Table of Contents

The Case for Geothermal Energy in Modern Power Systems

ومع تباطؤ عملية الانتقال في مجال الطاقة على الصعيد العالمي، يواجه مخططو نظم الطاقة التحدي المعقد المتمثل في تحقيق التوازن بين الموثوقية والقدرة على تحمل التكاليف والاستدامة البيئية، وفي حين أن المصادر المتجددة المتغيرة مثل الخطوط الرئيسية للطاقة الشمسية والريحية، توفر الطاقة الحرارية الأرضية حلاً قاهراً غير قابل للتقييم في كثير من الأحيان، حيث إن قدرتها على توفير الطاقة الأرضية الأساسية المستمرة المنخفضة الانبعاثات، فإن الطاقة الحرارية الأرضية في موقع فريد يؤهلها لاستكمال عمليات السحب المشتركة بين مصادر الطاقة المتجددة، وتبحث حافظات الطاقة الجديدة.

Understanding Geothermal Energy Fundamentals

الطاقة الحرارية الأرضية من الحرارة الداخلية للأرض، التي تولدها حرارة التحلل الإشعاعي وتركيب الكواكب، وتزداد الحرارة مع عمق يتراوح بين 25 و30 درجة مئوية لكل كيلومتر، ولكن توجد موارد قابلة للبقاء تجارياً حيث يكون هذا التدرج أكثر حزماً، وغالباً ما يكون بالقرب من حدود صفائح التكتون، أو مناطق بركانية، أو بقع ساخنة.

وتوجد ثلاثة أنواع رئيسية من محطات الطاقة الحرارية الأرضية:

  • Dry steam plants] capture steam directly from the reservoir and channel it into turbines. They are the oldest and simplest design, with notable installations at The Geysers in California.
  • Flash steam plants] extract high-pressure hot water, reduce pressure to create steam, and then direct it to turbines. This is the most common design for high-temperature reservoirs above 180°C.
  • Binary cycle plants] transfer heat from geothermal liquid to a secondary working liquid with a lower boiling point (e.g., isopentane or organic liquids) The secondary liquid vaporizes and drives turbines, while the geothermal liquid is reinjected greatly. these systems allow power generation from lower-temperature resource resources (85-180

وفي جميع الحالات، يعاد عادةً إلى الحقن السائل الحراري الأرضي المستنفد في الخزان للحفاظ على الضغط والتقليل إلى أدنى حد من التأثير البيئي، وتختلف العملية برمتها اختلافاً جوهرياً عن الحرق القائم على الاحتراق، ولا يحدث أي حرق للوقود، وتقتصر الانبعاثات على كميات أثر من ثاني أكسيد الكربون، والكبريتيد الهيدروجيني، والغازات الأخرى المذابة التي يمكن أن تُسر أو تُخَفَّب.

ألف - المزايا الاستراتيجية للطاقة الحرارية الأرضية في بوابة الطاقة الكهربائية

موثوقية الشحنات الأساسية وقابلية الضم

وعلى عكس الطاقة الشمسية والريحية، التي تعتمد على الطقس والوقت، يمكن أن تعمل النباتات الحرارية الأرضية في عوامل القدرة تتجاوز 90 في المائة - مقارنة بمصانع الدورة المشتركة بين الغازات النووية والغاز الطبيعي، مما يجعل من القابلية للتنبؤ بذلك الحجم الحراري الجغرافي عنصراً مثالياً من عناصر الطاقة المتجددة المتقطعة، ويمكن لمشغلي نظم الطاقة أن يعتمدوا على الناتج الحراري الجيولوجي لتلبية مستويات الطلب الدنيا، مما يقلل من الحاجة إلى الدعم من الوقود الأحفوري أو التخزين المكلين.

Environmental and Climate Benefits

وتنتج الطاقة الحرارية الأرضية نحو 40 إلى 50 غراماً من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة (gCO2eq/kWh)، مقارنة بـ 800 إلى 000 1 ميكروغرام من الفحم و400 إلى 500 ميكروغرام من الغاز الطبيعي، بل إن النباتات ذات الطاقة المنخفضة الكربون التي تقطع فيها كميات الكربون، بالإضافة إلى أن النباتات الحرارية الأرضية تحتاج إلى حد أدنى من المساحة المحيطة بالميغاوات

استقلال الطاقة والأمن

والموارد الحرارية الأرضية محلية وغير متقطعة، وتزرع الدول من أسواق الوقود الأحفوري المتقلبة ومن مخاطر العرض الجيوسياسي، وقد استفادت بلدان مثل أيسلندا وكينيا والفلبين من الطاقة الحرارية الأرضية لتحقيق استقلال الطاقة شبه الكلي أو تخفيض واردات النفط، وبالنسبة للدول ذات الإمكانات الحرارية الأرضية الكبيرة مثل إندونيسيا والولايات المتحدة وتركيا والمكسيك - وهي تروج لهذا المورد يعزز سيادة الطاقة ويسهم في الأمن الوطني.

طول المدة

وعلى الرغم من أن مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية لها تكاليف رأسمالية عالية - تبلغ في كثير من الأحيان ٠٠٠ ٣ دولار إلى ٠٠٠ ٥ دولار لكل كيلوواط - حياة التشغيل الطويلة التي تم تركيبها )٣٠-٥٠ سنة( وانخفاض التكاليف المتغيرة )لا وقود، أو الحد الأدنى من الصيانة( يؤدي إلى ارتفاع تكلفة الكهرباء بين ٥٠ و٩٠ دولاراً لكل ميغاواط، مما يؤدي إلى قدرة محطات الوقود الحراري الجغرافي على تحمل أسعار الكربون في المستقبل.

التحديات والمخاطر في مجال التنمية الحرارية الأرضية

تكاليف الاستكشاف والتدريل

ويستلزم تحديد وإثبات مستودع للحرارة الأرضية إجراء دراسات جيولوجية وتحليلات جيولوجية ودراسات جيوفيزيائية يمكن أن تكلفها ٥-١٠ ملايين دولار دون أي حفر، فالحفر الاستكشافي هو أكثر المراحل تكلفة بكثير، وهو ما يمثل في كثير من الأحيان ٣٠-٥٠ في المائة من مجموع تكاليف المشاريع، وهناك حاجة عادة إلى بئر واحد بتكلفة تبلغ ٤-٨ ملايين دولار، وإلى آبار متعددة تؤكد خصائص البرمجيات )الطبيعة، والاختراق(.

القيود الجغرافية

وتتركز الموارد المائية التقليدية في المناطق النشطة التي تكتنفها التوتر: رنين المحيط الهادئ للحرائق، وشرق أفريقيا، وأجزاء من أوروبا )أيسلندا، إيطاليا، تركيا(، وعلى العكس من ذلك، فإن المناطق الواسعة النطاق - بما فيها معظم شمال أوروبا، وأفريقيا )باستثناء الطوق(، وأجزاء كبيرة من آسيا - لا تزال لديها موارد محدودة عالية المستوى بالقرب من السطح، كما أن تحسين نظم الطاقة الحرارية الأرضية، والتحول الجغرافي العميق )الحل الأقصى(.

الشواغل البيئية والاجتماعية

  • Induced seismicity:] Fluid injection during reservoir stimulation can cause microearthquakes. While typically not damaging, public perception can create opposition. The 2006 Basel EGS project in Switzerland was suspended after a magnitude 3.4 quake.
  • Land subsidence and surface effects:] Over-extraction without reinjection can cause ground sinking, though proper reservoir management minimizes this risk.
  • Water use:] Most geothermal plants require large volumes of cooling water; binary plants can reduce consumption but still need some water for operations.
  • Gas emissions:] Hydrogen sulfide, mercury, and arsenic may be present in geothermal liquids. Modern plants use scrubbers, condensers, and reinjection to reduce releases to negligible levels.

العقبات المالية

فبعد مخاطر الاستكشاف، تواجه المشاريع الحرارية الأرضية دورات إنمائية طويلة - تمتد من ٥ إلى ٠١ سنوات تقريبا من الاستكشاف الأولي إلى التكليف، ويتجاوز هذا الجدول الزمني الآفاق السياسية أو المستثمِرة النموذجية ويستلزم رأس المال المريض، ويزداد تعقيد التمويل بسبب عدم وجود تكلفة وقود توفر فرصا للتدفئة؛ وتتوقف تدفقات الإيرادات كلية على أسعار وعقود الكهرباء، دون فرض رسوم جمركية أو ائتمانات ضريبية أو اتفاقات شراء طاقة ذات قيمة مالية قريبة من المتناول.

تقييم التكامل الحراري الجيولوجي في نظم الطاقة

تقييم الموارد ورسم الخرائط

وقبل إدراج هذه الحافظات، يلزم وضع خرائط شاملة للموارد، وتتزايد الحكومات والمرافق استخدام التحليل الجغرافي المكاني الذي يجمع بين البيانات الجيولوجية، وقيود استخدام الأراضي، والقرب من النقل، والكثافة السكانية، وتحدد NREL Geothermal Prospector ] (U.S. Department of Energy) أداة بارزة توفر خرائط تفاعلية للموارد المعروفة، والهياكل الأساسية الحرارية.

إمكانية المقارنة بين المقاييس وقيمة القدرات

يمكن أن تكون الطاقة الحرارية الأرضية قادرة على توفير قدرة ثابتة، مما يقلل الحاجة إلى توليد أو تخزين احتياطي، في حافظة تهيمن عليها الطاقة الشمسية والريحية، يمكن أن تكون الطاقة الحرارية الأرضية مورداً متجدداً من نماذج النظم، مثل تلك التي تجريها مكتب التكنولوجيات الحرارية الأرضية التابع لشركة Geothermal()

النماذج الاقتصادية لقرارات حفظ السلام

يستخدم المصانع نماذج توسيع القدرات (مثلاً، نظام الطاقة الكهربائية، ونسخة الطاقة الكهربائية، أو الأدوات التجارية الخاصة) لتحفيز مختلف خليط الجيل وتعظيم التكاليف تحت قيود الكربون، ومتوسط تكلفة الطاقة الحرارية الأرضية، ولكن تكاليف التشغيل المنخفضة تعني أنها تتنافس على أفضل وجه في السيناريوهات ذات أسعار مرتفعة للكربون (مثلاً، 50-100/ثاني أكسيد الكربون) أو حيث تُقدَّر آثار الموثوقية.

الابتكارات التكنولوجية التي تشكل المستقبل

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

EGS aims to create artificial reservoirs in hot dry rock by hydraulic fracturing or stimulation. Pioneering projects include the FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy) site in Utah, led by the University of UtFortah, and the

الحرارة الأرضية الحرجة

وقد يؤدي التدفق إلى الأعماق التي تتجاوز خمسة كيلومترات حيث تتجاوز درجات الحرارة 400 درجة مئوية والضغوط شبه الحرجة إلى سوائل حرجة عالية بدرجة كبيرة من الطاقة، ويمكن أن تنتج هذه الآبار 5-10 أضعاف قوة الآبار التقليدية، غير أن ] مشروع حفر أعماق المحيط قد واجه بالفعل ظروفاً شديدة الحساسية عند 4.5 كيلومترات.

دورات تدريبية متقدمة للبنات ونظم متكاملة

كما أن سوائل العمل الجديدة ودورات الدينامية الحرارية (مثل دورة كالينا باستخدام خليط الأمونيا - المياه أو دورات ثاني أكسيد الكربون الفائقة الأهمية) تعد بزيادة الكفاءة والأثر البيئي الأدنى، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن الجمع بين الحرارة الأرضية الحرارية الشمسية أو الكتلة الأحيائية أو المضخات الحرارية لخلق نظم هجينة تزيد من استخدامها، مثلاً، يمكن أن تستخدم نبتة أشعة الشمس في أعلى إنتاج حراري جوي.

دراسات الحالة العالمية: دروس من الأسواق الرائدة

أيسلندا: هيمنة الحرارة الأرضية

ايسلندا تولد حوالي 70 في المائة من طاقتها الأولية من الطاقة الحرارية الأرضية، مع 30 في المائة من الكهرباء من النباتات الحرارية الأرضية (بقية من الطاقة الكهرمائية)

الفلبين: الطاقة الحرارية الأرضية في الاقتصاد النامي

الفلبين هي ثاني أكبر منتج للطاقة الحرارية الأرضية في العالم (1.9 غيغاواط) يوفر حوالي 12% من الكهرباء الوطنية، سياسات مثل قانون الطاقة المتجددة لعام 2008 (توفير التعريفات الجمركية والحوافز الضريبية) حفزت التنمية، غير أن التحديات تشمل إدارة الاستدامة في حقول جيدة، وإدارة المسائل المتعلقة بملكية الأراضي في المناطق البركانية.

الولايات المتحدة: إعادة استكشاف الطاقة الحرارية الأرضية

بعد الركود في التسعينات والسنوات 2000، تزداد القدرة الحرارية الأرضية للولايات المتحدة مرة أخرى، مدفوعاً بمعايير حافظة الطاقة المتجددة والائتمانات الضريبية الاتحادية.

آليات السياسات والأسواق لدعم الطاقة الحرارية الأرضية

ونظراً إلى المخاطر الرئيسية العالية، فإن التدخل في مجال السياسات أمر بالغ الأهمية، وتشمل الآليات الفعالة ما يلي:

  • Feed-in tariffs (FiTs) and contracts for difference (CfDs):] Guaranteed prices for a fixed period reduce revenue uncertainty. Kenya and Turkey have used FiTs successfully.
  • ]Exploration risk insurance or guarantees: ] Governments can absorb part of the drilling risk. The U.S. DOE's ] Geothermal Loan Guarantee]] program and New Zealands Crown Mineral Fund are examples.
  • ] Investmentment tax credits (ITCs):] The U.S. federal ITC for geothermal has been 26% (recently extended). Accelerated depreciation further improves project economics.
  • Carbon pricing:] A meaningful carbon price (e.g., $50–100/tCO2) makes geothermal more cost-competitive relative to gas and coal.
  • Streamlined permitting:] Geothermal projects often face lengthy environmental reviews; harmonizing regulations and early engagement with indigenous groups can shorten timelines.

رأس الطريق: توقعات العقد المقبل

وتقدر الوكالة الدولية للطاقة أن توليد الكهرباء الحرارية الأرضية يمكن أن يتوسع من 80 تاوا في عام 2022 إلى أكثر من 600 تاوا في عام 2050 في إطار سيناريو صافيه صفري، مما يتطلب إضافة سنوية للقدرات تتراوح بين 3 و5 ميغاواط، غير أن ذلك يتوقف على حدوث انجاز في تكاليف خدمات الطاقة البيئية وسياسات داعمة، ومن المرجح أن يركز النمو القصير الأجل على البلدان التي لديها موارد ثبتت جدواها - إندونيسيا وكينيا والمكسيك، والتجربة التجريبية في أماكن أخرى.

إن الابتكارات في مجال الحفر وهندسة الخزان هي أهم مقاييس، وإذا انخفضت تكاليف التنويع المغناطيسي إلى ٥٠٠ ١ دولار/كيلوواط )مقارنة بالرياح البرية اليوم(، فإن الطاقة الحرارية الأرضية يمكن أن تصبح خيارا رئيسيا عالميا، علاوة على ذلك، تمثل تطبيقات الاستخدام المباشر )التدفئة المتفرقة، الزراعة، حرارة العمليات الصناعية( سوقا أكبر، يمكن أن تعوض استهلاك الغاز الطبيعي، وفي الواقع، فإن السوق الحرارية الحرارية العالمية تنمو بالفعل في ٥-٧(.

خاتمة

الطاقة الحرارية الأرضية توفر مزيجاً فريداً من الموثوقية، وانخفاض الانبعاثات، وصغر البصمة الأرضية التي تجعلها مكوناً قيماً من حافظات نظام الطاقة في المستقبل، بينما تظل العقبات الجيولوجية والمالية والتكنولوجية قابلة للاستمرار من خلال سياسة مستهدفة، واستمرار انخفاض الأساس، وتنمية القطاع الخاص، والشبكة الكهربائية، والرسالة واضحة:

For further reading, consult the IEA World Energy Outlook 2023] and the IRENA Geothermal Energy report.