Table of Contents
The promise of Deep Geothermal Energy
إن استخراج الطاقة الحرارية الأرضية العميقة يتطور بسرعة إلى حجر الزاوية في استراتيجية الطاقة المتجددة، فخلافاً للشمس والريح، توفر الطاقة الحرارية الأرضية إمدادات ثابتة من الكهرباء ذات الحمولة الأساسية مستقلة عن الظروف الجوية، وتحتوي داخل الأرض على خزان حراري لا حدود له أساساً، ولكن الوصول إليها اقتصادياً ومأموناً قد يقتصر تاريخياً على استخدام الطاقة الحرارية الضحلة، التي يمكن أن تكون ذات طابع طبيعي،
Understanding Geothermal Energy at Depth
وتزداد درجة حرارة الأرض بعمق يتراوح بين 25 و30 درجة مئوية لكل كيلومتر، مما يعني أن درجات الحرارة عند 10 كيلومترات يمكن أن تتجاوز 300 درجة مئوية، وتستهدف الطاقة الحرارية الأرضية العميقة تشكيلات الصخور الساخنة على بعد عدة كيلومترات دون السطح، وتعتمد النظم الحرارية المائية التقليدية على الكسور الطبيعية وتداول المياه لجلب الحرارة إلى السطح، ولكن معظم الصخور الساخنة العميقة هي هدف الديدان وقابلية للاختراق.
حدود الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية
وتقتصر النباتات الحرارية الأرضية الكلاسيكية على المناطق النشطة التي تكتنفها الكثافة مثل أيسلندا والفلبين وغرب الولايات المتحدة حيث ترتفع المياه الساخنة أو البخار بشكل طبيعي من خلال الصخرة القابلة للدماغ، وهذه الموارد محدودة وغالبا ما تستنفد على مدى عقود، وتسعى الطاقة الحرارية الأرضية العميقة إلى التغلب على هذه القيود الجغرافية والجيولوجية من خلال الخزانات الصناعية في صخور السرداب الكريستالية الساخنة، وقاعدة الموارد المحتملة هي أوامر ذات حجم أكبر من الاحتياطات التقليدية.
Enhanced Geothermal Systems (EGS)
إن النظم الحرارية الأرضية المعززة، التي كثيرا ما تسمى النظم الحرارية الأرضية المصممة، هي أكثر التقنيات الحرارية الأرضية بحثا، ويشمل المفهوم الأساسي حفر بئر في الصخور الساخنة، المنخفضة القدرة على الدوام، ومياه الحقن في ضغط مرتفع لكسر الصخرة بصورة هائية، وإنشاء شبكة من الشقوق المتشابكة، ثم حفر بئر ثان لتداخل هذه الكسور المغلقة وإنتاج المياه المهددة.
كيف يعمل EGS
وفي مشروع نموذجي لنظم الطاقة الكهربائية، يتم حفر بئر الحقن إلى عمق يتراوح بين ٤ و ٦ كيلومترات، وتضخ المياه في ضغط يكفي لقطع الصخرة وخلق الكسور، وترصد هذه العملية بعناية باستخدام أجهزة استشعار ميكروسية لكسر الخرائط، وعندما يتم إنشاء منطقة خزانات، يتم حفر بئر إنتاج، وتعمم المياه الباردة من خلال الصخور الساخنة، وترتفع الحرارة إلى أعلى وتعود.
مشاريع ونتائج استراتيجية التمويل الرئيسية
The U.S. Department of Energy] has funded several major EGS demonstration projects. ]FORGE initiative in Utah is a dedicated field laboratory for EGS development. In Europe, the Soultz-sous-Forêts project in France successfully demonstrated EGS in the 2000s,
التخريب التالي: ما بعد التكتلات الهيدروليكية
ويستكشف الباحثون بدائل للكسر الهيدروليكي التقليدي للتخفيف من مخاطر الزلازل، وتشمل هذه البدائل الكسور الحراري (التبريد الحاد)، والحفز الكيميائي (التحريض الصخري الخ) وكسر الطاقة الوبائية (التصريف الإلكتروني)، وتستعمل بعض المشاريع عوامل الإنتاج الفوقية للحفاظ على فتح الكسور دون ضغط هائل، بالإضافة إلى أن البحث في إنتاج الغازات الخماسية يتجاوز درجة الحرارة 374 درجة مئوية.
تكنولوجيات الحفر العميق المتقدمة
وتمثل تكاليف الحفر ما يصل إلى 50 في المائة من مجموع النفقات الرأسمالية لمصنع حراري عميق، وتكتسي الابتكارات في الحفر أهمية حاسمة في تخفيض التكاليف وتمكين الوصول إلى موارد أكثر عمقا وأكثر حرارة.
تصميمات ومواد جديدة من نوع " درايل بيت "
وترتدي قطع صغيرة من الدراجات التقليدية بسرعة في الغرانيت الصلبة ذات الحرارة العالية بعمق، وقد أصبحت قطع من الموصلات المتطورة للماس ذات الصبغة الأرضية الآن معيارا للحرارة العميقة، كما أن الشركات تختبر حفر الليزر الذي يستخدم الشعاعات العالية الطاقة لاستنشاق الصخرة، وحفر الموجات المليمترية، التي يمكن أن تقلل من سرعة الحفر في الصخور.
النظم القابلة للتداول والتدخيل المباشر
وتتيح نظم التحكم بالطرق البرية الملاحة الدقيقة للقطعة المثقبة بينما تدور سلسلة الحفر بأكملها، وتحسن الدقة، وتخفض الانحراف عن الثقوب، وهذا أمر أساسي للوصول إلى مناطق محددة الهدف في الجيولوجيا المعقدة، كما أن الحفر المباشر يتيح أيضاً تقسيم الآبار العمودية المتعددة الأطراف إلى فروع أفقية متعددة، مما يزيد من مساحة سطح التبادل الحراري.
إمكانية التحلل من المسامير
ويستخدم حفر الشواذ الضغط الحراري لكسر الصخور إلى شظايا صغيرة، كما أن اللهب أو البلازما ذو الزمان العالي موجهان إلى وجه الصخرة، مما يسبب تمزقاً حاداً دون أن يحتاج إلى قطع ميكانيكية، وهذه الطريقة واعدة للغاية بالنسبة للصخور الصلبة والفظة التي عثر عليها بعمق، كما أنها توفر آلية طبيعية لتنظيف الثقب، وتجرى البحوث في عدة جامعات ومختبرات وطنية.
تقنيات محاكاة الخزانات
ولا تقتصر أساليب التحفيز على الكسور الهيدروليكي، بل تهدف عدة طرق إلى تعزيز الكسور القائمة دون إثارة أحداث سيزمية كبيرة.
المحاكاة الحرارية
إن تداول المياه الباردة عبر الصخور الساخنة يؤدي إلى إجهاد حراري كبير، يمكن أن يخلق أو يوسع رقائق الجراثيم، وهذا النهج أكثر لطفا من التحفيز الهيدرولي ويمكن تطبيقه مرارا، وقد أثبت مشروع فانتون هيل في الولايات المتحدة أن المحاكاة الحرارية يمكن أن تزيد من الحقن بمرور الوقت.
المحاكاة الكيميائية
ويمكن لأحفاد الحقن (مثل الهيدروكلوري أو الهيدرولوفلوريك) أن تحل المعادن في الصخرة، وأن تفتح أمواج الكسور القائمة وتخلق مسارات تدفقية، وهذه الطريقة فعالة بشكل خاص في صخور الكربون، ولكن يلزم إجراء إدارة دقيقة لمنع الآثار البيئية، وكثيرا ما يستخدم المحاكاة الكيميائية بالاقتران مع الأساليب الهيدروليكية أو الحرارية.
التكتلات المتفجرة والمتفجرة
ويمكن أن يؤدي الاستخدام المتحكم فيه للمدافعين أو الرسوم المتفجرة الصغيرة إلى حدوث كسور شاسعة دون طاقة سيزمية ضخمة، وقد تم اختبار هذه التقنية في صناعة النفط ويجري تكييفها من أجل الطاقة الحرارية الأرضية، وهي توفر وسيلة لخلق قابلية شبه للتحمل دون تحفيز الكسور الهيدروليكي على نطاق واسع.
نظم الطاقة الحرارية الأرضية العميقة المغلقة
وثمة نهج جديد آخر هو نظام الحرارة الأرضية المغلق، حيث يعمم سائل عامل من خلال أنابيب مختومة مدفونة في أعماق الصخرة الساخنة، ولا يتصل بالصخرة مباشرة أبدا، مما يزيل الحاجة إلى كسر وتفادي مسائل مثل فقدان المياه، والارتفاع بالمعادن، والسيزمية المستحثة، ويتصرف الأنابيب كمبادل حرارية، ويستخرج الحرارة من الصخرة المحيطة.
وقد قامت شركات مثل Eavor Technologies] بدور رائد في هذا المفهوم مع نظام Eavor-Loop، وهو نظام من الآبار العمودية العميقة المرتبطة بالأقسام الأفقية، ويخضع سائل العمل لتأثيرات حرارية، وقد تكون الطاقة الحرارية في كل بئر أقل من تلك التي بنيت في نظام تبادل المعلومات البيئية نظراً إلى أن النقل الحرفي قد يكون أقل بكثير.
الحرارة الأرضية الخارقة والفوق الحرجة
وقد يزيد الضغط ودرجة الحرارة ارتفاعاً كافياً بحيث تصل المياه إلى حالة حرجة خارقة (فوق 374 درجة مئوية و221 درجة مئوية) وتنتج المياه الشديدة الأهمية في خصائص نقل الحرارة بشكل استثنائي ويمكن أن تحمل طاقة حرارية تزيد بمقدار 10 أضعاف عن البخار.
التحديات التي تواجه الحرارة الأرضية الخارقة
فالحفر في ظروف خارقة للذوبان أمر صعب للغاية بسبب درجات الحرارة الشديدة التي تدمر الإلكترونيات وقطع الحفر المتدهورة، كما أن المواد المتقدمة مثل السواحل العالية التمرين، وأجهزة التغليف السهري، وسلاسل الحفر المزروعة، علاوة على أن الطبيعة التآكلية والتفاعلية للسوائل الخارقة تشكل تحديات كبيرة أمام إنجاز المعدات الطموحة في محطات توليد الطاقة.
Airborne and Electromagnetic Geothermal Exploration
وفي حين أن أساليب الاستكشاف الناشئة ليست تقنية استخراج في حد ذاتها، فإنها حاسمة لتحديد أفضل أهداف الحفر الحرارية الأرضية العميقة، حيث تستخدم الدراسات الاستقصائية للكهرباء المغنطيسيين بالطائرات المروحية أجهزة الاستشعار التي تعمل بالطائرات العمودية لرسم خرائط المقاومة الكهربائية لأعماق عدة كيلومترات، كما أن المياه الجوفية السالينية شديدة السلوك، مما يجعل حركة الطاقة الكهربائية أداة ممتازة لتحديد مواقع أجهزة قياس الحرارة الأرضية.
الاعتبارات البيئية والاجتماعية
ويجب أن يعالج التوسع في الطاقة الحرارية الأرضية العميقة الشواغل البيئية، فالزلزال المسبب للزلازل هو أهم مسألة، لا سيما مع التحفيز الهيدروليكي، ومعظم الأحداث هي الزلازلية المتناثرة وغير المشعرة، ولكن الأحداث الأكبر حدثت (مثل الزلزال الذي وقع في عام 2017 بوهانغ في كوريا الجنوبية، والذي كان مرتبطا بمشروع لنظم الإيغ إس)، وتشمل الأطر التنظيمية ونظم الضوضاء على حركة المرور، ومخاطر التلوث بالمستودعات.
وتبين تقييمات دورة الحياة أن الطاقة الحرارية الأرضية من بين أقل البصمات الكربونية لأي مصدر من مصادر الكهرباء، أي نحو 50 غرام من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط بالنسبة لجهاز EGS (بما في ذلك التشييد)، وبالمقارنة، فإن الطاقة الشمسية تُنقّط نحو 40 غراماً، والريح 10 غرام.
التوقعات الاقتصادية والسوقية
وفي الوقت الراهن، تبلغ تكلفة الكهرباء المرتدة حسب المستوى بالنسبة للحرارة الأرضية التقليدية نحو 50 إلى 100 دولار/ميغاواط، أما بالنسبة لنظم الطاقة الكهربائية، فترتفع التكاليف حالياً إلى 100 دولار/200 دولار/ميغاواط - ولكن من المتوقع أن تهبط إلى 50-70 دولاراً/ساعة مع التعلم والحجم.
التمويل الابتكاري والحد من المخاطر
والعقبة الرئيسية التي تحول دون الانتشار هي عدم وجود قدر من المخاطر الجيولوجية في الموقع يمكن أن يضمن وجود تحسن منتج، كما أن الصكوك المالية الجديدة آخذة في الظهور، مثل التأمين ضد مخاطر الحفر والشراكات بين القطاعين العام والخاص التي تتقاسم التكاليف الأولية، وقد مول برنامج الاتحاد الأوروبي الخاص بهريزون لعام 2020 عدة نماذج ذات حرارة جغرافية عميقة، كما يجري استخدام سندات التمويل التراكمي والسندات الخضراء في المشاريع المجتمعية، ولا يزال الحد من التكاليف هو العائق الوحيد الذي يُدر للقدرة على المنافسة الاقتصادية.
دراسات حالة عن مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية العميقة الناشئة
Utah FORGE (USA)
والمرصد الأمامي للبحوث في الطاقة الحرارية الأرضية بالقرب من ميلفورد، أوتاه، هو مختبر ميداني تموله وزارة الطاقة في الولايات المتحدة، وقد نجح في حفز منطقة كبيرة من مناطق القدرة على تحمل الطاقة تبلغ عمق 3.5 كيلومترا، وأثبت أن النظام العالمي للطاقة يمكن نشره في حجم من الغرانيت الساخن، ويخطط الموقع الآن لمصنع متعدد المستويات التجارية.
إيفور - لووب (كندا/ألمانيا)
ويضم موقع إيفور للعرض الأول في ألبرتا، كندا، نظاما مغلقا عميقا على بعد ٥ كيلومترات بدأ العمل فيه في عام ٢٠٢٣، ويقومون ببناء مشروع أكبر في جيرتسريد، ألمانيا، يجمع بين تقنيات حفر النفط والغاز وتكنولوجيا تبادل الحرارة، وتدعي الشركة أن شركة LCOE التابعة لها يمكن أن تضاهي الغاز الطبيعي بحلول عام ٢٠٢٥.
أيسلندا مشروع الحفر العميق
وقد حفر اتحاد المشردين داخلياً عدة آبار خارقة الأهمية، حيث صادفت درجة حرارة من الناتج المحلي الإجمالي 2 في ريخانز 426 درجة مئوية بعمق 4.6 كيلومتراً، ويدرس المشروع جدوى استخدام السوائل الخارقة مباشرة، ومن الشركاء أيسلندا والولايات المتحدة ومنظمات بحث تابعة للاتحاد الأوروبي.
United Downs Deep Geothermal Project (UK)
وقد حفر هذا المشروع في كورنوال بعمق 5.2 كيلومتراً وحقن قدره 2.3 كيلومتراً في الغرانيت الساخن، وهو يستخدم المحاكاة المائية لخلق القدرة على التحمل والغايات 3 ميغاواط من الطاقة و10 ميغاواط من الحرارة، وهو أول مصنع حراري في المملكة المتحدة يهدف إلى إظهار القدرة على البقاء تجارياً للنظم المهدرة للجرانيت.
توجيهات البحوث المستقبلية
وتركز البحوث الجارية على عدة جبهات: تطوير مكونات إلكترونية عالية التمرين يمكن أن تعمل فوق ٢٥٠ درجة مئوية لرصد الثقوب؛ وتحسين نماذج الخزانات مع تعلم الأجهزة الآلات للتنبؤ بنمو الكسور؛ واختبار تكنولوجيات الحفر الجديدة مثل البلازما والموجات الدقيقة؛ واستكشاف الإنتاج المشترك لليثيوم وغير ذلك من المعادن الحرجة من الألوان الحرارية الأرضية.
خاتمة
ويشهد استخراج الطاقة الحرارية الأرضية العميقة تحولاً، بينما ما زالت التحديات في التكلفة والمخاطر والأثر البيئي قائمة، والجمع بين الاستثمار العام والابتكار الخاص، والحاجة الملحة إلى المناخ، وإذا ما بلغت هذه التقنيات الناشئة مرحلة النضج، فإن الطاقة الحرارية الأرضية العميقة يمكن أن توفر مصادر طاقة ثابتة وموثوقة وواسعة النطاق، فإن الجمع بين الاستثمار العام والابتكار الخاص والاحتياجات المناخية العاجلة يؤدي إلى إحراز تقدم.
- Enhanced Geothermal Systems (EGS)] create artificial reservoirs in hot dry rock through hydraulic, thermal, or chemical stimulation.
- Advanced drilling] technologies reduce costs and enable access to depths beyond 10 km.
- ] Closed-loop systems] provide a low-risk alternative without fracturing.
- Superhot geothermal] promises enormous power density but requires extreme materials.
- Global projects] from Utah to Iceland are demonstrate technical feasibility.
- Economic viable] is improving with innovation and policy support.
إن الحرارة الأرضية العميقة ليست حقيقة بعيدة المنال، بل هي حقيقة آخذة في الاتساع، فمع مواصلة البحث والاستثمار، ستساعد هذه التقنيات الناشئة على فتح كامل إمكانات حرارة الأرض، مما يشكل مستقبلا للطاقة المستدامة.