Table of Contents
وتمثل النظم الحرارية الأرضية المعززة أحد أكثر الحدود واعدة في الطاقة المتجددة، مما يتيح إمكانية الاستفادة من الحرارة الواسعة المخزنة في أعماق سطح الأرض، وتعتمد النظم الحرارية الأرضية التقليدية على خزانات المياه الساخنة التي تحدث بصورة طبيعية، ولكن يمكن أن تخلق نظماً كهربية غير قابلة للتداول بواسطة سائل الاصطناعي في تكوينات صخرية شديدة الخطورة، وتركز أساساً على الإنتاج الحالي.
ما هي الـ"فلويد" الخارقة؟
يوجد سائل خارق في حالة يختفي فيها التمييز بين السائل والغاز، ويحدث ذلك عندما تكون المادة مسخنة فوق درجة حرارتها الحرجة وتضغط فوق ضغطها الحرج، وفي هذه المرحلة، يظهر السوائل مزيجا فريدا من الممتلكات: فعندها كثافة مماثلة للكثافة التي تتسم بها السيولة، ولكن حساسيتها وتوترها السطحي أقرب إلى درجة حرارة الغاز، وهذا السلوك الهجين يوفر مزايا استثنائية للنقل الحر والكتل.
Supercritical water (SCW) - reached above 374 °C and 22.1 MPa - possesss a density about one-third that of liquid water yet diffusivity ten times higher. This combination enables it to penetrate microfractures in rock that would resist liquid water, and to carry heat away with far greater efficiency.
]
وبالمثل، فإن ثاني أكسيد الكربون الفائق الأهمية - الذي يصبح بالغ الأهمية فوق ٣١ درجة مئوية و ٧,٤ درجة مئوية - يكتسب الاهتمام بوصفه سائل عمل لاستخراج الحرارة وتوليد الطاقة، ويسهل التعامل مع هذا ثاني أكسيد الكربون البالغ الأهمية، ويسمح سلوكه الكيميائي بتخفيض التوسع في المعادن وتآكلها في كثير من البيئات الحرارية الأرضية.
والميزة الأساسية لاستخدام السوائل الخارقة الأهمية في النظام الإيكولوجي تكمن في قدرتها على نقل كميات كبيرة من الطاقة الحرارية بكميات صغيرة نسبيا من السوائل، وهذا يرجع إلى ارتفاع القدرة الحرارية المحددة للمراحل الخارقة الأهمية وقدرتها على البقاء في مرحلة واحدة عبر مجموعة واسعة من الضغوط ودرجات الحرارة، مع تجنب خسائر الكفاءة المرتبطة بالتغير في المرحلة.
ألف - مزايا الثلوج الفائقة الأهمية في النظم الحرارية الأرضية المعززة
ويحول إدماج السوائل الخارقة في تصميم نظام إدارة النظم الإيكولوجية إلى مظروف الأداء بشكل كبير، وتفصل الأقسام الفرعية التالية الفوائد الرئيسية.
زيادة إنتزاع الحرارة من أعمق، هوتر روك
وتقتصر الموارد الحرارية المائية التقليدية على درجات حرارة تبلغ نحو 300 درجة مئوية والأعماق التي تقل عادة عن 3 كيلومترات، غير أن المياه الشديدة الأهمية يمكن أن تصل إلى التكوينات التي تتجاوز فيها درجات الحرارة 400 °س عند عمق يبلغ طوله 5 كيلومترات أو أكثر، وفي هذه الظروف، فإن كثافة الطاقة الحرارية في الصخرة أعلى بكثير، ويمكن أن يكون معدل استخراج الحرارة أكبر عدة مرات.
تحسين التنقل المفلط وتدفقات الخزان
ومن أكبر التحديات في نظام EGS الحفاظ على تدفق سائل كاف من خلال الصخرة المكسورة، وتخفض السوائل الخارقة هذا الحاجز بطريقتين:
- Lower viscosity:] Supercritical CO2 at typical EGS conditions has a viscosity roughly 10 times lower than liquid water. This allows it to flow more easily through narrow fractures and porous rock, increasing the effective permeability of the reservoir.
- Reduced surface tensions:] With negligible surface tensions, supercritical liquids can penetrate microfractures that would block liquid water due to capillary forces. This expands the active heat-exchange surface area and improves overall thermal sweep efficiency.
وتعني خصائص التدفق هذه أن السوائل الخارقة يمكن أن تُعمم عبر الخزان بأقل قدرة على الضخ، مما يقلل من خسائر الطاقة الطفيلية، ويحسن ناتج الطاقة الصافي للنظام.
زيادة كفاءة توليد الطاقة الحرارية
وفي محطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية، تحد كفاءة تحويل الحرارة إلى الكهرباء أساسا من الفرق في درجة الحرارة بين المصدر الحراري )السوائل الحرارية الأرضية( والوعة الباردة )الظروف الغامضة( - وتتيح السوائل الخارقة للنظام العمل في درجات الحرارة العالية، مما يعزز مباشرة كفاءة استخدام الكاروت، علاوة على أن سوائل العمل الفائقة الأهمية في دورة الطاقة نفسها - مثل السائل العضوي البالغ الصغر
Properties الكيمائية المفضلة
ويتمتع ثاني أكسيد الكربون الشديد بمزايا كيميائية إضافية في بعض البيئات الجيولوجية، وهو غير حرج نسبيا ولا يفصل المعادن بقدر ما تكون المياه دون الحرجة، مما يمكن أن يساعد على الحد من ارتفاع وضغط آبار الإنتاج والمعدات السطحية، كما أن ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يستخدم كسائل عامل يستخدم أيضا كوسيلة لعزل الكربون - وهو مفهوم يعرف باسم ثاني أكسيد الكربون في مخزن الطاقة الحرارية.
التحديات والنظر في المسألة
ورغم المزايا الجبارة، فإن نشر السوائل الخارقة في نظام الأفضليات المعمم يشكل عقبات تقنية واقتصادية كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن يصبح التبني التجاري ممكنا.
المحافظة على ظروف عالية الضغط وعلي درجة الحرارة
فإبقاء السوائل في دولة خارقة للطبيعة يتطلب معدات عالية الضغط وتصميما دقيقا للنظام، أما بالنسبة للماء الفوق الحرج، فلا بد من أن تظل الضغوط فوق 22.1 درجة مئوية (نحو 220 مرة في ضغط الغلاف الجوي) ودرجات الحرارة فوق 374 درجة مئوية.
التحلل المراسلي والمادي
وتُعد المياه السطحية وسيطاً متآكلاً للغاية، خاصة عندما تحتوي على غازات مُذوبة مثل الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون أو سلفين الهيدروجين، ويمكن أن تتسارع معدلات التآكل في درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى التشقق، وتفكك الإجهاد، والفشل النهائي في المكونات، وبالمثل، فإن ثاني أكسيد الكربون الفائق يمكن أن يسبب التآكل في وجود الماء، ويُحدث آثاراً في الحمض النووي.
التصعيد والتهيؤ المعدني
فبما أن السوائل الخارقة تُعمم من خلال تشكيلات الصخور الساخنة، فإنها يمكن أن تحل المعادن من مصفوفة الخزان، وعندما يكون السائل المبرد قرب البئر الإنتاجي، فإن تغيرات الحرارة والضغط قد تؤدي إلى تهطال المعادن، مما يؤدي إلى تراكم المواد الإباحية والكسرات، ويثير ارتفاع مستوى السيليكا قلقا خاصا في نظم المياه الفائقة الأهمية، حيث أن قدرة السيليكا على إحداث زيادة حرارة تتطلب زيادة كبيرة في درجة الحرارة.
Drilling and Well Construction at Extreme Depths
ومن أجل الوصول إلى درجات الحرارة اللازمة للظروف الحرجة، يجب حفر الآبار إلى أعماق تتراوح بين 5 و10 كيلومترات، ويتوقف حفر الأعماق في الصخور الصلبة والمثيرة على التكلفة والتحدي التقني، ويدفع ارتفاع درجات الحرارة إلى تدهور سوائل الحفر، وتقليص الآلات، بينما تتطلب الضغوط العالية أجهزة منع التفجير القوية وتصميمات التموينية، ويمكن أن تتجاوز تكلفة استخدام تكنولوجيا نظارات عريضية كبيرة 10 ملايين دولار، كما أن خطر الفشل في هذا.
الشواغل البيئية والهزلية
وبالإضافة إلى ذلك، فإن عمليات التفكيك التي تُجرى بواسطة السوائل الخارقة أو بدونها تنطوي على حقن سوائل عالية الضغط في تكوينات صخور عميقة، مما يمكن أن يؤدي إلى حدوث أحداث سيزمية بسيطة، وفي حين أن معظم الزلازل المستحثة صغيرة جداً بحيث لا يمكن الشعور بها، فقد كانت هناك حالات تثير فيها أحداث أكبر قلقاً عاماً، وقد يؤدي استخدام السوائل الخارقة إلى الحد من الهشاشة بسبب انخفاض مستوى التأقل الذي تسمح به
مشاريع البحث والتطوير
وهناك عدة مبادرات بحثية في جميع أنحاء العالم تستكشف بنشاط التنفيذ العملي للسوائل الخارقة الأهمية في نظام EGS، وتوفر هذه المشاريع بيانات قيمة عن سلوك العالم الحقيقي وتساعد على التحقق من النماذج.
The Desdemona Project, Japan
وفي اليابان، يقوم مشروع ديزديمونا بالتحقيق في استخدام المياه الخارقة الأهمية لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية عن طريق حفر الصخور البركانية الساخنة في منطقة كيوشو، وقد أثبت الباحثون أن الظروف الخارقة يمكن أن تتحقق في أعماق تبلغ حوالي أربعة كيلومترات في ميادين الحرارة الأرضية العالية الفتحة، وقد وفر المشروع بصيرة بالغة الأهمية في سلوك المواد البئرية المتآكلة وخصائص تدفق المياه فوق سطح البحر.
أيسلندا مشروع الحفر العميق
The IDDP is one of the most ambitious efforts to access supercritical geothermal resources. In 2009, drilling at the Krafla volcano encountered magma at a depth of just 2.1 km - much shallower than expected. Even in wells that do not hit magma, the project has documented conditions reached 450 °C and 45 MPa. The wellhead liquids are often supercritical, and researchers have successfully generated electricity from this high
Supercritical CO2 at Los Alamos National Laboratory
وفي مختبر " إلوس ألاموس " الوطني في نيو مكسيكو، كان الباحثون يطورون حلقة صغيرة من الأشعة السيكولوجية الثانية لتحفيز استخراج الحرارة الحرارية الأرضية، وقد أظهرت تجاربهم أن معامل نقل الحرارة من سطح صخري ساخن إلى ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يكون أكبر من مثيله في عدة مرات من مستوى المظاهرات التي تنطوي على تآكل في الطاقة في ظروف مماثلة.
مشروع الفريق الاستشاري المشترك بين الاتحاد الأوروبي
وقد جمع نظام المعلومات الجغرافية (Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity) الاختبارات الميدانية في مواقع EGS في أنحاء أوروبا مع تجارب مختبرية على سلوك السوائل الفائق الأهمية، وقد أسهم المشروع في فهم كيفية تفاعل ثاني أكسيد الكربون والمياه الفائقة الأهمية مع مختلف أنواع الصخور، وكيفية إدارة النزعة الصغرية من خلال استراتيجيات تدوير الضغط والقذف.
التوقعات المستقبلية: مسارات إلى التسويق
ولا يزال إدماج السوائل الخارقة في النظام الإيكولوجي في مرحلة ما قبل التجارة، ولكن التقدم المحرز في عدة مجالات يشير إلى أن الاستغلال التجاري يمكن أن يصبح ممكناً في غضون العقد القادم.
النظم الهجينة مع الطاقة الشمسية المركزة
ومن النهج الواعد الجمع بين الحرارة الأرضية الفائقة الأهمية مع الطاقة الشمسية المركزة، وفي مثل هذا النظام الهجين، يتم تحفيز السائل الحراري الجيولوجي بواسطة جامعات الطاقة الحرارية الشمسية قبل أن يُحقن في الخزان، مما يزيد درجة حرارة السوائل المنتجة، مما يمكن أن يساعد على تحقيق ظروف حرجة في الأعماق الضحلة ويقلل من الحاجة إلى حفر عميق للغاية.
السلف في علوم المواد وصنع المواد
وتبرز مواد جديدة مصممة خصيصا للظروف الخارقة للطبيعة، وتسمح المصفوفة المتحركة، والخطوط الخلفية، والملابس النانوية بمقاومة أفضل للتآكل والتدوير الحراري، وتتيح الصناعة المضافة )الطباعة( إنشاء قياسات جغرافية معقدة لتبادل الحرارة يمكن أن تتحمل ضغطا عاليا بينما تضاعف مساحة السطح إلى أقصى حد، وهذه الابتكارات تقلل تدريجيا من التكلفة وتزيد من درجة الموثوقية.
الطاقة الحرارية الأرضية الكربونية - الوطنية
ويفتح استخدام ثاني أكسيد الكربون الفوقية كسائل عامل الباب أمام توليد الطاقة النابعة من الكربون، وإذا تم استخلاص ثاني أكسيد الكربون من مصادر صناعية ثم استخدامه في نظام لمركبات الكربون الكلورية فلورية، فإن جزءاً من هذا ثاني أكسيد الكربون سيُعادن أو يخزن بصورة دائمة في الخزان، ويمكن عندئذ استخدام الطاقة المنتجة لتوليد الطاقة الكهربائية وتوفير كهرباء صافية أو صافية الطاقة.
توحيد المعايير والتمويل المباشر
ومع أن المشاريع التجريبية تبين النجاح التقني، يمكن وضع معايير صناعية لمكونات النظم الإيكولوجية الحرجة، وتقليص التوحيد من تكاليف التصنيع وتيسير تأمين تمويل المشاريع، وقد تؤدي منتجات التأمين من مخاطر الحفر العميق واتفاقات شراء الطاقة مع ضمان الأسعار إلى التعجيل بالنشر، وقد أبرزت الوكالة الدولية للطاقة أنه مع استمرار الاستثمار في إدارة الطاقة المتجددة، يمكن أن توفر نسبة عالية من خدمات الكهرباء في العالم تبلغ 10 في المائة.
خاتمة
فالسوائل الخارقة لها أهمية أساسية في فتح قاعدة موارد حرارية جغرافية أكبر بكثير مما يمكن الوصول إليه من التكنولوجيات التقليدية، إذ أن نقلها الحرفي الأعلى، وتنقلها بالسوائل، وتعهد الكفاءة الحرارية لجعل النظم الحرارية الأرضية المعززة أكثر إنتاجية وتنافسا اقتصاديا، وفي حين أن التحديات الكبيرة لا تزال قائمة - ولا سيما في المواد، وحفر الأعماق، والإدارة البيئية - فإن المشاريع الجارية للبحث والتجربة في جميع أنحاء العالم تؤدي بشكل مطرد هذه التحديات إلى مشاكل هندسية.