تقييم إمكانية استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لاستكمال نظم الطاقة المتجددة والطاقة الشمسية

"الطاقة الثابتة تحت ندتنا" هل يمكن أن تحل الطاقة الحرارية الأرضية مشكلة "الإنترميتات" في "ويند و سولار"؟

إن التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة قد تغلب عليه تقنتان: التربينات الريحية والألواح الضوئية الشمسية، وتقل تكلفتها السريعة وقابليتها للتقسيم جعلتها العمود الفقري لجهود إزالة الكربون في جميع أنحاء العالم، ومع ذلك كل مشغل للشبكة يعرف الضعف الأساسي لهذه المصادر، فهي متقطعة، ولا تشرق الشمس دائما، ولا تنفجر الرياح دائما.

How Geothermal Energy Works: From Hot Rock to Baseload Electric

الموارد المائية الحرارية التقليدية

الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية تعتمد على خزانات المياه الساخنة أو البخار المحبوسة في الصخور القابلة للدموع، ويحفر الآبار آلاف الأقدام في الأرض لسحب هذه الموارد، ويُجلب السوائل الساخنة إلى السطح، حيث تتحول الطاقة الحرارية إلى كهرباء عبر توربينات البخار، وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من النباتات: سمات التبريد الجاف (العملية المباشرة)

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

معظم حرارة الأرض الحرارية الأرضية مقفلة في الصخرة الجافة الساخنة التي تفتقر إلى المياه الطبيعية أو إلى القدرة على البقاء، وهذه التكنولوجيا توسع بشكل كبير النطاق الجغرافي للطاقة الحرارية، مما يجعلها قابلة للاستمرار في أي مكان تتوفر فيه طاقة كافية على سطح الأرض، بما في ذلك المناطق البعيدة عن المدار الثابت بالنسبة للأرض.

لماذا تُصبحُ المُكمِّلات الحرارية الأرضيةَ وَزِنَت وَسُلَارَة

موثوقية الشحنات الأساسية بدون تخزين

إن عرض القيمة الأساسية للحرارة الأرضية بسيط: فهو يوفر طاقة حمولة أساسية لا يمكن أن تُمكن للريح والشمس، ويمكن لمصنع واحد للحرارة الأرضية أن يُدار على أساس ناتج ثابت لعقود، مع الحد الأدنى من التدهور، وعندما يقترن ذلك بالمتجددات المتغيرة، فإنه يزيل الحاجة إلى تخزين البطاريات على نطاق واسع لتغطية فترات هادئة ومظلمة، وعلى سبيل المثال، فإن الشبكة التي تبلغ 40 في المائة من الرياح الشمسية و 40 في المائة من الرياح تحتاج إلى تخزين ما يكفي لتلبية احتياجات منخفضة من الطاقة الحرارية تتراوح بين ثلاثة وخمسة.

موجزات الموسمية التكميلية

وفي كثير من المناخات المتقلبة، يبلغ الجيل الشمسي ذروته في الصيف، بينما يبلغ توليد الرياح ذروته في الشتاء، ويُعتبر الإنتاج الحراري الأرضي أساساً ثابتاً في مدار السنة، مما يعني أن الحرارة الأرضية يمكن أن تسد الفجوة خلال المساء الصيفي (عندما تظل قطرات الشمس ولكن حمولة التكييف الجوي مرتفعة) وخلال فترات الهدوء الشتوية عندما تكون التوربينات الهوائية متعثرة، ويخلق تكامل الطاقة الحرارية مع الرياح والطاقة الشمسية فائضاً سنوياً أكثر توازناً.

نظام غريد إنيرتيا والعائد

وتحتاج شبكات الطاقة الحديثة إلى نقص في الطاقة - كتلة من المولدات الكبيرة التي تستقر التردد أثناء التغيرات المفاجئة في الحمولة أو الجيل، وتوفر المحافير الشمسية والريحان الاصطناعية ولكن على مستويات أدنى، كما أن النباتات الحرارية الأرضية، مع تربيناتها العمودية، توفر عدم انتظام طبيعي ويمكنها أيضا أن ترتفع أو تهبط في غضون دقائق )إلى حد محدود(.

Economic Realities: Cost Competitiveness and Levelized Comparisons

التكاليف الرأسمالية مقابل تكاليف التشغيل

والعقبة الوحيدة التي تعترض نشر الطاقة الحرارية الأرضية هي النفقات الرأسمالية الأولية، ويمكن أن تكلف الآبار التنظيفية ٥-١٠ ملايين دولار للبرئ الواحد، وقد يتطلب مصنع ٥٠ ميغاواط آبار متعددة، ويبلغ مجموع التكاليف الثابتة للحرارة الأرضية التقليدية عادة ما يتراوح بين ٥٠٠ ٢ دولار و ٠٠٠ ٦ دولار لكل كيلوواط، بالمقارنة مع ٠٠٠ ١ دولار - ٥٠٠ ١ دولار لكل كيلوواط بالنسبة للطاقات الشمسية ذات الحجم الكمال العادم، و ٢٠٠ ١ دولار لكل كيلوواط للريح الساحلية.

خفض التكاليف من خلال التكنولوجيا والحد من المخاطر

وتُنفذ الدراسة المتعلقة بشق الأرض في وزارة الطاقة التي تُستخدم فيها تقنيات حفر معززة (مثل تلك المستخدمة في النفط والغاز)، ويمكن أن تُخفض أيضاً حرارة الأرض إلى 45/MWh بحلول عام 2030، كما أن مختبر الطاقة المتجددة الوطني قد أظهر أن تكامل الطاقة الحرارية الأرضية مع نماذج الطاقة الشمسية الأخرى أو الكتلة الإحيائية.

القيود الجغرافية والمحتملة على الموقع

رنين النار وما بعدها

اليوم، الحرارة الأرضية التجارية تتركز في المناطق النشطة بشكل مكثف، الولايات المتحدة الغربية، أيسلندا، الفلبين، كينيا، نيوزيلندا، هذه المناطق لديها مصادر حرارية ضحلة بالقرب من السطح، معظم أوروبا، شرق آسيا، وشرق الولايات المتحدة تفتقر إلى هذه الموارد، مما يحد من الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية إلى جزء صغير من منطقة الأرض في العالم، غير أن EGS يمكن أن تفتح مناطق جديدة شاسعة.

مشاركة في موقع مع مزارع ويند وسولار

وتحتاج النباتات الحرارية الأرضية عادة إلى حفر في الموقع، ولكن البصمة الأرضية لكل ميغاواط صغيرة جدا - وهي في كثير من الأحيان أقل من 1 هكتار لكل ميغاواط، مقابل 5-10 فدان لكل ميغاواط بالنسبة للشمس و 1 إلى 2 فدان لكل ميغاواط بالنسبة للريح، مما يجعل من الممكن الجمع بين الطاقة الحرارية الأرضية والمزارع الريحية والشمسية على نفس الطوابق من الأرض، وتقاسم خطوط النقل، والطرق الموصلية، وموظفي العمليات.

دراسات حالة في النظم الهجينة المتجددة

أيسلندا: حوالي 100 في المائة قابلة للتجديد مع الطاقة الحرارية الأرضية والهيدرو

وتولد أيسلندا أكثر من 25 في المائة من الكهرباء من الطاقة الحرارية الأرضية والباقي من الطاقة الكهرمائية، مع صغر حجم الرياح والشمس، يظهر النموذج الآيسلندي أن مصدر الطاقة المتجددة (الطاقة الحرارية الأرضية بالإضافة إلى الهيدرو) يمكن أن يولد اقتصادا عصريا كاملا، وليس للبلد حاجة إلى التخزين؛ فالطيور الحرارية الأرضية توفر المرونة بتعديل الإنتاج من النباتات المتعددة، وبالنسبة للدول ذات الموارد المماثلة، يمكن أن تكون الطاقة الحرارية الأرضية العمود الفقري الأساسي المضافة.

كينيا: الطاقة الحرارية الأرضية بوصفها مؤسسة النمو الشمسي والريحي

ولدى كينيا واحدة من أعلى حصص الطاقة الحرارية الأرضية في العالم (أكثر من 800 ميغاواط من مجموع 900 2 ميغاواط)، ومع توسع المشاريع الريحية والشمسية، يوفر الطاقة الحرارية الأرضية اللازمة لضمان الاستقرار، وينتج مجمع الأوكلاريا الحراري وحده طاقة كافية لتغطية الحمولة الأساسية للبلد بأسره، وتستفيد المزارع الريحية الجديدة في منطقة بحيرة تركانا والنباتات الشمسية في غاريسا من هذا الأساس الثابت، ويمكن أن تستوعب الشبكة.

الولايات المتحدة: الهجين الحراري الجيولوجي - الشمسي في ستيلووتر

وفي نيفادا، تجمع النباتات الهجينة في ستيلوت ووتر بين وحدة ثنائية للحرارة الأرضية قوامها 33 ميغاواط مع صفيفة فولتية شمسية تعمل على 26 ميغاواط ونظام حراري شمسي مركز، وتظهر هذه المحطة كيف يمكن للحرارة الأرضية أن تعوض عن التقلب الشمسي: ففي اليوم، تقلل الطاقة الشمسية من المستودع الحراري الجيودي؛ وفي أيام الليل والسحاب، تحقق التكوين الحراري الجيولوجي.

التغلب على الهمج: التدفئة والتقيؤ والتصور العام

دال - المخاطر والتخفيف من حدة الآثار

فالحفر الحراري الأرضي ينطوي على مخاطر جيولوجية عالية - يمكن أن تكون الآبار جافة أو تكون درجة حرارة أقل مما كان متوقعاً، وهذا الخطر يجعل التمويل صعباً، وتشمل الحلول استخدام التصوير السيزمي المتطور (الاستكشاف من النفط والغاز) ووضع بروتوكولات موحدة للتنقيب، وثمة نهج آخر هو " التنقيب عن الطاقة الحرارية " باستخدام الشراكات بين القطاعين العام والخاص، حيث تمول الوكالات الحكومية آبار الاستكشاف من أجل الاستثمار الخاص المجازف، وقد نجحت الهيئة الوطنية في هذا الأمر.

Permitting and Environmental Concerns

ويمكن أن تبرز النباتات الحرارية الأرضية كميات صغيرة من كبريت الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون )وإن كانت أقل بكثير من الوقود الأحفوري( ويجب إدارة الزلازل التي يسببها حقن السوائل في نظام إي جي إس بعناية، كما يتبين من مشروع بازل، سويسرا، الذي أدى إلى حدوث زلزال طفيف، غير أن نظم الرصد والحركة الحديثة تسمح بالعمل الآمن، وكثيرا ما يسقط الحد من الحرارة الأرضية بين أنظمة التعدين ونبات الطاقة، مما يؤدي إلى تأخيرات البيروقراطية.

قبول الجمهور والمشاركة المجتمعية

وفي مناطق كثيرة، لا تُعد الحرارة الأرضية غير مألوفة مقارنة بالرياح والطاقة الشمسية، وقد تقلق المجتمعات المحلية بشأن استخدام المياه (رغم أن النباتات الثنائية الحديثة تستخدم نظما مغلقة) أو الآثار البصرية (الرؤوس والأنابيب أقل تدخلا من التوربينات الريحية أو الحقول الشمسية) ويمكن أن تدعم مشاركة المجتمعات المحلية المبكرة، وتقييمات الأثر البيئي الشفافة، وتقاسم المنافع (مثل تقاسم الإيرادات للحكومات المحلية).

دعم السياسات اللازمة لفتح الباب

رسوم تعريفات ومعايير حمولة متجددة

وقد حققت بلدان كثيرة تغلغلاً عالياً في الرياح والطاقة الشمسية من خلال التعريفات الجمركية ومعايير الحافظة، غير أن الطاقة الحرارية الأرضية تفتقر في كثير من الأحيان إلى حوافز محددة، ويمكن لصانعي السياسات أن يعتمدوا ائتمانات أو مخرجات متجددة في إطار معايير حافظة الطاقة المتجددة التي تتطلب نسبة مئوية دنيا من المصادر القابلة للإرسال مثل الطاقة الحرارية الأرضية، وعلى سبيل المثال، توفر ألمانيا علاوة على الكهرباء الحرارية الأرضية من خلال قانون مصادر الطاقة المتجددة.

Risk Mitigation for Early EGS Projects

(ب) تعزيز نظم الطاقة الحرارية الأرضية يتطلب استثماراً عالياً في البداية، ويمكن للحكومات دعم المشاريع العينية من خلال ضمانات القروض وبرامج المنح والاستثمار العام في محطات العرض، ويهدف برنامج المظاهرات التجريبية التابع لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة (الممول من قانون البنية التحتية في بيبارتيسان) إلى إثبات سلامة التجارة في أربعة إلى ستة مواقع بحلول عام 2025، وبرنامج هاوريسون الأوروبي التابع للمفوضية الأوروبية لديه مبادرات مماثلة.

التكامل بين النظم

ويجب أن تدمج المرافق الصحية ومشغلو الشبكات الطاقة الحرارية الأرضية في خطط الموارد الطويلة الأجل، وهذا يعني الاعتراف بقيمتها ليس كمصدر للطاقة فحسب، بل كمورد للقدرات يزيل الحاجة إلى محطات لزوم الغاز ومزارع البطاريات الكبيرة، وفي ولايات مثل كاليفورنيا، بدأت لجنة المرافق العامة في المطالبة بأن تشمل حافظات الطاقة المتجددة على الأقل بعض المصادر الثابتة والمرسلة التي يمكن أن تملأها الحرارة الأرضية.

خط القصيد: قطعة ضرورية من الألغاز

وقد أحرزت الطاقة الشمسية والريحية تقدما غير عادي، ولكنها لا تستطيع أن تؤدي العمل بمفردها، إذ أن شبكة متجددة بنسبة 100 في المائة تعتمد فقط على مصادر متغيرة بالإضافة إلى تخزين قصير المدة ستكون باهظة التكلفة ويمكن أن تخاطر بالموثوقية أثناء الأحداث الجوية البالغة الشدة، فالطاقة الحرارية الأرضية - التقليدية والمعززة على السواء - توفر حلا واسع النطاق ومتجددا ومستكملا طبيعيا للريح والشمس، وقدرتها على توفير قدرة ثابتة، وتراجعة على تحقيق الاستقرار الموسمي يجعلها شريكا مثاليا.

وبالنسبة لمشغلي الأسطول ومديري الطاقة الذين ينظرون في الانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة، فإن الرسالة واضحة: فالطبيعية الحرارية الأرضية تستحق مكانا خطيرا في الحافظة، وعندما تقترن بالريح والطاقة الشمسية، فإنها يمكن أن توفر الطاقة الموثوقة والنظيفة والفعالة من حيث التكلفة التي تتطلبها العمليات الحديثة، وقد تكون الحرارة التي تحت أقدامنا تنتظر لحظة وصولها في نهاية المطاف.