وقد تم الاعتراف منذ فترة طويلة بالطاقة الحرارية الأرضية كمصدر ثابت منخفض الكربون مستمد من الوجه الأرضي(6217)؛ والحرارة الداخلية؛ غير أن الإمكانات الكاملة لهذا المورد تمتد إلى أبعد من توليد الكهرباء، كما أن جزءا كبيرا من الطاقة المستخرجة من مستودعات الطاقة الحرارية الأرضية لا يتحول إلى الكهرباء بل يُطلق كحرارة نفايات، وهذا الإنتاج العرضي الحراري الذي كثيرا ما يُنبضَع أو يُنفَعَد في البيئة، يمثل ضغطا واسعا.

ما هو "الهاء الحراري الجيوئي"؟

إن حرارة النفايات الحرارية الأرضية هي الطاقة الحرارية التي لا تزال بعد عملية استخراج الطاقة الأولية في نظام حراري جيولوجي، وفي محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية، تستخدم المياه الساخنة أو البخار من خزانات تحت الأرض لحمل التربينات وتوليد الكهرباء، وحتى في أكثر محطات توليد الطاقة الثنائية أو المفاجئة كفاءة، فإن جزءا كبيرا من التطبيقات الحرارية الأرضية(ب)(ب)(8217) ولا تحول الحرارة إلى مخارج كهربائية أو مخففة.

وتتباين درجة حرارة النفايات الحرارية الأرضية تباينا كبيرا حسب نوع النبات وظروف الخزان، وتتراوح حرارة النفايات المنخفضة الحرارة عادة بين 30 و176؛ و90 و176؛ و176؛ ولئن كانت المجرى المتوسط الأجل يمكن أن تصل إلى التدفق الحرفي 120#176؛ وجيم أو أعلى، وحتى في الطرف الأدنى من النطاق، فإن هذه الحرارة كافية للعديد من العمليات الصناعية والتجارية، ولا سيما عندما تُتبادل الحرارة مع مضخات النفايات الحرارية أو ذات الخصائص.

مصادر الحرارة الأرضية

  • Power plant condensers and cooling systems] - In flash and dry-steam plants, the steam that exits the turbine is condensed; the latent heat released can be captured for district heating or industrial preheating.
  • Binary plant working liquid] – After the secondary working liquid has passed through the turbine, it still carries significant thermal energy that can be cascaded to lower-temperature uses.
  • Geothermal brine reinjection streams] – Spent brine injected back into the reservoir often remains at temperatures above 70#176; C, offering a stable heat source if intercepted before reinjection.
  • Direct-use geothermal systems] - Water used for space heating, aquaculture, or greenhouse operations can be cascaded into secondary cycles for additional heat extraction.

التطبيقات الصناعية للنفايات الحرارية الأرضية

وتمثل الصناعة حصة كبيرة من استهلاك الطاقة العالمي، معظمه في شكل حرارة العمليات، ويمكن أن تزيل حرارة النفايات الحرارية الأرضية احتراق الوقود الأحفوري في العديد من هذه العمليات، مما يقلل من التكاليف والانبعاثات على السواء، وتستكشف الأقسام التالية القطاعات الصناعية الرئيسية التي يمكن فيها تطبيق حرارة النفايات تطبيقا فعالا.

مواد راو التسخين

(ب) إن العديد من العمليات الصناعية [يتطلب رفع درجة الحرارة قبل دخولها مرحلة التفاعل أو المعالجة الرئيسية، مثلاً في إنتاج الأسمنت، يجب أن تُسخن وجبات الوجبات الخام قبل دخول الكينة الصناعية [[[[[[[[[[[[[[1].] وفي حين أن حرارة النفايات الحرارية الأرضية وحدها لا يمكن أن تصل إلى درجة الحرارة العالية، يمكن استخدامها في التحميل إلى [100#F] الفراء؛

عملية Heat for Chemical Reactions

ويمكن أن تستخدم الوكالة الدولية للطاقة [الطاقات الحرارية] بشكل مباشر في عمليات التحلل والتحلل والتجفيف والتنظيف، حيث يمكن أن تسخن النفايات الحرارية الأرضية عند درجات حرارة تتراوح بين 80 و176 درجة مئوية و120 درجة مئوية، بشكل مباشر في العديد من هذه العمليات الحرارية، وعلى سبيل المثال، في إنتاج الإيثانول، يجب أن تسخن المادة الخبيثة من أجل التخمير والتحلل الحراري.

تولد الطوابق في توربينات وآلات

وعلى الرغم من أن الحرارة الحرارية الأرضية قد لا تكون ساخنة بما يكفي لتوليد بخار عالي الضغط مباشرة لتوليد الطاقة، يمكن استخدامه في ما قبل مياه الغلاة أو توليد بخار منخفض الضغط للسيارات الميكانيكية والتوربينات الإضافية، وفي تشكيلات الحرارة والطاقة المشتركة، يمكن للمصنع الحراري الجيودي أن يولد أولا الكهرباء، ثم يزود المولدات الكهربائية الثانوية التي تُشترى بأجهزة توليد الطاقة الكهربائية.

المنتجات والمواد الجافة

ويمكن أن تؤدي هذه المادة إلى تحسين نوعية الطاقة، كما أن الطاقة الحرارية الأرضية التي تستخدم الطاقة الحرارية الأرضية، أو الغازات ذات الطاقة الكثيفة في صناعات مثل تجهيز الأغذية والأخشاب والخزف والخزفيات والمعادن.

الاستخدامات الصناعية الإضافية

  • Evaporation and concentration] - في تجهيز الألبان، يمكن لحرارة النفايات الحرارية الأرضية أن تركز الحيتان أو الحليب قبل تجفيف الرش.
  • Cleaning and sterilization] – Food and beverage plants require hot water for clean-in-place (CIP) systems; geothermal waste heat heat heat can supply this water at 70#176;C-90#176;C.
  • Greenhouse heating] — Geothermal waste heat from nearby power plants can be piped to greenhouses for year-round vegetable and flower production, as practiced extensively in Hungary and Iceland.
  • Aquaculture] - يمكن لحرارة النفايات أن تحافظ على درجات حرارة المياه المثلى لزراعة الأسماك والجمبري، وأن تعزز معدلات النمو وتخفض الوفيات.

التطبيقات التجارية لشبكة النفايات الحرارية الأرضية

وتتطلب المباني والمقاطعات التجارية تدفئة الأماكن وتبريدها ومياه ساخنة، وأحيانا معالجة حرارة المطابخ والملابس والمجمعات، ويمكن أن تلبي حرارة النفايات الحرارية الأرضية العديد من هذه المطالب، لا سيما عندما تدمج في شبكات الطاقة المحلية أو في شبكات الضخ الحرارية على مستوى المباني.

التدفئة والتبريد في المقاطعات

ومن أكثر الطرق فعالية لاستخدام حرارة النفايات الحرارية الأرضية في سياق تجاري شبكات تدفئة المناطق، ويمكن لمصنع الطاقة الحرارية الأرضية أو مرفق الاستخدام المباشر أن يوفر مياها دافئة لجهاز حراري مركزي، مما يغذي شبكة من الأنابيب المزروعة التي تتجه إلى المباني المجاورة، وقد توفر هذه الشبكة مياه ساخنة محلية، بل وتبرد في الاستيعاب (استخدام أجهزة التبريد التي تعمل على توليد الحرارة في المناطق الحضرية وليس على الكهرباء).

التدفئة الفضائية والماء الساخن في المباني التجارية

وبالنسبة للمباني التجارية الفردية مثل الفنادق، ومجمعات المكاتب، ومراكز التسوق، يمكن أن تُسلَّم حرارة النفايات الحرارية الأرضية عن طريق مضخة ثانوية مرتبطة بمضخة حرارية أو مبادلات حرارية مباشرة، ويمكن لمضخات الحرارة العالية أن تزيد درجة حرارة مجرى حرارة النفايات (مثلاً، من محركات الغسيل الساخنة 30 إلى 176؛ وجيم) لتلبية متطلبات البناء بكفاءة.

Snow Melting and Ice Prevention

ويمكن توزيع حرارة النفايات الحرارية الأرضية من خلال الأنابيب المدمجة في الرصيف، والممرات، وقوارب السيارات لمنع تكديس الثلج والجليد، وهذا التطبيق ذو قيمة خاصة في المناخات الباردة حيث يكون إزالة الثلج مكلفا ومعطلا، واستخدام حرارة النفايات لذوبان الجليد يزيل الحاجة إلى قطع غيار كيميائية ويقلل من ارتدائها في البنية التحتية، وقد نشرت عدة مطارات وسلطات عبور في أيسلندا واليابان نظما تستخدم الطاقة الحرارية الأرضية.

أحواض السباحة والسباس

وتستهلك صناديق السباحة العامة، والمراكز المائية، والمجاري الصحية كميات كبيرة من الطاقة لتسخين المياه، وتوفر حرارة النفايات الحرارية الأرضية بديلا منخفض التكلفة ومتجددا، وفي العديد من المواقع، تُضخ المياه الحرارية الأرضية المستعملة من محطات توليد الطاقة أو الآبار المستخدمة مباشرة إلى مبادلات حرارة المجمع، وهذا التطبيق مباشر، ويتطلب معدات دنيا، ويُعيد دفع الثمن بسرعة.

تكنولوجيات التنفيذ

ويتطلب التقاط وتوزيع حرارة النفايات الحرارية الأرضية مجموعة من التكنولوجيات المثبتة، وتشمل المكونات الأكثر شيوعاً مبادلات الحرارة، ومضخات الحرارة، وأجهزة التدفئة في المناطق، ونظم التحكم، ويعتمد اختيار التكنولوجيا على درجة الحرارة، ومعدل التدفق، والتكوين الكيميائي لمجرى حرارة النفايات، فضلاً عن المسافة إلى المستخدم النهائي.

مبادلات حرارة

وتنقل مبادلات الحرارة الطاقة الحرارية من السوائل الحرارية الأرضية (التي غالبا ما تكون رخام أو بخار) إلى سوائل عمل نظيفة دون اختلاط الاثنين، وتُستخدم مبادلات حرارة الطوابق ومبادلات حرارة الطلقات والتبريد على نطاق واسع، ويجب أن تُبنى من مواد مقاومة للتآكل مثل الصلب اللاصق أو التيتانيوم إذا كان السائل الحراري الجغرافي معدّداً من حيث الحرارة.

مضخات الحرارة

وعندما تكون درجة حرارة النفايات منخفضة جداً للاستخدام المباشر (مثلاً، أقل من 40#176؛ جيم)، يمكن للمضخات الحرارية أن ترفعها إلى درجة حرارة مفيدة، وتحقق مضخات الحرارة الحرارية الأرضية، مقرونة بمجاري حرارة النفايات، كفاءة أعلى من تلك التي تستخدم أرضية مائية أو درجات حرارة مائية، على سبيل المثال، توفر مصدر حراري في 30#17؛ ويمكن تعزيز تطبيقات مؤتمر الأطراف إلى 6017.

شبكات التدفئة المحلية

وتتكون نظم التدفئة في المناطق من مصدر حراري مركزي، وشبكة توزيع من الأنابيب المجهزة سلفا، والمنح الفرعية في كل مبنى متصل، وبالنسبة لحرارة النفايات الحرارية الأرضية، تعمل الشبكة عادة بدرجات حرارة العرض من 70 إلى 176؛ و8211 من النظام المركزي؛ و90 من نظامي الكفاءة؛ و176 من نماذج الانتشار؛ ومعدلات الحرارة العائدة من 30 إلى 176؛ ومتوسط عدد من المركبات 811 إلى 5 في المائة؛ و45 في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في البلدان التي تستخدم فيها المركبات المتعددة؛ و176 في كل من المركبات؛ و176 في كل من المركبات؛ و176 في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما في إطار نظاما.

التحديات والحلول الناشئة

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن الاعتماد الواسع النطاق لاستخدام الحرارة الحرارية الأرضية يواجه عقبات عديدة، ويجري التصدي لهذه التحديات من خلال الابتكار التكنولوجي، ودعم السياسات، والتعاون في مجال الصناعة.

التكاليف الرأسمالية والهياكل الأساسية

Installing heat exchangers, pipelines, heat pumps, and building retrofits requires significant upfront investment. For industrial facilities, the payback period may be three to seven years, which can be a barrier in capital-constrained industries. However, financial incentives such as tax credits, grants, and carbon pricing improve the economics. Additionally, modular and scalable system designs reduce initial costs by allowing progressive implementation.

Site-Specific Conditions

ولا ينتج كل موقع من مواقع الحرارة الأرضية حرارة النفايات عند درجات الحرارة أو معدلات التدفق المناسبة للاحتراق الاقتصادي، كما أن المسافة بين مصدر الحرارة والمستعمل النهائي تؤثر أيضا على إمكانية البقاء، غير أن التقدم في الحفريات الاتجاهية ومبادلات الحرارة في القاع قد أتاحا الوصول إلى موارد أعمق وأكثر حرارة، كما أن تكنولوجيا النظم الحرارية الأرضية المعززة يمكن أن تخلق خزانات في الصخور الجافة الساخنة، مما يزيد من تنوع النطاق الجغرافي لإمكانات الحرارية.

التصويب والتصعيد

وكثيرا ما تحتوي السوائل الحرارية الأرضية على معادن وغازات مفككة يمكن أن تسبب زيادة (مثلا، السيليكا، وكربونات الكالسيوم) وتضاؤل المعدات، وهذا يتطلب اختيارا دقيقا للمواد، أو معالجة كيميائية، أو سمات تصميمية مثل البلورة الوميضية لإزالة مركبات التكرير قبل دخول السوائل إلى مبادلات الحرارة، كما أن البحث في المعاطف المتقدمة ومكونات الصنعة يؤدي إلى معدات تنظير الأطول.

الحواجز التنظيمية والتام

وفي العديد من الولايات القضائية، لا يُعد الإطار التنظيمي لاستخدام حرارة النفايات الحرارية الأرضية تطوراً كافياً، وقد يلزم توفير تصاريح لاستخراج السوائل وإعادة الحقن وتوزيع الحرارة، وتصنيف حرارة النفايات كمورد بدلاً من النفايات، كما أن هناك حاجة إلى تبسيط العمليات والتعاريف القانونية الواضحة لتشجيع الاستثمار، وقد سنت بعض الولايات الأمريكية والبلدان الأوروبية حقوقاً تنص صراحة على " 8220؛ وتوفر النفايات الحرارية " .

التوقعات المستقبلية

وتتسع الإمكانات العالمية لاستخدام حرارة النفايات الحرارية الأرضية، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة المتجددة، تتجاوز القدرة الحرارية الأرضية المركبة 15 جيغاواط عالمياً، مع وجود 20 جيغاواط إضافية من القدرة على الاستخدام المباشر، وحتى إذا تم حصر جزء من حرارة النفايات المرتبطة بها، فإنه يمكن أن يزيل الملايين من أطنان ثاني أكسيد الكربون (2) سنوياً.

أولاً، إن انخفاض تكلفة المضخات الحرارية ومكونات تدفئة المناطق يجعل المشاريع أكثر اقتصاداً، ثانياً، أن التزامات استدامة الشركات والأهداف الحكومية الصافية للطاقة الشمسية تؤدي إلى الطلب على الحرارة المنخفضة الكربون، ثالثاً، النظم الهجينة التي تجمع بين الحرارة الحرارية الأرضية والحرارة الشمسية، والكتلة الأحيائية، أو تخزين الحرارة، آخذة في الظهور كحلول مرنة يمكن أن تحقق الحرارة عند الطلب.

كما أن الابتكارات مثل دورة قاع البحر العضوية، التي يمكن أن تولد كهرباء إضافية من حرارة النفايات المتوسطة الحرارة، توسّع المظروف الاقتصادي، حيث تتحسن تكنولوجيا الحفر وتصبح نظم التغيّر البيئية تجارية، فإن إمدادات الحرارة الحرارية الأرضية ستنمو، مما سيتيح فرصا جديدة للمستعملين الصناعيين والتجاريين.

إن حرارة النفايات الحرارية الأرضية ليست منتجا ثانويا هامشيا؛ فهي مورد استراتيجي يمكن أن يغير اقتصاديات الطاقة في الصناعات والمجتمعات المحلية، ومن خلال تحديد أولوياتها في مجال الاستيلاء عليها واستخدامها، يمكن للأعمال التجارية أن تقلل من تكاليف التشغيل، وتعزز أمن الطاقة، وتسهم إسهاما ذا مغزى في تحقيق الأهداف العالمية المتعلقة بالمناخ، والتكنولوجيا جاهزة، وتحسن الاقتصاد، والوقت الذي يتعين العمل فيه الآن.