديثة لوحات متعددة الكربون أو أفلام ذات درجتين لتحسين العزل، مما يقلل من الطلب المتكرر بنسبة تصل إلى 40 في المائة.
التقادم والتمويل
وقد يتطلب حفر الطاقة الحرارية الأرضية الحصول على تصاريح بيئية، وحقوق المياه، وتصاريح البناء، وفي العديد من الولايات القضائية، تقدم البرامج الحكومية منح، أو قروض منخفضة الفائدة، أو حوافز ضريبية للطاقة المتجددة في الزراعة، وعلى سبيل المثال، يقدم برنامج الطاقة الريفية لأمريكا اللاتينية التابع للولايات المتحدة المساعدة المالية للمشاريع الحرارية الأرضية في الولايات المتحدة ([FDA REAP) وكذلك دعم السياسات العامة المتعلقة بالمناخ.
التركيب والتكليف
أما بالنسبة للنظم العمودية المغلقة، فإن أعمق الحفر يمكن أن تتراوح بين ٥٠ و ٢٠٠ متر حسب ظروف التربة، وتحتاج الحلقات الأفقية إلى خنادق كبيرة ولكنها أقل تكلفة للتركيب، وعندما تكون الحلقة الأرضية والمضخات الحرارية موجودة، فإن نظام التوزيع داخل الحوض الأرضي المشع للاحتباس الحراري أو مدفأة الفحم المثبتة - يكون متوازناً بعناية لضمان توزيع حراري موحد.
الرصد والصيانة
إن نظم الطاقة الحرارية الأرضية بسيطة آليا وتتطلب صيانة أقل من أجهزة التسخين، غير أن عمليات التفتيش الدورية لمستويات مبردات المضخات الحرارية، وضغط الحلقات الأرضية، ونظافة مبادلات الحرارة ضرورية، كما أن العديد من المشغلين يُنشئون نظما للرصد عن بعد تتعقب درجات الحرارة واستهلاك الطاقة، مما يسمح بإجراء تعديلات استباقية.
أمثلة عالمية ودراسات حالة
آيسلندا: مركز غرينهاوس الحراري الجيولوجي
آيسلندا هي القائد العالمي في الزراعة الحرارية الأرضية للحرارة، وباستخدام السوائل الحرارية الأرضية البركانية الوفيرة، ينتج البلد تقريباً جميع خضرواته المحلية وزهوره في مدار العام، على الرغم من خطورته في القطب الشمالي، وتستضيف مدينة ريخولت، على سبيل المثال، غازات الاحتباس الحراري الأرضية التي تنمو الطماطم، والثروات الميكانيكية، والفول السوداني للأمة بأكملها.
هولندا: تكامل الطاقة الحرارية الأرضية العالية التقنية
وعلى الرغم من أن هولندا ليست نشطة بركانيا، فإنها تمتلك أحواض رسوبية واسعة النطاق ذات مياه دافئة )٤٠-٨٠ درجة مئوية( في أعماق تبلغ ٢-٤ كيلومترات، وقد استثمرت شركات الحراجة الهولندية، التي هي بالفعل قادة العالم في الزراعة البيئية الخاضعة للرقابة، استثمارات كبيرة في نظم الازدواج الحرارية الأرضية، ونتيجة لذلك، انخفض استهلاك الغاز الطبيعي بنسبة تصل إلى ٩٥ في بعض مجموعات الاحتباس الحراري الكبيرة، مع المحافظة على الرقابة الدقيقة على محاصيل الحرارة والرطوبة اللازمة لارتفاع.
كينيا: الطاقة الحرارية الأرضية للزراعة الريفية
وفي وادي شرق أفريقيا، يجري استخدام الموارد الحرارية الأرضية ليس فقط للكهرباء وإنما أيضا للزراعة البستنة، ويوفر مجال الطاقة الحرارية الأرضية في أوكلاريا البخار لتوليد الطاقة، ويستخدم الماء الساخن المتبقي لتدفئة الخضروات التي تنتج الخضروات للأسواق المحلية، مما يقلل من الخسائر اللاحقة للموانئ ويخلق فرص عمل في المناطق التي يقيد فيها الجفاف الزراعة التقليدية.
الأثر على الأمن الغذائي
ويرتكز الأمن الغذائي على أربعة دعائم: توافر الطاقة، والوصول إليها، واستخدامها، والاستقرار، وتؤثر زراعة الدفيئة الحرارية الأرضية تأثيرا إيجابيا على جميع هذه الزراعة.
زيادة توافر الأغذية المحلية
فالاحتباس الحراري الأرضي يمك ِّن من إنتاج الأغذية في المناطق التي لولا ذلك تكون غير مناسبة لازدياد المحاصيل بسبب الشتاء البارد أو الصيف القاسي أو التربة الفقيرة، فبتوليد الأغذية محلياً تصبح المجتمعات المحلية أقل اعتماداً على سلاسل الإمداد البعيدة التي تكون عرضة للتعطلات مثل تلك التي تسببها الأوبئة أو الحروب أو الأحداث الجوية البالغة الشدة.
الوصول إلى الموقع العام
ونظراً لأن التدفئة الحرارية الأرضية لا تعتمد على الطقس الموسمي، فإن الإنتاج يمكن الحفاظ عليه باستمرار، وهذا يثبّت أسعار الأغذية ويمنع التقلبات الموسمية التي تؤدي في كثير من الأحيان إلى انعدام الأمن الغذائي للأسر المعيشية المنخفضة الدخل، ففي شمال كندا، على سبيل المثال، بدأت مشاريع الدفيئة الحرارية الأرضية في توفير منتجات جديدة خلال أشهر الشتاء الطويلة، مما يقلل بشدة من تكلفة الخضروات المستوردة ومن آثارها الكربونية.
الأمن الغذائي
فالزراعة التي تخضع للمراقبة البيئية تتيح الظروف الزراعية المثلى التي يمكن أن تعزز الكثافة المغذية للمحاصيل، وكثيراً ما تكون للخضروات التي تنمو بدرجات حرارة ثابتة وإدارة الضوء مستويات أعلى من الفيتامينات والمواد المانعة للأكسدة، علاوة على ذلك، القدرة على زراعة مجموعة متنوعة من المحاصيل - بما في ذلك خضراء الكريات والأعشاب والتنوع الغذائي الذي يدعم الفواكه.
Resilience to Climate Change
ومع تزايد حدة تغير المناخ، فإن موجات الحرارة، والجفاف، والفيضانات ستؤدي إلى تعطيل الزراعة في الحقول المفتوحة، وتوفر الدفاتر الحرارية الأرضية بيئة متحكمة وحمائية مناعة إلى حد كبير لهذه التهديدات، وتستخدم أيضاً مياه أقل بكثير من الزراعة الميدانية لأن إعادة التطهير والتبخر يمكن إدارتها إدارة صارمة، بل يمكن في مناطق ندرة المياه إدماج مضخات الحرارة الحرارية الأرضية في زيادة القدرة على توليد المياه العذبة.
التحديات والحلول
التكاليف الرأسمالية العليا
ويمكن أن تُكلَّف الآبار الجافة وتركيب المضخات الحرارية في أي مكان من 000 50 دولار إلى أكثر من 000 500 دولار، وذلك حسب العمق والحجم، وهو حاجز رئيسي أمام صغار المزارعين، وتشمل الحلول نماذج الملكية التعاونية، والإعانات الحكومية، والتمويل من طرف ثالث (عقود خدمات الطاقة) وفي بعض البلدان، تقدم شركات الحفر الحرارية الأرضية اتفاقات " كخدمة " ، حيث لا يدفع المزارع سوى ثمن الحرارة المقدمة، وليس المعدات.
القيود الجغرافية
وتتركز الموارد الحرارية الأرضية العالية الحرارة في المناطق النشطة التي تكتنفها الزواحف (مثلا، رنين النار، وسرقة شرق أفريقيا)، غير أن الموارد المنخفضة الحرارة المناسبة للمضخات الحرارية متاحة في كل مكان تقريبا، كما أن التقدم في تكنولوجيا الحرارة الأرضية المنخفضة الفتحة وتحسين كفاءة المضخات الحرارية يزيدان من النطاق القابل للاستخدام، بل إن المناطق التي ترتفع فيها درجات الحرارة الأرضية باردة (10-15 درجة مئوية) يمكن أن تحقق وفورات كبيرة في الطاقة مقارنة بالمضخات الجوية.
دال - المخاطر واللوائح
ويشتمل التنظيف على عدم اليقين الجيولوجي ويحتمل مواجهة ظروف غير متوقعة، وتبرز منتجات التأمين للتخفيف من هذا الخطر، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تُبحر بعناية الأنظمة المتعلقة باستخدام المياه والتخلص من السوائل الحرارية الأرضية، وفي العديد من الولايات القضائية، تتعدى نظم الحفر المغلقة هذه المسائل لأنها لا تستخرج المياه الجوفية.
الصيانة والخبرة
وهناك نقص في التقنيين المدربين في مجال الطاقة الحرارية الأرضية في العديد من المناطق الزراعية، ومن الضروري بناء القدرات المحلية من خلال برامج التدريب المهني وخدمات الإرشاد، وتدرج الجامعات والكليات الزراعية بشكل متزايد تصميمات غازات الدفيئة الحرارية الأرضية في مناهجها الدراسية.
مستقبل الزراعة الحرارية الأرضية
وتُستشعر التكنولوجيات الناشئة بأن تجعل الزراعة الحرارية الأرضية أكثر سهولة وكفاءة، ويجري تطوير نظم الطاقة الحرارية الأرضية المعززة لإنشاء خزانات اصطناعية في الصخور الجافة الساخنة، مما يجعل الطاقة الحرارية الشمسية قابلة للاستمرار في العديد من المواقع الأخرى، ويمكن أن تؤدي الجيل القادم من المضخات الحرارية ذات الوصلات المتغيرة والضوابط الذكية إلى تحسين عملية الإمداد الحراري استنادا إلى احتياجات المحاصيل في الوقت الحقيقي.
كما أن الزخم السياساتي يكتسب أيضاً، إذ أن الاتفاق الأخضر الأوروبي، وقانون الولايات المتحدة للحد من التضخم، ومختلف الاستراتيجيات الوطنية المتعلقة بالمناخ، تتضمن حوافز هامة للتنمية الحرارية الأرضية في القطاع الزراعي، حيث تزداد تكاليف الطاقة وتزداد أسعار الكربون انتشاراً، تصبح الحالة الاقتصادية للاحتباس الحراري الجيولوجي أقوى كل سنة.
فالأمن الغذائي ليس فقط من أجل إنتاج كميات كافية من السعرات الحرارية، بل هو إنتاج الأغذية المغذية بشكل موثوق ومستدام ومحلي، فالطاقة الحرارية الأرضية توفر مسارا لتحقيق هذه الرؤية، ويمكن للمجتمعات المحلية، من خلال الاستثمار في هذه التكنولوجيا اليوم، أن تبني نظاما غذائيا أكثر مرونة وإنصافا للغد.