تحليل برنامج دورة الحياة للكربون المشبع بالفلور

Introduction: The Real Climate Cost of Geothermal Energy

وكثيراً ما تُسوَّق الطاقة الحرارية الأرضية كأحد الموارد المتجددة النظيفة التي تُشغل بالنهار والليل بغض النظر عن الطقس، ولكن لا يوجد مصدر للطاقة حقاً أثر صفري، ولا يمكن أن تحدد البصمة البيئية لمشروع الطاقة الحرارية الأرضية إلا قبل فترة طويلة من إنشاء أول كيلوواط ساعة، وتمتد سنوات بعد تقاعد المصنع، ويستلزم فهم الصورة الكاملة تقييماً لأشعة الكربون على مدى الحياة.

وفي حين أن الانبعاثات التشغيلية منخفضة بشكل مشهور، فإن تكلفة الكربون الأمامية التي تتكبدها الحفر في أعماق قشرة الأرض يمكن أن تكون كبيرة، وهذه المادة تسير في كل مرحلة من مراحل مشروع الطاقة الحرارية الأرضية، وتحدد العوامل التي تدفع الانبعاثات، وتضع علامات قياسية على الطاقة الحرارية الأرضية من الوقود الأحفوري وغيره من مصادر الطاقة المتجددة، وتستكشف مسارات التكنولوجيا والسياسات التي يمكن أن تتقلص آثار دورة الحياة بدرجة أكبر.

ما هو برنامج "الدراجة الكربونية" ؟

(أ) إن آثار الكربون على دورة الحياة، التي تسمى أحياناً تقييم دورة الحياة، تصنف جميع انبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة بمنتج أو نظام عبر كامل وجوده، وبالنسبة لمشروع الطاقة، تشمل الحدود القياسية استخراج المواد الخام، والصناعة التحويلية، والتشييد، والتشغيل، والصيانة، ووقف التشغيل، وتُعبّر عن النتيجة في غرامات من ثاني أكسيد الكربون، ومكافئات كل كيلوواط ساعة (مثل مقارنات ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط)

وبالنسبة للطاقة الحرارية الأرضية، فإن منظور دورة الحياة مهم بصفة خاصة لأن موجز الكربون الذي يُعرض عليه هو محميات أولية، ويمكن لمراحل الحفر والبناء أن تُنبئ بحجم ثاني أكسيد الكربون الكبير من أجهزة الحفر التي تعمل بالديزل، وإنتاج الأسمنت، وصنع الفولاذ، بينما تكون المرحلة التشغيلية خالية من الكربون تقريباً، وبدون رؤية لدورة الحياة، يمكن أن يُبالغ في تقدير الفوائد المباشرة للحرارة الأرضية أو يقلل من تقدير التكلفة البيئية الأولية التي تتكبدها.

كسر دورة الحياة الحرارية الأرضية

ويمر مشروع للطاقة الحرارية الأرضية بأربع مراحل رئيسية، كل منها له صورة انبعاثاته الخاصة، وتختلف الأرقام الدقيقة حسب الموقع والتكنولوجيا والسياق التنظيمي، ولكن النمط متسق.

المرحلة 1: الاستكشاف وتقييم الموقع

وقبل حفر بئر واحد، يجب على الجيولوجيين والمهندسين تحديد المواقع التي تتلاقى فيها الحرارة والقابلية للتحمل والتوافر السوائل، وتشمل هذه المرحلة عمليات مسح مروحية أو مركبات، وتصوير سيزمي، وأخذ عينات من غازات التربة، وأحيانا الآبار الضحلة التي ترتفع فيها درجة الحرارة.

• Transportation fuel:] Light aircraft, all-terrain vehicles, and trucks burn gasoline or diesel. In remote areas, logistical may require significant fuel consumption per survey point.
• تشغيل المولدات الكهربائية الثابتة: ] المعدات الميدانية، وسجلات البيانات، ومعدات الاتصالات كثيرا ما تُدار على مولدات صغيرة.
• Manufacturing of equipment:] Seismic sensors, drilling bits for test wells, and casing materials all carry embedded carbon.

ورغم أن هذه المرحلة تسهم عادة بأقل من 5 في المائة من مجموع انبعاثات دورة الحياة، يمكن زيادة حجمها إذا كان الموقع في بيئة حساسة أو يصعب الوصول إليها، فقد بدأت التطورات في الاستشعار عن بعد ونموذج سطح الأرض المزود بالطاقة الكهربائية من أجل التنمية في تقليص الحاجة إلى عمل أرضي واسع النطاق.

المرحلة 2: التدريل والبناء الجيد

وهذه هي أكثر المراحل كثافة من حيث الكربون في أي مشروع للطاقة الحرارية الأرضية، إذ يتطلب حفر بئر واحد عميق (من بين 000 2 إلى 000 4 متر) أجهزة حفر كبيرة تعمل بالديزل، ونظم تداول الطين المستمر، وغطاء ثقيل.

• Diesel combustion:] A typical deep geothermal well can consume 300,000 to 500,000 liters of diesel during drilling. At roughly 2.7 kg CO2 per liter, a single well may emit 800-1,350 tonnes of CO2.
• Cement and steel production:] each well requires steel casing and cement grout. The cement industry alone accounts for about 8% of global CO2 emissions, and geothermal wells use high-performance (often higher-CO2) formulations.
• Mud and additives:] Drilling liquids must be mixed, transported, and disposed of, though their carbon contribution is relatively small.

وبالنسبة لمجال متعدد المستويات )من زهاء ١٠ إلى ٣٠ آبار(، يمكن أن تمثل مرحلة الحفر ٦٠ إلى ٧٠ في المائة من مجموع انبعاثات دورة الحياة، وبعض المشاريع تجريب أجهزة الحفر الكهربائية التي تبثها مجهرات متجددة في الموقع، والتي يمكن أن تقطع بصمة الأقدام هذه بصورة مثيرة.

المرحلة 3: تشييد النباتات وتشكيلها

وبعد حفر الآبار، يجب بناء البنية التحتية السطحية: مباني محطات توليد الطاقة، والتوريبينات، ومبادلات الحرارة، وأبراج التبريد، وخطوط الأنابيب، والأصناف الفرعية.

• Concrete and steel for foundations and structures]
• تشغيل معدات التوجيه
• Transport of materials and labor]
• Manufacturing of major components] (turbines, births, transformers)

وهذه المرحلة هي عادة ما تمثل 15 إلى 25 في المائة أخرى من انبعاثات دورة الحياة، وتتوقف النسبة المئوية على النباتات الملزمة بتصميم النباتات، التي تستخدم سوائل عمل ثانوية، وتميل إلى أن تكون لها احتياجات مادية أعلى قليلا من البخار المباشر أو النباتات المفاجئة، ولكنها تتيح أيضا استغلال الموارد ذات الحرارة الدنيا.

المرحلة 4: التشغيل والصيانة

وخلال العملية، لا تُظهر النباتات الحرارية الأرضية سوى كمية ضئيلة جداً من ثاني أكسيد الكربون مقارنة بمصانع الوقود الأحفوري، ويمكن أن تأتي الانبعاثات المباشرة من:

• Non-condensable gases (NCGs)] released with geothermal steam, primarily CO2 and hydrogen sulfide (H2S). In typical hydrothermal plants, these range from 10 to 50 g CO2e/kWh-a fraction of a coal plant’s1,000 g CO2e/kWh.
• Auxiliary systems:] Pumps, fans, and control systems may consume electricity from the grid (if net metering) or from parasitic load on the plant itself.
• Well workovers:] Periodic maintenance drilling or stimulation can involve small amounts of diesel use.

وكثيراً ما تكون للنباتات المُلزِمة والنظم الحرارية الأرضية المُعزَّزة انبعاثات تشغيلية قريبة من الصفر لأن سوائل الحرارة الأرضية تُبقي في حلقة مغلقة، والنقطة الرئيسية هي: عندما تُدير المفاعل، تكون الانبعاثات لكل كيلوواط من أقل مصادر الطاقة.

المرحلة 5: وقف تشغيل الموقع وإعادة تشغيله

وبعد ٣٠-٥٠ سنة من التشغيل، يجب تفكيك المصنع، ويلز مثبت بالاسمنت، وتزيل المعدات، وتسترد الأرض.

• معدات ثقيلة للهدم والإبعاد ]
• Transport of scrap and waste]
• Well plugging materials]

ويسهم التسريح عادة في انبعاثات دورة الحياة بنسبة تتراوح بين 2 و5 في المائة، ولكن يمكن أن يكون أعلى إذا كان يلزم إصلاح واسع النطاق (مثلا في المناطق التي توجد فيها التربة الملوثة أو الآبار القديمة)، وقد تحولت بعض المواقع الحرارية الأرضية إلى شبكات تدفئة المناطق أو حتى جذب السياح، مما أدى إلى توسيع نطاق حياتها المفيدة بشكل فعال والحد من البصمة المحيطة بالماء.

العوامل الرئيسية التي تؤثر على مخطط الكربون

ولا تكون جميع المشاريع الحرارية الأرضية متساوية، إذ يمكن لعدة متغيرات أن تقلل من انبعاثات دورة الحياة بعامل قدره ثلاثة أو أكثر.

نوعية الموارد الجيولوجية

إن الموارد السهلة هي الضحلة، والمستودعات العالية الحرارة ذات القدرة الطبيعية والسائل الوفير، فالحفر في خزان كهذا يتطلب عدداً أقل من المترات من الحفر، وأقل من التكدس، وانخفاض استهلاك الوقود، وعلى العكس من ذلك، فإن الموارد الهامشية - حادة، أو جافة، أو منخفضة الحرارة - تتطلب مزيداً من الحفر، وكثيراً ما تؤدي إلى زيادة الانبعاثات الهيدروليكية.

خيارات التكنولوجيا

ويمكن أن تستخدم النباتات الملزمة، وإن كانت أكثر تكلفة، سوائل ذات درجة حرارة أقل، وأن تنتج ثاني أكسيد الكربون التشغيلي شبه الصفري.وتزداد تكنولوجيات الحفر الجديدة مثل حفر الليزر، وحفر البلازما، وقطع الآلات الكهربائية من الثقوب تخفيض التكلفة والانبعاثات على السواء.كما أن استخدام الطاقة الشمسية أو الرياح في الموقع لأجهزة الحفر في الطاقة يكتسب زخما.

أماكن العمل وسلاسل الإمداد

وسيؤدي مشروع في أيسلندا، حيث تكون الشبكة متجددة بالفعل، إلى انخفاض الانبعاثات غير المباشرة عن الانبعاثات غير المباشرة في منطقة تُستخدم فيها الفحم، كما أن مسافات النقل من الفولاذ والإسمنت والمعدات هي ذات أهمية، كما أن التصنيع المحلي واستخدام الخرسانة المنخفضة الكربون يمكن أن يتقلصان من البصمة.

حجم الميدان و العيون

ويعني المزيد من الآبار الكربون المدمج، ولكن المباعدة بين المسافات والتوجهات واستخدام الحفر في الاتجاه تؤثر على الكفاءة، كما أن حفر الآبار (الآبار المتعددة من موقع واحد) يقلل من الاضطرابات السطحية والانبعاثات المشتركة في الهياكل الأساسية.

الحوافز التنظيمية والسوقية

وتكافأ برامج التسعير الكربوني ومعايير حافظة الطاقة المتجددة والاعتماد الأخضر بصورة متزايدة المشاريع التي تقلل من انبعاثات دورة الحياة، وتحتاج بعض الولايات القضائية إلى متعاقدين من المؤسسة للإبلاغ عن انبعاثات التشييد وتعويضها.

مصادر الطاقة الأخرى: مقارنة دورة الحياة

وعندما يتم تقييم الطاقة الحرارية الأرضية على أساس دورة الحياة، فإنها تكون مريحة بين أقل مصادر الطاقة الكربونية.

• Coal:]~820-1100 ميكروغرام/كهوه. The vast majority comes from combustion, with mining and transport added 10-20%.
• Natural Gas (CCGT): ] ~400-500 g CO2e/kWh. Upstream methane leaks can add significant warming potential.
• Solar PV:]~40-50 g CO2e/kWh. Most emissions are from manufacturing; no operational emissions.
• Wind:] ~10-15 g CO2e/kWh. Manufacturing and installation dominate.
• Hydro (reservoir):] ~10-30 g CO2e/kWh. Reservoir methane from biomass decay can be a large uncertainty.
• Geothermal (hydrothermal):]~20-50 g CO2e/kWh (المجموعة النموذجية) - قد تقترب المرافق الأقدم التي لها ارتفاع في إطلاقات الغازات المميتة من 100 غرام.
• Nu clear:] ~10-20 g CO2e/kWh. Mostly from uranium mining and plant construction.

ويظهر الطاقة الحرارية الأرضية انبعاثات مماثلة للشمس والريح، مع الميزة الحاسمة لتوفير الطاقة القاعدية، غير أن انبعاثاتها التي تحملها في المقدمة تعني أن فترة " استعادة " الكربون التي يتعين على المصنع أن يمتد إليها لكي يعوض عن التشييد والحفر للانبعاثات - يمكن أن تكون عدة سنوات، أما بالنسبة لمصنع حراري ثابت بالنسبة للأرض، فإن العائد يتراوح بين سنة وثلاث سنوات، بعد أن يعمل كمصدر صافي الكربون أو شبه صفري لعدة عقود.

A detailed NREL study on geothermal lifecycle emissions] provides further granularity and confirms the low ranking.

التكنولوجيات الناشئة واستراتيجيات التخفيف

ويعد خفض آثار الكربون الحرارية الأرضية على دورة الحياة مجالا نشطا للبحث والتطوير، وهناك عدة استراتيجيات واعدة آخذة في الظهور.

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

وتفتح الشبكة موارد جديدة هائلة عن طريق إنشاء خزانات اصطناعية في الصخور الساخنة والجافة، وفي حين تتطلب نظم الطاقة البيئية حفر سوائل أكثر عمقاً وأكثر فأكثر في حقن الكسور، فإن انبعاثات دورة الحياة لكل كيلوواط يمكن أن تكون قابلة للمقارنة مع الطاقة الحرارية المائية التقليدية، فالمشاريع الأخيرة في فرنسا واليابان والولايات المتحدة تختبر أساليب التحفيز المنخفضة الكربون.

نظم الطاقة الحرارية الأرضية المغلقة

وبدلاً من استخراج المياه الساخنة أو البخار، تعمم تصميمات القفل المغلقة سائلاً عاملاً من خلال نظام أنابيب مُغلق في أعماق الأرض، وتقضي هذه النظم على إطلاقات الغاز المشبع بالفلور وخفض استخدام المياه، ولكنها تتطلب مزيداً من الرش والضخ، ولا تزال المقايضة قيد التقييم، ولكن البيانات المبكرة تشير إلى أن انبعاثات دورة الحياة يمكن أن تنخفض إلى أقل من 15 غراماً من ثاني أكسيد الكربون/كواه.

كهرباء أجهزة الحفر

إن اعادة الديزل بالبطاريات أو الطاقة الكهربائية )حيثما تكون متجددة( هي أكبر أداة واحدة لقطع الانبعاثات الأمامية، وهناك عدة حالات بدء وأجهزة ضغط تعمل الآن على توفير أجهزة الحفر الكهربائية التي تُقدر على الأعماق الحرارية الأرضية.

Carbon-Neutral Cement and Steel

ويمكن للخرسانة الخضراء (مثلاً، باستخدام الرماد أو الرقائق أو المجاميع التي تعمل بالكربون) والصلب المعاد تدويره أن تقلل من الكربون المجسد في البناء الجيد بنسبة تصل إلى 50 في المائة، وبدأت صناعة الطاقة الحرارية الأرضية في إقامة شراكة مع منتجي الأسمنت في التركيبات المنخفضة الكربون.

الشحنات وكابتن الكربون

وتشترى بعض المشاريع الآن معادلة الكربون لمرحلة البناء الخاصة بها، بل وتلتقط ثاني أكسيد الكربون من السوائل الحرارية الأرضية وتعيد استخدامها في التخزين الطويل الأجل، وهذه الأخيرة شكل من أشكال توليد الطاقة النابعة من الكربون.

For a deep look at mitigation options, the International Geothermal Association’s policy brief on carbon footprint] is an excellent resource.

الآثار المترتبة على السياسات والأسواق

ولا يقتصر تحليل آثار الكربون على دورة الحياة على الممارسة الأكاديمية فحسب، بل يؤثر تأثيرا مباشرا على سلامة المشاريع الحرارية الأرضية من الناحيتين المالية والتنظيمية.

Green financing:] Lenders and investors increasingly require life cycle GHG assessments before approval loans or equity for large energy projects. A low life cycle footprint can lower the cost of capital.

Carbon pricing:] In jurisdictions with a carbon tax or cap-and-trade system, geothermal projects can generate valuable carbon credits, improving project economics.

Corporate PPAs:] Many corporations committed to 24/7 carbon-free energy are willing to pay a instalment for geothermal power that can fill gaps from intermittent renewables. A verified low lifecycle footprint strengthens the marketing of such power purchase agreements.

Permitting and public acceptance:] Communities increasingly demand transparency about environmental impacts. Publishing a full life cycle assessment can build trust and streamline the permitting process.

ويبيّن تقرير المعهد الخاص للطاقة الحرارية الأرضية ] كيف يمكن للدعم السياساتي وتخفيض التكاليف أن يتيح زيادة عشرية في القدرة الحرارية الأرضية بحلول عام 2050، مع بقاء انبعاثات دورة الحياة في قياس الأداء الرئيسي.

الخلاصة: مجموعة عمل منخفضة الكربون مع غرفة لتحسين

فالطاقة الحرارية الأرضية توفر بالفعل بعض أقل انبعاثات الكربون في دورة الحياة لأي رياح وشمس مسببة للطاقة، وتوفر في الوقت نفسه الكهرباء الثابتة والمرسلة، وتهيمن على آثار دورة الحياة مرحلتي الحفر والبناء، التي تسهم خلالها الديزل والاسمنت والصلب في معظم الانبعاثات، وعندما تكون الانبعاثات أقل، ولا سيما بالنسبة لتصميمات النباتات المغلقة والملحوبة.

إن الطريق إلى بصمة أصغر هو الطريق الواضح: التمرين الكهربائي، واستخدام المواد المنخفضة الكربون، واعتماد تقنيات متقدمة لإدارة الموارد، مع السياسات الداعمة والابتكار المستمر، يمكن أن تصبح الطاقة الحرارية الأرضية ليس مجرد مجموعة عمل للطاقة النظيفة، بل نموذجاً للكيفية التي يمكن بها بناء الهياكل الأساسية ذات التأثير المناخي الضعيف من المجارف الأولى جداً من التراب.

أما بالنسبة للمطورين والمستثمرين وصانعي السياسات، فإن الرسالة هي أن التفكير في دورة الحياة يجب أن يسترشد به كل قرار من اختيار المواقع إلى وقف التشغيل، وعندئذ فقط يمكن تحقيق الوعد المناخي الكامل بالطبيع الحرارية الأرضية.