Table of Contents
وتسخير الطاقة الحرارية الأرضية الحرارة من داخل الأرض لتوفير مصدر حراري ثابت منخفض الكربون لشبكات تدفئة المناطق، حيث تسعى المدن في جميع أنحاء العالم إلى إزالة الكربون من نظم الطاقة فيها، فقد برز التدفئة الحرارية الأرضية كحل مثبت ومرتقب، وخلافا لمصادر الطاقة المتجددة المعتمدة على الطقس مثل الطاقة الشمسية أو الرياح، فإن الحرارة الحرارية الأرضية متاحة على مدار الساعة، مما يتيح القدرة على التحميل الأساسي بأقل قدر من التأثير البيئي.
دراسات الحالة العالمية لتدفئة المناطق الحرارية الأرضية
وتوجد مشاريع ناجحة لتدفئة المناطق الحرارية الأرضية في كل قارة تقريبا، من أيسلندا البركانية إلى الأحواض الرسوبية في أوروبا وآسيا، ويظهر كل مشروع كيف تتلاقى الجيولوجيا المحلية، ودعم السياسات، وتصميم النظم لإنشاء شبكات حرارة منخفضة الكربون.
Reykjavik, Iceland: World’s Largest Geothermal District Heating Network
ويُعد نظام تدفئة المناطق في منطقة ريكيافيك أكبر وأشهر نوعه، إذ يزود حوالي 95 في المائة من المياه التدفئة والماء الساخن في المدينة، ويُستخدم هذا النظام في استخدام الطاقة الغازية في شبكة الطاقة المبردة التي تتجاوز مساحتها 300 طن.
حوض باريس، فرنسا: الطاقة الحرارية الأرضية العميقة في المناطق الحضرية
وقد نشرت منطقة باريس مؤخراً تدفئة عميقة في الأحياء الحرارية الأرضية منذ السبعينات، حيث تغلبت على طبقة المياه الجوفية المسطحة بعمق يتراوح بين 500 1 و 000 2 متر، وتحتوي المياه الجوفية على مياه تتراوح بين 55 و85 درجة مئوية، وهي مناسبة للتدفئة المباشر بعد مرورها عبر مبادلات الحرارة، وحتى عام 2024، كان أكثر من 50 محطة حرارية ذات حرارة جغرافية تعمل في منطقة دنياً - فرنسا، وتزودها بالحرارة بأكثر من 000 250 منزل.
بولزانو، إيطاليا: حلول حرارية سطحية في منطقة ألبين
ويظهر " بولزانو " ، عاصمة جنوب تايرول، كيف يمكن إدماج الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة في شبكة تدفئة محلية قائمة، ويستخدم النظام مبادلات حرارية عمودية (150-200 متراً) لاستخراج حرارة منخفضة الحرارة (10-15 درجة مئوية) ويرفعها عن طريق مضخات حرارية واسعة النطاق، ثم توزع الحرارة عند 70-80 درجة مئوية من خلال مجموعة من وحدات الإمداد بالشبكة.
Munich, Germany: Deep Geothermal for Baseload Heat
وقد التزم ميونيخ بتوفير الحرارة المتجددة بنسبة 100 في المائة بحلول عام 2040، وتحول إلى حرارة حرارية كبيرة كحجر، حيث بلغت عمليات الحفر ذات الأهمية القصوى في المدن () التي تشمل عمليات الحفر الحرارية الأرضية التي تتسع فيها الطاقة الكهربائية، 000 3 متر، والتي تشمل إنتاج موسم المونتش في عام 2015، عدة محطات حرارية ذات طاقة حرارية ثابتة تستهلك طبقة مياه مائية طويلة.
Beijing, China: Large-Scale show Geothermal Integration
إن الصين، وهي أكبر سوق للتدفئة في المناطق، قد اعتمدت بسرعة نظماً حرارية سطحية في منطقة بيجين - تيانجين - هيبي، وتستعمل منطقة بيجين الدوائر شبكة هجينية تجمع بين حقول الكوليوم الضحلة (بطول 100 إلى 150 متر) مع مضخات حرارية ذات مصادر أرضية لتسخين التطورات السكنية الجديدة، ويحقق النظام كفاءة في الأداء تبلغ 4.5 إلى 5.
أفضل الممارسات للتخطيط وتنفيذ نظام التدفئة الحرارية الأرضية
وتكشف الدروس المستفادة من المشاريع الناجحة عن مجموعة من أفضل الممارسات القابلة للتكرار التي تقلل من المخاطر وتُحدِّد الأداء على النحو الأمثل، وتضمن إمكانية البقاء على المدى الطويل.
إجراء دراسات استقصائية جيولوجية وهيكولوجية شاملة
(أ) تقييم الموارد الأولية هو أساس أي مشروع للطاقة الحرارية الأرضية، ويشمل ذلك الدراسات الاستقصائية السيزمية، والحفر الاستكشافي، واختبارات الضخ لوصف درجة حرارة طبقة المياه الجوفية، وقابلية الصلاحية، ومعدلات التغذية، وفي حوض باريس، تستكشف آليات تقاسم المخاطر المبكرة (مثل تصميم Fonds de Risques Géothermiques المحدودة [FLT]:1]
تصميم القدرة على التصعيد والتنمية التدريجية
وتبنى شبكات ناجحة على مراحل، بدءا بمجال أساسي قبل التوسع، وقد زاد نظام ريكيافيك زيادة تدريجية على مدى ٥٠ عاما، مما يسمح بتحسين التكنولوجيا والعزلة الأنبوبية مع تحقيق التوازن في الإنفاق الرأسمالي، كما توسع شبكة ميونيخ بإضافة آبار جديدة وبدلات فرعية تطابق الطلب المتزايد، وتتطلب القدرة على التصعيد تصميمات من النباتات المتحركة، والقدرة الزائدة على خطوط الأنابيب الأولية، والتشكيلات المرنة للمضخ الحرارية التي يمكن تحسينها.
التقليل إلى أدنى حد من فقدان الحرارة من خلال العزل المتقدم ومكافحة الجريمتين الذكية
ويمكن أن تشكل الخسائر في الحرارة من الأنابيب نسبة تتراوح بين 5 و20 في المائة من الناتج الإجمالي، حسب طول الشبكة ودرجة الحرارة، ويسمح استخدام الرنب المجهز سلفاً بسترات رغاوى البولي يوريثان، كما هو رائد في أيسلندا، بخسائر تقل عن 3 في المائة لخطوط التوزيع، أما بالنسبة لخطوط الانتقال الطويلة (مثلاً، من حقول الحرارة الأرضية البعيدة إلى المدن)، ] فتخفض الأنابيب المفرغة [[.
إدماج الهياكل الأساسية للطاقة وتخزينها
وفي بولزانو، يخزن التخزين الموسمي في حقول الحفر الفوقية الحادة الصيفية للاستخدام الشتوي، وفي مونخ، يعمل صهريج مياه كبير كعائق لتلبية الطلب اليومي على ذروته، ويحد إدماج الحرارة الأرضية مع حرق النفايات، أو الأنابيب الحرارية الشمسية، أو الحرارة الزائدة من العمليات الصناعية من نظام هجين يضاعف الاستخدام ويخفض تكلفة النظام.
تنفيذ الرصد الدقيق والصيانة الافتراضية
ومن الضروري مواصلة رصد درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق وكيمياء المياه عند الإنتاج وإعادة الحقن، كما أن البيانات في الوقت الحقيقي تتيح للمشغلين اكتشاف الارتفاع أو التآكل المبكر، وتجميد التنظيفات في الآبار، وتعديل معدلات الضخ لتجنب التلف في الخزانات، ويمكن للمحللين التنبيهات الجاهزة باستخدام التعلم الآلي على البيانات التاريخية، التنبؤ بإخفاقات المعدات في المواعيد التشغيلية على النحو الأمثل.
إنشاء إدارة شفافة ومشاركة مجتمعية
كما أن القبول العام والدعم السياسي لهما أهمية حاسمة في تحقيق النجاح على المدى الطويل، إذ أن نظام ريكفيك يملكه البلدية، ويكفل إعادة استثمار الأرباح في الصيانة والتوسع، وفي ألمانيا، توفر المرافق العامة (]) (Stadtwerke) في كثير من الأحيان تدفئة المقاطعات، وبناء الثقة من خلال الشفافية في التسعير والإبلاغ عن الضوضاء البيئية.
الاعتبارات الاقتصادية والبيئية
وتحتاج التدفئة الحرارية الأرضية إلى استثمارات رأسمالية عالية الحجم تبلغ قيمتها ٠٠٠ ١-٢٠٠ ١ يورو لكل كيلوواط من الطاقة المركبة، بالمقارنة مع ٣٠٠-٦٠٠ يورو لمغلي الغازات، غير أن تكاليف التشغيل منخفضة )الوقود مجانا، وتصل الكهرباء للمضخات والمضخات الحرارية إلى التكلفة المتغيرة الرئيسية( وتحسن التكلفة العالية للحرارة بالنسبة للتدفئة في المناطق الحرارية، بما في ذلك الحفر، وسلاسل الحرارية)٥(.
ويقلل التدفئة الحرارية الأرضية من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة ٧٠-٩٥ في المائة مقارنة بالغاز الفردي أو مغلي النفط، وحتى عندما تستخدم المضخات الحرارية )اشتراط الكهرباء(، فإن البصمة الكربونية العامة لا تزال أدنى من بدائل الوقود الأحفوري، ويمكن أن تصبح الانبعاثات صافية إذا استخدمت الشبكة مصادر متجددة، وتشمل الفوائد الأخرى خفض تلوث الهواء المحلي )لا توجد انبعاثات من ثاني أكسيد الكربون أو أدنى من أكسيد الكربون( أو من فترة الاستهلاك الكتلة الأحيائية )٢,٥(.
التطورات التكنولوجية والتوقعات المستقبلية
وتتعهد عدة تكنولوجيات ناشئة بفتح الإمكانات الحرارية الأرضية في المناطق الجديدة وبخفض التكاليف بدرجة أكبر.
نظم الطاقة الحرارية الأرضية المسلّحة
ويمكن أن تُنشر في أي منطقة جيولوجية تقريباً، بما في ذلك الصخور الأرضية الغامضة، نظم مغلقة تعمل على سائل عامل يعمم عن طريق الأنابيب المختومة في أعماق عميقة، وتُستخدم التقنيات التي طورتها شركات مثل Eavor Technologies . (Eavor-Loop) في أي مناطق جيولوجية تقريباً، بما في ذلك الصخور الغامض الحبيبي.
نظم المضخات والسلاسل المكبائية العالية الارتداد
وتسمح مضخات الحرارة القادرة على تحقيق ناتج يزيد عن 100 درجة مئوية (يستخدم ثاني أكسيد الكربون أو الأمونيا كمبردات) بزيادة الموارد الحرارية الأرضية المنخفضة الحرارة (25-50 درجة مئوية) لتدفئة المناطق، ويمكن لهذه النظم أن تحقق معامل أداء يتراوح بين 3 و5 مئوية عند درجة حرارة المصدر فوق 30 درجة مئوية. وعندما تقترن هذه النظم بالثقوب العميقة، فإنها تحول فعلياً إلى مستويات حرارة حرارة حرارية حرارية حرارية حرارية عالية.
Integration with Thermal Energy Storage (TES)
ويمكن لتكنولوجيات التخزين الموسمي والدواعي، بما في ذلك تخزين الطاقة الحرارية في طبقات المياه الجوفية وتخزينها الحراري للدبابات، أن تسمح لمصانع الطاقة الحرارية الأرضية بمطابقة إنتاج الحرارة مع الطلب المتغير. ] تخزين الحرارة الصيفية (من فائض الطاقة الشمسية أو الحرارة الأرضية) في طبقات المياه الجوفية الضحلة من أجل الانتعاش في الشتاء، مما يزيد من عامل القدرة السنوي لمصدر الطاقة الحرارية.
تعزيز التدريل والمستودعات
وتستأثر تكاليف الحفر بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة من مجموع النفقات الرأسمالية، ويجري الآن صقل الابتكارات مثل الحفر بالزئبق، وحفر الليزر، والتبص الحراري، مما يقلل من التكلفة ويسرع في البناء الجيد.
خاتمة
وقد انتقلت الطاقة الحرارية الأرضية من التطبيقات المتخصصة إلى حل رئيسي لتدفئة المناطق في كل من البراكين والسيارات، حيث أن الدراسات الإفرادية التي تجرى في ريكجافيك، باريس، بولزانو، ميونيخ، تؤدي دوراً هاماً في مجال السياسات العامة، ويزيد من فعالية النظم العالمية للتنبؤ بالأخطار بالنسبة للمركبات، ويزيد من فعالية النظم البيئية في مجال التخطيط الحراري.
External references for further reading:] ]IEA — Geothermal District Heating Report, European Geothermal Energy Council (EGEC) — District Heating Facts, [FLJ:6]