ويستخدم توليد الطاقة الحرارية الأرضية الحرارة الداخلية التي يتسبب فيها الأرض لإنتاج الكهرباء النظيفة والموثوقة والتدفئة المباشرة، فخلافاً للشمس أو الرياح، توفر الطاقة الحرارية الأرضية إمدادات مستمرة من الطاقة الأساسية، مما يجعلها عنصراً حاسماً في حافظة الطاقة المتجددة المتنوعة، وبما أن العالم يعجل بتحولها بعيداً عن الوقود الأحفوري، فإن قطاع الطاقة الحرارية الأرضية يمر بفترة من الابتكار السريع، وطرائق الحفر الجديدة، والتشكيلات الهجينة، والآثار المترتبة على الإدارة.

آخر التطورات في مجال التكنولوجيا الحرارية الأرضية

وقد شهد العقد الماضي تحولاً في النموذج في تكنولوجيا الطاقة الحرارية الأرضية، حيث أصبحت النظم الحرارية المائية التقليدية التي تعتمد على جيوب المياه الساخنة أو البخارية التي تحدث بصورة طبيعية تكملها الآن نظم هندسية يمكن أن تستخرج الحرارة من التكوينات الصخرية الجافة العميقة، وهذه التطورات تفتح الباب أمام موارد حرارية جيولوجية واسعة النطاق كانت في وقت ما بعيدة اقتصادياً أو تقنياً عن الوصول إليها.

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

وقد انتقلت نظم الطاقة الحرارية الأرضية المعززة من مراحل تجريبية إلى مراحل تجارية، وتشمل هذه النظم حقن السائل إلى صخرة ساخنة غير قابلة للاشتعال في أعماق تتراوح بين 3 و 10 كيلومترات لخلق أو توسيع الكسور، مما يتيح توزيع المياه ونقلها إلى السطح، ويمكن نشر هذه التكنولوجيا في مواقع جغرافية كثيرة، وليس فقط في مناطق نشطة، وقد مولت الإدارة الأمريكية لتكنولوجيات الطاقة الحرارية الأرضية عدة تقنيات إيضاحية.

مصانع قوة المركبات الثنائية

وتستخدم مصانع الدورة الملزمة سوائل عمل ثانوية ذات درجة حرارة أقل من المياه - مثل الأيزوبينتين أو الأمونيا - لشن توربينات، مما يتيح توليد الكهرباء من موارد طبيعية متوسطة الأجل )١٠٠ درجة مئوية - ٠٨ درجة مئوية( كانت غير اقتصادية في السابق، كما أن تصميمات النباتات الثنائية الحديثة تتضمن مبادلات حرارية متقدمة ودورة رنكية عضوية في عام ٢٠١٥، تحقق تحسينات في الكفاءة.

صممت حزمة من الصواريخ المتطورة

وتوزع نظم الطاقة الحرارية الأرضية المغلقة سائلاً عاملاً من خلال الأنابيب المختومة في أعماق الأرض، مما يزيل الحاجة إلى خزان حراري طبيعي، ويتفادى هذا النهج استهلاك المياه وخطر فقدان السوائل، وتجعل الابتكارات في مجالات الحفر والتغطية بالأنابيب ذات الصبغة الجغرافية أكثر كفاءة من الناحية الحرارية، بالإضافة إلى أن التصميمات المتقدمة - مثل الآبار المتعددة الأطراف، وقطع الغيار الأخرى التي تقطعها المنطقة الغربية المتعددة.

Beyond the established advances, a set of transformative trends is reshaping the geothermal landscape. These trends reflect broader shifts in energy system digitalization, decentralization, and hybridization. Each trend carries specific environmental and operational implications.

تكنولوجيات الحفر العميقة وثبات الصخور الأرضية

وتدفع تكنولوجيات الحفر العميقة إلى حدود الطاقة الحرارية الأرضية إلى تكوينات صخور ضخمة تتجاوز فيها درجات الحرارة 375 درجة مئوية. وفي هذه الأعماق، تكون هذه التكنولوجيات ذات القدرة على إحداث صدى أكبر من 5 إلى 15 كيلومتراً - وهي مادة مجهزة بأجهزة الحفر الحرارية، وتنتج طاقة أكبر بمقدار 10 أضعاف من مصادر الطاقة الحرارية التقليدية.

النظم الهجينة المتجددة: الطاقة الحرارية الأرضية - الطاقة الشمسية - الطاقة الحرارية الأرضية - المياه الحرارية الأرضية -

(ب) النظم الهجينة التي تُستخدم فيها الطاقة الكهربائية الشمسية أو طاقة الرياح تكتسب مهانة، والأساس المنطقي لذلك: فالطاقة الشمسية والريحية متقطعة، بينما توفر الطاقة الحرارية الأرضية الثابتة والمرسلة، ويمكن لمصنع واحد أن يحقق عوامل قدرة أعلى وأن يقلل من الحاجة إلى تخزين الطاقة، وعلى سبيل المثال، فإن معامل الطاقة المتجددة (NREL)

استخبارات فنية وتعلم الآلات لإدارة الخزانات

ويمكن أن تؤدي عمليات الرصد والتحليل التلقائي إلى إحداث ثورة في إدارة الخزانات، كما أن أجهزة الاستشعار في الآبار تقيس درجة الحرارة والضغط وتركيزات التتبع والظواهر المناخية الميكروسية، كما أن خوارزميات التعلم الآتي يمكن أن تؤدي إلى الحد الأمثل من معدلات الاستخدام في الحقن والإنتاج، وتغيرات القدرة على التنبؤ، وصيانة الجدول الزمني، وعلى سبيل المثال، فإن المشغلين في ميدان أطباء الاضطرابات في كاليفورنيا قد استخدموا في معدل الإجهاد

Scale, Community-Based Geothermal Solutions

ولا يمكن نشر وحدات نموذجية صغيرة (1-10 ميغاواط) لتدفئة المناطق أو زراعة الدفيئة أو العمليات الصناعية في المجتمعات المحلية النائية، كما أن أيسلندا وكينيا ونيوزيلندا قد استولت على مشاريع صغيرة الحجم ذات تأثيرات كبيرة على الطاقة الحرارية الأرضية توفر الكهرباء والحرارة على حد سواء، وفي الولايات المتحدة، فإن هذه النماذج GeoV analysis([FL1])

مركبات الحرارة الأرضية وتوسيع الاستخدام المباشر

وتسمح المضخات الحرارية الأرضية ذات المصدر الأرضي (GSHP) بخفض درجة الحرارة الحرارية الأرضية العالية (الثانية) من حيث إن التداخل بين الطاقة الحرارية الأرضية (الثانية من العمر والدرجة الثانية من العمر) (الثانية الثانية من العمر) (الثانية الثانية من العمر) (الثانية)

الآثار البيئية للاتجاهات الحرارية الأرضية الناشئة

وتعتبر الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق واسع موردا منخفض الكربون ومتجددا، إذ تتراوح انبعاثات دورة الحياة النموذجية بين 15 و50 غراما من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط، وهو ترتيب يقل حجمه عن الغاز الطبيعي أو الفحم، غير أن كل اتجاه ناشئ يستحدث اعتبارات بيئية محددة يجب معالجتها من خلال التنظيم السليم والرصد وأفضل الممارسات.

Induced Seismicity and Subsurface Stability

إن أكثر المخاطر البيئية التي تنطوي عليها النظم الحرارية الأرضية تقدماً هي النزعة السيزمية المستحثة، وقد تؤدي السوائل التي تتعرض للضغط إلى حدوث زلازل صغيرة، كما لوحظ في مواقع النظم البيئية في سويسرا (باسل) وكوريا الجنوبية (بوهانغ)، كما أن غالبية هذه الأحداث صغيرة جداً بحيث لا يمكن الشعور بها (المستوى الثاني من العمر)، ولكن الأحداث الأكبر قد وقعت عندما تتداخل العمليات بين الأخطاء التي حدثت قبل الإجهاد الحقيقي الذي تتعرض له نظم الحركة.

استخدام المياه وإدارتها

ويتفاوت استهلاك المياه على نطاق واسع بسبب تكنولوجيا الحرارة الأرضية، إذ تستهلك النباتات الكهربائية التقليدية نحو 15 إلى 20 لتراً لكل كيلوواط من أجل تركيب برج التبريد، بينما يمكن لمصانع الدورة الثنائية أن تعمل بتبريد المياه المغلقة والحد الأدنى من فقدان المياه، وتحتاج نظم الحرارة الأرضية المعززة إلى مياه كبيرة لتحفيز خزانات المياه، وهي عادة ما تُعالج 000 10 متر مكعب.

استغلال الأراضي واضطرابات السطح

وتشغل محطات الطاقة الحرارية الأرضية حوالي ٥-١٠ هكتارات لكل ميغاواط، بما في ذلك الآبار والطرقات والأنابيب - أقل بكثير من المزارع الشمسية )٢٠-٤٠ هكتار/ميغاواط( أو التربينات الريحية )٣٠-٦٠ هكتار/ميغاواط( عند حساب المباعدة بين فترات زمنية محددة، غير أن طرق الحفر والطرق المؤدية إلى التفتيت يمكن أن تؤدي إلى تفتيت الموائل، ولا سيما في حقول الحراري الأرضي.

الانبعاثات الجوية والثدييات السامة

وفي حين أن النباتات الحرارية الأرضية تنبعث من ثاني أكسيد الكبريت غير القابل للذوبان (SO2) وثمرة النيتروجين مقارنة بالفحم، فإن بعض الخزانات الحرارية الأرضية تحتوي على غازات غير قابلة للتكثيف مثل كبريت الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والأمونيا، كما أن النباتات الثنائية الحديثة يمكن أن تلتقط وتعيد ضخ ثاني أكسيد الكربون، وتخفض الانبعاثات إلى الصفر.

دورة الحياة انبعاثات غازات الدفيئة

(أ) [تبين تحليلات دورة الحياة الشاملة أن الطاقة الحرارية الأرضية تنبعث من 15 إلى 75 غراماً من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط، وقد تأتي الغالبية من حفر الآبار (السلف، الصلب) وتشييد النباتات، وتخفض الاتجاهات الناشئة هذه الأرقام: فالحفر المتقدم يقلل من عدد الآبار اللازمة، ونظم الحفر المغلقة تزيل الانبعاثات الهاربة، وتزيد التصميمات الهجينة من إنتاج الطاقة الكهربائية لكل وحدة من الهياكل الأساسية.

الاعتبارات التنظيمية والسياساتية

ومن الضروري أن تُعزز السياسات الداعمة الفوائد البيئية للاتجاهات الحرارية الأرضية الناشئة، وقد استحدثت عدة بلدان برامج للتخفيف من المخاطر تشمل تكاليف حفر الاستكشاف، وتسريع تطوير المشاريع، وتسمح الولايات المتحدة بإطار العمل الخاص بالحزم الحرارية الأرضية، بينما يكفل برنامج الاتحاد الأوروبي المتعلق بتقاسم الأموال من أجل سحبها إلى نظم الحرارة الأرضية ونظم الأحجام المغلقة، كما أن تقييمات الأثر البيئي إلزامية لجميع المشاريع الجديدة، كما أن نماذج الإدارة الذاتية تتطور مبادئ توجيهية بشأن الفوائد

خاتمة

إن الاتجاهات الناشئة في توليد الطاقة الحرارية الأرضية - نظم الطاقة الحرارية الأرضية المعززة، وحفر الصخور فوق الحجارة، والنباتات المتجددة الهجينة، وإدارة الخزانات التي يقودها المعهد الدولي للطاقة، والحلول المجتمعية - تزيد بشكل كبير من توافر الطاقة الحرارية الأرضية وقدرتها على المنافسة، وكل اتجاه يؤدي مبادلات بيئية محددة: إن مخاطر الزلازل المستحثة تتطلب رصدا قويا، وتتطلب إدارة دقيقة للموارد، ويجب التقليل من استخدام الأراضي.