وتستأثر حرارة العملية الصناعية بنصيب كبير من الطلب العالمي على الطاقة، ومع ذلك فإن معظم هذه الحرارة لا تزال تأتي من الوقود الأحفوري المحترق، حيث تواجه الصناعات ضغوطا متزايدة لتطهير وتثبيت تكاليف الطاقة، وتوفر الطاقة الحرارية الأرضية حمولة أساسية، ومصدر حراري منخفض الكربون يمكن أن يعمل على مدار الساعة، وعلى عكس الطاقة الشمسية أو الرياح، لا تخضع الحرارة الحرارية الأرضية للتقلبات الجوية اليومية أو الموسمية.

Understanding Geothermal Energy

وتنشأ الطاقة الحرارية الأرضية من الحرارة المخزنة تحت قشرة الأرض، وتأتي هذه الحرارة من مصدرين رئيسيين: الحرارة المتبقية من تكوين الكوكب، والتدهور الإشعاعي المستمر لعناصر مثل اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم، وتزداد درجة الحرارة بعمق، عادة بحوالي ٢٥-٣٠ درجة مئوية لكل كيلومتر في معظم المناطق القارية، على الرغم من أن التدرجات الحرارية الأرضية تتباين اختلافا كبيرا حسب المناطق المحلية.

وتصنف الموارد الحرارية الأرضية عموماً حسب درجة حرارتها ودرجة حرارتها:

  • Low-enthalpy resources] (بدون 100 درجة مئوية) - مناسبة لتطبيقات الاستخدامات المباشرة مثل تدفئة الفضاء، والاحتباس الحراري، وبعض العمليات الصناعية التي تتطلب حرارة منخفضة الحرارة.
  • ]Medium-enthalpy resources (100-200°C) - يمكن استخدامها في كل من الحرارة المباشرة وتوليد الطاقة في الدورة الثنائية، وتقع العديد من العمليات الصناعية ضمن هذا النطاق.
  • High-enthalpy resources] (أكثر من 200 درجة مئوية) - مستعملة عادة لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية، ولكنها قادرة أيضا على توفير حرارة عالية الحرارة لعملية صناعات مثل تجهيز المعادن.

والفرق الرئيسي للمستعملين الصناعيين هو أن الحرارة الحرارية الأرضية لا تتطلب تحويلا إلى الكهرباء - ويمكن أن يتم مباشرة كماء ساخن أو بخار، وإزالة الخسائر الدينامية الحرارية المرتبطة بتوليد الطاقة، وتمكين أوجه الكفاءة الحرارية الشاملة التي تزيد على 90 في المائة في نظم الاستخدام المباشر.

How Geothermal Process Heat Systems Work

ويشتمل نقل الحرارة الحرارية الأرضية إلى مرفق صناعي على استخراج سوائل ساخنة من خزان تحت سطح الأرض، ونقل الطاقة الحرارية إلى وسيط العمليات، ثم إعادة ضخ السوائل المبردة أو التخلص منها وفقاً للأنظمة البيئية، ويعتمد الشكل المحدد على درجة الحرارة اللازمة، والبعد بين المورد والنبات، ونوعية السائل الحراري الجيولوجي.

الاستخدام المباشر

وأبسط طريقة هي الاستخدام المباشر: فالرشاقة الحرارية الأرضية أو البخار يتم نقله من بئر إنتاج إلى مبادلات حرارية تنقل الطاقة إلى حلقة مياه نظيفة، ثم تغذي العملية الصناعية، وفي بعض الحالات، يمكن أن يُحقن السوائل الحرارية الأرضية نفسها مباشرة في عمليات تتسامح مع تركيبها الكيميائي - مثلا في بعض عمليات الغسيل أو التصفح أو التجفيف - نظم الاستخدام المباشر - تتجنب إنتاج رأس المال.

نُهج تبادل الحرارة وتسخين المناطق

وبالنسبة للعمليات التي تتطلب درجات حرارة أعلى من الحرارة الطبيعية الجيولوجية، يمكن للمضخات الحرارية أن ترفع درجة الحرارة، ويمكن لمضخات الحرارة الصناعية العالية الحرارة أن تزيد من السائل من 80 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية باستخدام بعض المدخلات الكهربائية، مما يؤدي إلى وفورات كبيرة في الطاقة الأولية مقارنة بحرق الوقود الأحفوري، وبالمثل، يمكن أن تكون شبكات التدفئة الحرارية الأرضية التي تخدم عدة مستخدمين صناعيين متطورة بحيث تستخدم حرارة أقل.

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

ومن أكثر التطورات واعدة في توسيع نطاق حرارة العمليات الحرارية الأرضية تعزيز النظم الحرارية الأرضية، وفي حين تتطلب الموارد الحرارية الأرضية التقليدية قابلية التحمل الطبيعية وتشبع المياه، تخلق هذه النظم شبكات الكسور الصناعية في الصخور الساخنة والجافة عن طريق الحقن في الماء عند ضغط مرتفع، وترتفع حرارة المياه عند توزيعها من خلال الخزان المنشأ حديثاً، ثم تستخرج من أجل توفير الحرارة السطحية.

التطبيقات الصناعية الرئيسية

وتمتد حرارة العملية الصناعية إلى مجموعة واسعة من درجات الحرارة، تتراوح بين 30 درجة مئوية لزراعة الأسماك وأكثر من 1000 درجة مئوية لصنع الفولاذ، وتتمتع الطاقة الحرارية الأرضية بقدر أكبر من القدرة على المنافسة في النطاق المنخفض إلى المتوسط (50-250 درجة مئوية)، الذي يغطي جزءا كبيرا من الطلب الحراري الصناعي، وقد أظهرت القطاعات التالية بالفعل تكاملاً حرارياً قابلاً للتطبيق.

تجهيز الأغذية والآداب

وتحتاج صناعة الأغذية إلى حرارة للتجفيف والتبخر والتبخير والتعقيم والتنظيف والغسيل والطهي، وقد استخدمت الحرارة الحرارية الأرضية لعقود في بلدان مثل أيسلندا ونيوزيلندا وكينيا لتجفيف الفواكه والخضروات والأسماك؛ وتغذية اللبن في الماضي؛ وتبخر السكر في الخنافس؛ وفي الولايات المتحدة، قام مكتب التكنولوجيات الحرارية الجغرافية بتوثيق دراسات حالة.

اللباب والورق

وتستهلك مطاحن الورق كميات هائلة من الطاقة الحرارية لصحائف الورق الجاف ورقائق خشب الطهي في الهضمات، إذ تعمل عدة مطاحن في مناطق تتوفر فيها الموارد الحرارية الأرضية، مثل منطقة شمال غرب المحيط الهادئ وأجزاء من أمريكا الوسطى، ويمكن أن يؤدي دمج الحرارة الحرارية الأرضية في نظام البخار المطحن إلى تشريد كميات كبيرة من الغاز الطبيعي أو زيت الوقود.

الإنتاج الكيميائي والبتروكيميائي

وكثيرا ما تتطلب عمليات التصنيع الكيميائي مثل التحلل والتبخر وتسخين التفاعل الكيميائي درجات حرارة تتراوح بين 100 درجة مئوية و200 درجة مئوية. ويمكن أن توفر البخار الحراري الأرضي حرارة لأعمدة التحلل، ويمكن للرنين الحراري الجيولوجي أن يُعِد مسارات تغذية حرارة، ويقلل من حمولة الوقود الأحفوري في المغليات، وفي بعض الحالات، يمكن استخدام السوائل الحرارية الأرضية كمصدر للحرارات المعدنية (مثلافرات المدمجة)

تجهيز المعادن

ويمكن أن تُخدم عمليات مثل قفز الكبريت من الذهب والنحاس، ومظلة إنتاج الأسمنت، وجفاف التربة بالطراد الحرارية الأرضية، وفي نيفادا، أدرجت عدة ألغام ذهبية الحرارة الحرارية الأرضية في عمليات الغسل الخاصة بها، وخفض استهلاك الديزل، وبالنسبة للأسمنت، تعمل خطوات التجفيف المفترس والمواد الخام على درجة حرارة تتراوح بين 100 و200 درجة مئوية، وهي درجة حرارة تناسب الموارد المتوسطة.

المنسوجات وصناعات الجلود

ويتطلب التنظيف والصبغ والانتهاء من المنسوجات مياهاً ساخنة وبقايا كبيرة - وهي عادة 80-130 درجة مئوية. وتوفر الحرارة الحرارية الأرضية بديلاً نظيفاً للمغليات التي تعمل بالفحم أو الغاز في هذه القطاعات الكثيفة الطاقة، ولا سيما في بلدان مثل إندونيسيا والفلبين وتركيا، حيث تكون الإمكانات الحرارية الأرضية وصنع المنسوجات ذات أهمية كبيرة.

ألف - خصائص عملية الحرارة الأرضية

وترتكز حالة الحرارة الصناعية الحرارية الأرضية على عدة مزايا قاهرة تتجاوز الحد من الانبعاثات البسيطة.

  • Continuous baseload supply:] Geothermal resources operate around the clock, with capacity factors exceeding 90% in well-managed fields. This reliable is critical for industries that cannot tolerate intermittent heat supply.
  • ] Insulation from fuel price volatile: Once a geothermal well is drilled and the surface plant built, the “fuel” (heat from the earth) is essentially free. Operating costs are dominated by maintenance and pumping power, which are far more predictable than oil, gas, or coal prices.
  • Low carbon footprint:] Direct-use geothermal heat emits negligible CO2 - only the small amounts of non-condensable gases released from the reservoir. Over its life cycle, a geothermal direct-use system can have carbon emissions 80-95% lower than a natural gas boiler.
  • Small physical footprint:] A geothermal well pad occupies only a few hectares for a facility that can supply dozens of MWth. Compared to solar thermal fields or biomass supply chains, land use is minimal.
  • Cogeneration opportunities:] Many geothermal installations produce electricity and then use the lower-temperature waste heat for industrial processes or district heating, maximizing the value of each well.
  • Support for energy independence:] Countries that rely on imported fossil fuels can improve their trade balance and energy security by developing domestic geothermal resources.

التحديات والمخاطر

ورغم الفوائد الواضحة، فإن الحرارة الصناعية الحرارية الأرضية تواجه عدة حواجز حدت من اعتمادها إلى المناطق ذات النوعية الاستثنائية من الموارد.

التكاليف الرأسمالية العليا

ويمكن أن يكلف المطور بالكامل تطهير بئر حراري واحد قدره ٢-٨ مليون دولار، وقد يتطلب نظام الاستخدام المباشر النموذجي الذي يخدم مرفقا صناعيا واحدا بئرين إلى خمسة آبار زائدا معدات سطحية، كما أن مخاطر الاستكشاف - التي قد لا تجد درجة حرارة كافية أو قدرة على البقاء - يمكن أن تؤدي إلى تحسين كبير في اقتصاد المشاريع.

موقع الموارد

وتتركز الموارد الحرارية الأرضية العالية الجودة في المناطق النشطة التي تكتنفها التوتر: رنين النار، وخط شرق أفريقيا، وآيسلندا، والمناطق الواقعة على طول حدود الصفائح القارية، حيث تقع مراكز صناعية كثيرة بعيدا عن هذه الموارد، مما يجعل نقل الحرارة على المسافات الطويلة غير عملي، غير أن نظم إي جي إس وتكنولوجيات الحفر المتقدمة توسع تدريجيا خريطة الحرارة الأرضية المتاحة اقتصاديا إلى المناطق التي تقل فيها مستويات طبيعية.

استخدام المياه والكيمياء الملوِّثة

وكثيرا ما تحتوي الألوية الحرارية الأرضية على معادن مذوبة (السيلويكا، والكالسيوم، والفلزات الثقيلة) يمكن أن تسبب زيادة وتآكل في الأنابيب ومبادلات الحرارة، وتتطلب إدارة هذه التحديات الكيميائية اختيار مواد دقيقة، والتنظيف الدوري، وفي بعض الحالات معالجة السوائل قبل إعادة الحقن، وبالإضافة إلى ذلك، توجد بعض مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية في مناطق ندرة المياه، ويجب أن تكون الحاجة إلى توفير مياه الصنع متوازنة مع توافر المياه المحلية.

الكائنات الحية المُستحثة

وقد واجهت مشاريع نظم الطاقة البيئية، على وجه الخصوص، قلقاً عاماً إزاء النزعة السيزمية المستحثة - الزلازل الصغيرة التي تسببها كسر هدرولي في الصخور الساخنة، وفي حين أن معظم هذه الأحداث صغيرة جداً، فإن المشاريع القريبة من المراكز السكانية تتطلب رصداً دقيقاً وإشراكاً مع المجتمعات المحلية، وقد تم وضع وتحسين بروتوكولات لإدارة النزعة السيزمية المستحثة، ولكن المسألة لا تزال تشكل عقبة في التصور التنظيمي والعام.

المطابقة التقنية

فالعمليات الصناعية تحتاج إلى حرارة في درجات حرارة معينة، وإلى ضغوط، وإلى معدلات تدفق، إذ إن إعادة تجهيز منشأة قائمة لاستخدام الحرارة الحرارية الأرضية بدلا من مغلي الغاز الطبيعي قد يتطلب إعادة تشكيل كبيرة لمبادلات الحرارة ونظم التحكم والتنبيب، ويمكن تصميم محطات جديدة للتكامل الحراري الجيولوجي منذ البداية، ولكن سرعة البناء الصناعي الجديد في المناطق الغنية بالطاقة الحرارية الأرضية بطيئة.

التوقعات المستقبلية والتطورات الناشئة

وقد ازدادت آفاق الحرارة الصناعية الحرارية الأرضية تضاءلا كبيرا بفضل التحسينات التكنولوجية وزخم السياسات، وتشير عدة اتجاهات إلى توسيع نطاق الانتشار على مدى العقد المقبل.

تكنولوجيا الحفر المتقدمة

إن أساليب الحفر الحديثة - بما في ذلك الحفر التوجيهي، والقطع العالية التمرين، وتحسين الإسمنت - تقلل من تكلفة وخطر الوصول إلى مستودعات الحرارة الأرضية العميقة، وتزيد إدارة الطاقة في الولايات المتحدة ]الصندوق: صفر[[[ تحليل الأشعة السينية ][ ]FLT:1]، إذ تقدر أن معامل الاستخدام المباشر في الولايات المتحدة يمكن أن ينمو بمعامل ثابت واقتصادات الحجم.

النظم الهجينة

ويمكن أن يؤدي الجمع بين الحرارة الحرارية الأرضية وأجهزة جمع الحرارة الشمسية، أو مغلي الكتلة الحيوية، أو مضخات الحرارة الصناعية، إلى سد الثغرات في درجة الحرارة وتوفير مرونة إضافية، وقد يستخدم نظام هجين الحرارة الأرضية لتوفير الحرارة عند درجة حرارة القاع عند 120 درجة مئوية، ثم يرتفع إلى 200 درجة مئوية مع مغلي الغاز الحيوي أثناء ارتفاع الطلب، وتخفض هذه النُهج الهجينة الحاجة إلى آبار حرارية ضخمة وتنشر المخاطر المالية.

دعم السياسات وخصخصة الكربون

ومع زيادة الولايات القضائية التي تطبق ضرائب الكربون والحد الأقصى للانبعاثات، فإن تكلفة ثاني أكسيد الكربون التي تتجنبها تجعل الحرارة الحرارية الأرضية أكثر قدرة على المنافسة، كما أن نظام الاتحاد الأوروبي لتداول الانبعاثات، على سبيل المثال، يُسجّل الكربون على مستويات يمكن أن تُسدّد الاقتصاد لصالح الطاقة الحرارية الأرضية على الغاز الطبيعي بالنسبة للحرارة المتوسطة، وبالمثل، يتضمن قانون خفض التضخم في الولايات المتحدة ائتمانا ضريبيا على الطاقة الكهربائية للاستخدام التكنولوجي بنسبة 30 في المائة بالنسبة للممتلكات الحرارية الأرضية.

الموارد العالمية

ووفقا لـ الوكالة الدولية للطاقة المتجددة ، فإن قاعدة الموارد الحرارية الأرضية المتاحة في العالم هائلة، بل إن التكنولوجيا الحالية يمكن أن تستغل ما يكفي من الحرارة لتوفير الطاقة الصناعية المباشرة لكثير من المناطق، فبلدان مثل إندونيسيا والفلبين وكينيا وأيسلندا وتركيا وأجزاء من أمريكا اللاتينية تتوسع بالفعل في استخدام الطاقة الحرارية الأرضية الصناعية.

خاتمة

فالطاقة الحرارية الأرضية توفر مصدرا ثابتا وخفيض الكربون ومستقرا من حيث التكلفة لحرارة العمليات، يمكن أن يحل مباشرة محل حصة كبيرة من الوقود الأحفوري المحروق في الصناعة اليوم، ومن تجفيف الأغذية إلى التحلل الكيميائي، ومن البقع والورق إلى التجهيز المعدني، فإن الجدوى التقنية قد ظهرت في قطاعات ومناخات كثيرة، والحواجز - وهي تكاليف عالية، وقيود في مواقع الموارد، والتعقيد التقني - هي خيارات حقيقية ولكنها غير قابلة للتنبؤ بها.