الابتكارات في إعادة تدوير النفايات الحرارية الأرضية والتقليل من النفايات

تطور إدارة الثلوج الحرارية الأرضية

إن الطاقة الحرارية الأرضية تمثل أحد أكثر الموارد المتجددة اتساقاً وقلة الكربون، القادرة على توفير الطاقة الأساسية والتدفئة المباشرة بأقل قدر من الانبعاثات في الغلاف الجوي، غير أن قابلية المشاريع الحرارية الأرضية للبقاء في الأجل الطويل تتوقف على الإدارة الفعالة للسوائل التي توزع من خلال خزانات المياه الجوفية والمعدات السطحية، وتنتج عن هذه المواد التي تستهلك كميات كبيرة من المواد الخطرة من المواد المعدنية المهجورة، والغازات، والابتكارات ذات النفايات

وتستكشف هذه المادة آخر التطورات في مجال التداول المغلقة، والفصل الحراري، والعلاج الكيميائي، وتبخير النفايات الصلبة التي تعيد تشكيل الصناعة، كما تدرس المكاسب البيئية والاقتصادية التي تُحققها هذه التكنولوجيات، وتتطلع إلى الاتجاهات الناشئة التي يمكن أن تزيد من تخفيض آثار الطاقة الحرارية الأرضية والتدفئة.

Understanding Geothermal Fluids and their Challenges

إن السوائل الحرارية الأرضية منشأها من الخزانات الطبيعية حيث تسخن المياه بالحرارة الداخلية للأرض، وفي النظم المائية التقليدية، يتم استخراج المياه الساخنة أو البخار بواسطة آبار الإنتاج، وتمر عبر التوربينات أو مبادلات الحرارة، ثم تعاد ضخ الأنابيب عن طريق الآبار الحقنة للحفاظ على ضغط الخزان، وتتفاوت التركيبة الكيميائية لهذه المواد الكلورية تبعاً للطب الجيولوجي.

ومن الناحية التاريخية، تم التخلص من جزء من السوائل المنتجة كهدر بعد استخدامها، إما عن طريق التصريف السطحي (بمعاملة صارمة) أو عن طريق الحقن العميق، وكلا النهجين يعرضان المخاطر البيئية: فالتصريف السطحي يمكن أن يلوث أجسام المياه، وقد يؤدي الحقن إلى حدوث زلزال مستحث، وعلاوة على ذلك، تعتمد الصناعة على كميات كبيرة من المياه المكيَّفة للتعويض عن فقدان السوائل في التبخر أو النسيج أو عدم اكتمال النبات.

دال - التقدم المحرز في تكنولوجيات إعادة تدوير الذوبان

وتهدف نظم إعادة التدوير الحديثة إلى الحفاظ على قدر الإمكان من السوائل في إطار الحلقة التنفيذية، مما يقلل من كمية المياه العذبة وحجم النفايات، وتبرز تقنيتان: نظم التداول بالطرق المغلقة ووحدات الفصل الحراري والتنقية، ويمكن إعادة تصميم هذه النظم في النباتات القائمة أو دمجها في تصميمات جديدة.

نظم مغلقة

أما النظم الحرارية الأرضية المغلقة فهي ليست جديدة تماماً - فقد استخدمت في تطبيقات مضخات الحرارة الأرضية لعدة عقود - ولكن الابتكارات الأخيرة جعلتها ممكنة بالنسبة للمستودعات الحرارية الأرضية التي تستخدم الطاقة الكهربائية - في شكل مقفل - سائل العمل (التي غالباً ما تكون مسودة نقل حراري أو ثاني أكسيد الكربون الخارق) توزع في شبكة من الأنابيب المختومة التي تمتد إلى سطح سطح الأرض الساخن.

وتشمل أوجه التقدم الرئيسية تطوير مواد الأنابيب العالية الحرارة والمقاومة للتآكل مثل السوائل المتخصصة والبوليميرات المتقدمة، فضلاً عن تكنولوجيات الإغلاق القوية التي يمكن أن تصمد أمام الضغوط الشديدة على الكول والدوائر الحرارية، وتُنتج شركات مثل Evor وهي تمثل حلولاً رائدة للأخطار المغلقة (e).

وتشير البيانات التشغيلية من المشاريع التجريبية إلى أن نظم التشغيل المغلقة يمكن أن تحسن أيضا معدلات الخفض الحراري وأن تمدد الحياة الاقتصادية لمورد حراري، ولأن سائل العمل يعاد تدويره إلى أجل غير مسمى، فإن المدخلات الخارجية الوحيدة اللازمة هي زيادة التسرب الطفيفة بصورة دورية، وهذا النهج المغلقة يمثل تحولا في النموذج من استخراج الموارد إلى التعدين الحراري، مع وجود آثار بيئية أقل بكثير.

الفصل الحراري والتجديد

وبالنسبة للنباتات الحرارية المائية المفتوحة، فإن تكنولوجيات الفصل الحراري توفر وسيلة لتنظيف السوائل المستخدمة لإعادة الحقن أو إعادة الاستخدام، وتعتمد المعالجة التقليدية على التهطال الكيميائي، والهدر، وتبادل الأسيون، التي يمكن أن تكون باهظة التكلفة وتولد مجاري النفايات الثانوية، ويستخدم الفصل الحراري الحرارة المتأصلة لسوائل الحرارة الأرضية لدفع عمليات التبخير أو الانتكاس التي تركز أو تزيل الاضطرابات.

One promising method is membrane distillation[FLT:] (MD), where a hydrophobic membrane allows water vapor to pass while retaining dissolved solids. The latent heatbization is supplied by the geothermal liquid itself, making MD an energy-efficient process.

كما يتيح الفصل الحراري إنتاج المياه العذبة من الرنين الحراري الأرضي - منتج ثانوي قيم في مناطق نسر المياه، وفي وادي كاليفورنيا الإمبراطوري، ، أدمجت محطة للحرارة الأرضية وحدة تحلية حرارية تنتج ما يصل إلى 000 500 غالون من المياه النظيفة في اليوم، وتستخدم في توليد النفايات والري.

وتشتمل تكنولوجيات التنقية الناشئة على electrodialysis reversal) و على تضخم حراري (FO) وتستخدم مادة السحب الكهربائي في دفع الأشعة فوق البنفسجية عن طريق الدمج الانتقائي، مع التركيز على الرنين التقريبي في الوقت الذي ينتج فيه مجرىاً ملوثاً.

استراتيجيات الحد من النفايات

وحتى مع إعادة التدوير الأمثل، تنتج النباتات الحرارية الأرضية مسارات نفايات لا يمكن تجنبها: الإنهيار من أبراج التبريد، وبطاقات صلبة (الجداول)، وكعكات تصفية من معالجة الرشوة، والغازات غير القابلة للتكثيف مثل ثاني أكسيد الكربون، وهكسيد الكربون، والزئبق اللاحق، ويُعد تقليل حجم هذه النفايات وخطرها أمراً حاسماً للامتثال التنظيمي وقبول المجتمع.

المعالجة الكيميائية والإضافات

كما أن التصعيد والترابط هما أكثر التهديدات إلحاحاً لمناولة السوائل الحرارية الأرضية، إذ أن المعالجة الكيميائية التقليدية - الحقن المكفول، والمضادات، ومحتويات التآكل - يمكن أن تكون فعالة ولكن كثيراً ما تستحدث شواغل بيئية خاصة بها ويمكن أن تكون باهظة التكلفة، وتركز الابتكارات الأخيرة على الإضافات ذات الصبغة الكيميائية [Fgrade]

(ب) إن عمليات المعالجة الكيميائية المتقدمة تتجاوز الجرعات المضافة لتحايد المكونات الخطرة بصورة نشطة، ويتمثل أحد النهجين في ] [تمتد المادة 3 من المادة 5] من مادة سلفيد الهيدروجين باستخدام أكسيد الهيدروجين أو الأوزون، وتحويل الهيدروجين إلى كبريت أو كبريتات سمية.

إدارة النفايات الصلبة

وتشمل النفايات الصلبة من العمليات الحرارية الأرضية الجداول المعجلة (السيليكا، وكربونات الكالسيوم، والكبريتيدات المعدنية)، ووسائط التصفية المستنفدة، والحمأة من معالجة المياه، ومن الناحية التاريخية، تم تصفية هذه النفايات أو التخلص منها في بعض الحالات في آبار الحقن، وتؤكد النُهج الجديدة [(FLT:0]) على استرداد المواد [FLT:T:] [التخلص من النفايات]

Silica, which often constitutes the bulk of scale deposits, can be harvested and processed into high-value products such as precipitated silica brindi

(أ) استخدام وسائل مبتكرة لتصميم النفايات، يمكن تنظيفها وإعادة استخدامها، بدلاً من التخلص منها بعد استخدام واحد، مثلاً، يمكن لمرشحات النسيج السماوي أن تصمد أمام التنظيف والتنظيف الحراري، بحيث تمتد فترة استخدامها من أشهر إلى سنوات.

المنافع البيئية والاقتصادية

ومن الناحية البيئية، تؤدي عمليات إعادة تدوير السوائل المتقدمة إلى خفض كبير في عمليات سحب المياه - وهو شاغل رئيسي في المناطق المعرضة للجفاف، ويمكن أن تحقق نظم الغلق تقريباً استهلاكاً من المياه، بينما يمكن لوحدات الفصل الحراري أن تقطع احتياجات المياه المتكونة بنسبة 80-95 في المائة، كما أن استراتيجيات الحد من النفايات الصلبة التي ترسل إلى مدافن القمامة بما يصل إلى 70 في المائة، وتخفض من سمية مصانع المعالجة الكيميائية().

ومن الناحية الاقتصادية، فإن الفوائد تكون باهظة بنفس القدر، إذ يترجم انخفاض استهلاك المياه إلى انخفاض تكاليف شراء المياه وعلاجها، مما يمكن أن يمثل ما يصل إلى 15 في المائة من مصروفات التشغيل في بعض الميادين، وتقضي نظم الغلق على الحاجة إلى التحفيز الدقيق المكلّف وإصلاح الحجم، بينما يمكن للوحدات الفصلية الحرارية أن توسّع فترات أطول بين توقف الصيانة، كما أن إنتاج النفايات من المعادن المستخرجة إلى 20 ماء نقي، أو تدرّاً، أو تدرّاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً إضافياً.

وقدرت دراسة أجريت في عام 2023 من قبل [الرابطة الدولية للطاقة الحرارية الأرضية ] أن الاعتماد الواسع النطاق لتكنولوجيات إعادة تدوير النفايات والتقليل من النفايات يمكن أن يقلل من مستوى تكلفة الكهرباء من الطاقة الحرارية الأرضية بنسبة 10-3 في المائة، مما يجعلها قادرة على المنافسة مع الغاز الطبيعي والريح في العديد من الأسواق، وتقترن بالحوافز الضريبية وأرصدة الطاقة المتجددة، فإن هذه التخفيضات في التكاليف تعجل الاستثمار في مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية الجديدة.

دراسات حالة في مجال الابتكار

وهناك عدة مشاريع في جميع أنحاء العالم تجسد التنفيذ الناجح لهذه التكنولوجيات.

آيسلندا: لاغوون الأزرق وما بعده

مصنع (بلو لاغوون) للحرارة الأرضية في (آيسلندا) هو مثال على تزييف النفايات، يستخدم النبات سوائل من حقل (سفارتسنغي) الحراري الجيوائي، الذي غني في (سيليكا) والطحالب والمعادن، بدلاً من التخلص من الرنين المستنفد، طورت الشركة عملية لاستخراج وتنقيح هذه المكونات إلى منتجات رعاية جلدية تباع على الصعيد العالمي، كما ينتج هذا المشروع الماء النظيفاً للاستخدام المحلي.

الولايات المتحدة: إنتاج مياه الوادي الامبراطوري

وفي وادي كاليفورنيا الإمبراطوري، تعاونت محطة توليد الطاقة في الربيع (Hber Spring Power Plant:]) مع إدارة الطاقة لتمجيد استخدام نظام إمبراطورية مائية مجاورة في 10 MW ثنائي، حيث حقق النظام معدلاً لاسترداد كميات المياه من 90% من الواردات الزراعية.

نيوزيلندا: نجاح العلاج الكيميائي

وفي Wairakei Geothermal Field]، واجه المشغلون ارتفاعاً حاداً في الحرير، يتطلب تنظيفاً نصف أسبوعياً لمبادلات الحرارة، حيث تحولوا إلى معضادات متعددة القطاعات قابلة للتحلل البيولوجي، قللوا فترات التنظيف إلى مرة كل ستة أشهر، وخفضوا التكاليف الكيميائية بنسبة 40 في المائة، وأزالوا نسبة تصريف المواد الفوسفونية السامة إلى تحسين عمليات إزالة النفايات.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

وتتجه صناعة الطاقة الحرارية الأرضية إلى إحراز مزيد من التقدم. Machine learning and AI] يجري استخدامهما للتنبؤ بالأحداث المتعلقة بالتوسيع والتآكل في الوقت الحقيقي، مما يتيح للمشغلين القيام على الوجه الأمثل بإعادة تدوير المواد الكيميائية وتدفق السوائل قبل حدوث الضرر. Advanced sensivity

وثمة حدود أخرى تتمثل في دمج إعادة تدوير السوائل الحرارية الأرضية مع ] احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه ، أما الغازات غير القابلة للتكثيف من النظم الحرارية الأرضية - وبخاصة ثاني أكسيد الكربون وه2 - يمكن استخلاصها باستخدام فصل الخيوط أو تطهيرها من الأمفيتامينات، مع تحويل مشروعات إنتاج ثاني أكسيد الكربون أو استخدامه في تحسين استعادة النفط.

غير أنه لا تزال هناك تحديات، إذ أن ارتفاع تكلفة رأس المال لنظم إعادة التدوير والعلاج المتقدمة يمكن أن يشكل حاجزاً، لا سيما بالنسبة للمصانع الصغيرة أو المطورين في الأسواق الناشئة، ولا تزال الأطر التنظيمية لاستخراج المعادن من الرنين الحراري الجيولوجي آخذة في التطور، وقد تواجه بعض المواد الكيميائية المستخدمة في المعالجة المتخصصة قيوداً، وعلاوة على ذلك، يجب أن يُصمَّم إدماج هذه التكنولوجيات بحيث يُصمَّم حسب الموقع، مما يتطلب هندسة واختباراً كبيراً، والاستثمار في البحوث ومشاريع العروض الإيضائية، والعقبات السياساتية.

ومع ذلك، فإن الاتجاه واضح: فالابتكارات في إعادة تدوير السوائل والتقليل من النفايات تتحول الطاقة الحرارية الأرضية من مورد مائي نسبيا إلى خيار أكثر استدامة وكفاءة وجذبا اقتصاديا، وبخفض استهلاك المياه، وتقليل النفايات إلى أدنى حد، وخلق مسارات جديدة للإيرادات، فإن هذه التكنولوجيات تعزز حالة الطاقة الحرارية الأرضية باعتبارها حجر الزاوية في التحول العالمي للطاقة النظيفة.