Table of Contents
التعريف بالنظم الحرارية الأرضية المعززة
وتمثل النظم الحرارية الأرضية المعززة قفزة تحولية في تكنولوجيا الطاقة الحرارية الأرضية، وخلافا لمصانع الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية التي تعتمد على المياه الحرارية المائية التي تحدث بصورة طبيعية، والبخار المحصور في تشكيلات الصخور القابلة للتداول، يتيح هذا النظام استخراج الطاقة من مواقع محمية كبيرة جدا في أعماق الصخور، وذلك عن طريق الهندسة الاصطناعية التي تستخدم في التحفيز الجغرافي المغناطيسي.
والمبدأ الأساسي هو: حفر آبار إلى صخرة ساخنة وجافة (بعمق 2-5 كيلومترات حيث تتجاوز درجات الحرارة 150 درجة مئوية)، وتحقن المياه ذات الضغط العالي لخلق وبث الكسور، ثم تعمم المياه من خلال الخزان المشكل حديثا، وتعود المياه المتسخة أو البخارية إلى السطح عن طريق آبار الإنتاج لحمل التربينات المبردة وتوليد الكهرباء.
The California EGS Project: A Pioneering Demonstration
وقد بدأ مشروع كاليفورنيا لنظم الطاقة الحرارية الأرضية في عام 2021، وهو شراكة بارزة بين القطاعين العام والخاص تهدف إلى إثبات القدرة التجارية للنظم الحرارية الأرضية المعززة على نطاق المرافق العامة، حيث توجد في منطقة الوادي الامبراطوري، وهي منطقة غنية بقدرات الموارد الحرارية الأرضية - وهو المشروع الذي يستند إلى عقود من التطوير الحراري الجيولوجي التقليدي، مع دفعها إلى تشكيلات أعمق وأكثر تواتراً وأشد صخور، وقد استهدفت المبادرة مجموعة من المؤسسات البحثية، بما فيها شركات الطاقة،
معلومات أساسية عن المشروع والأهداف
وكان الهدف الرئيسي هو إظهار توليد الطاقة المستدامة من خزان محفز اصطناعيا، وتخفيض التكلفة المخفضة لكهرباء نظام إي جي إس، ووضع أفضل الممارسات لاختيار المواقع، وتصميمها جيدا، وإدارة خزاناتها، وشملت الأهداف الثانوية تحسين تقنيات الرصد للزلازل المستحثة، والنهوض بقبول الجمهور لنظام إي جي إس كمصدر آمن وخفيض الأثر للطاقة، واختيرت هذه المواقع استنادا إلى دراسات استقصائية جيولوجية واسعة النطاق، بما في ذلك قياس مدى الإجهاد الحراري.
التكنولوجيات والأساليب الرئيسية
مشروع "كاليفورنيا" للـ"إي جي إس" استخدم مجموعة متكاملة من التكنولوجيات كل شيء مهم لنجاح المشروع هذه التكنولوجيات تمت صقلها من خلال الاختبارات المتكررة والتكييف مع الظروف الخاصة بالموقع
التدريل العميق والتصميم الجيد
وتم حفر بئرين عميقين إلى عمق مستهدف يبلغ حوالي 500 3 متر (500 11 قدم) باستخدام تقنيات حفر متقدمة في الاتجاه، وقد أدرجت تصميمات السلاسل مواد عالية التمرين، بما في ذلك سبائك مقاومة للتآكل لخطوط الإنتاج الداخلية، وزادت أيضا تكاليف الضبط الجغرافي من حيث ارتفاع درجة الحرارة إلى أقصى حد ممكن.
التحفيز الهيدروليكي والإبداع الاحتياطي
وكان جوهر تكنولوجيا الغازات المميتة هو تحفيز مائي متحكم به بعناية في حقن الماء في ضغطات عالية من أجل إنشاء شبكة من الكسور، وفي كاليفورنيا، استخدم المهندسون استراتيجية تحفيز تدريجية، وأول ماء محصن تحت ضغط يقل عن الحد الأدنى من الضغط الرئيسي، ثم تزايداً مطرداً لخلق كسور حادة، وتم رصد العملية عن طريق تركيب صفائح كهربائية مصغرة في الرصد القريب.
استخراج الحرارة وخلق الطاقة
وبعد إنشاء الخزان، كانت آبار الإنتاج مرتبطة بمصنع طاقة ثنائي الدورة (دورة رانكين) يستخدم مادة ثانوية تعمل بالسيارات - سبينتين - لتبخير درجة حرارة منخفضة نسبياً تبلغ 180-200 درجة مئوية. كما أن نظام النوافذ المغلقة يكفل عدم إطلاق أي سوائل في الغلاف الجوي، كما أن آبار إعادة الشحن تحافظ على ضغط التبادل المقوى في موسم الطاقة الكهربائية.
الإنجازات والنتائج
وتجاوز مشروع نظام كاليفورنيا لأفضليات الطاقة في كاليفورنيا العديد من معايير الأداء الأولية، مما يوفر أدلة مقنعة على أن النظام العالمي للطاقة يمكن أن يكون مصدرا موثوقا به ومأمونا ومتزايدا من مصادر الطاقة المتجددة القادرة على تحمل التكاليف.
توليد الطاقة ومساهمة المحايدة
بين 2022 و2024، المشروع كان يولد باستمرار 20 إلى 25 ميغاواط من الكهرباء، مع ناتج تراكمي يتجاوز 400 جيه، تم تغذية هذه الطاقة في شبكة تشغيل نظام كاليفورنيا المستقل، مما أسهم في معيار حافظة الطاقة المتجددة للدولة، وكان الأداء التشغيلي قوياً، حيث كان الوقت غير المستقر محدوداً بأقل من 5 في المائة من ساعات التشغيل، وقد استجاب المصنع بفعالية لإشارات الشبكة للشحن بعد ذلك، على الرغم من أن دوره الأساسي هو الإمداد
الترميمات التكنولوجية وخفض التكاليف
A most valuable outcome from the California project is the wealth of operational data that has informed next‐generation EGS design. Drilling times were reduced by 15% compared to initial projections, thanks to the use polycrystalline diamonds compact (PDC) and high —-temperature mud motors. Stimulation techniques were refined to minimize liquid volumes while maxim fracture connectivity - a key step
التحديات والتخفيف من المخاطر
وعلى الرغم من نجاح مشروع نظام كاليفورنيا للإحصاء، فقد واجه مجموعة كبيرة من التحديات التقنية والاجتماعية الهامة التي هي أساسية لنظم الطاقة الحرارية الأرضية المصممة.
النزعة السيزمية المحفزة: الرصد والإدارة
(أ) إن أفضل عمليات رصد الكبريتات التي يتم إجراؤها في المستقبل هي: (الإطار العام)
التكاليف الرأسمالية العليا
وقد تجاوز مجموع استثمارات المشروع 180 مليون دولار، منها 65 في المائة موجهة نحو الحفر والتحفيز، وهذه الكثافة العالية لرأس المال لا تزال تشكل الحاجز الرئيسي أمام اعتماد نظام الطاقة البيئية على نطاق واسع، ولهذا السبب، استُخدمت المنح الاتحادية من مكتب تكنولوجيات الطاقة الحرارية الأرضية التابع لوزارة الطاقة وصندوق كاليفورنيا لبحوث الطاقة النظيفة.
المياه
ويحتاج نظام رصد الغلاف الجوي إلى كميات كبيرة من المياه - سواء لأغراض التحفيز الأولي أو التداول المستمر - ويستخدم مشروع كاليفورنيا حوالي 5 ملايين متر مكعب من المياه خلال السنوات الثلاث الأولى، ويستمد أساسا من المياه المستعملة البلدية ولوازم المياه الجوفية غير القابلة للاحتجاز، ويستخدم المشروع المستثمر في مصانع التبريد المحتوية على هواءات قابلة للمقارنة (التبريد الجاف) لمصنع الطاقة، مما يقلل من الاحتياجات من المياه المبردة بنسبة 90 في المائة.
الآثار الأوسع نطاقاً على تطوير النظم الإيكولوجية
تجربة كاليفورنيا توفر مخططا قابلا للتحويل لمشاريع EGS في جميع أنحاء العالم، تعزيز قدرة التكنولوجيا على المساهمة بشكل مفيد في التحول العالمي للطاقة.
الدروس المستفادة من مشاريع المستقبل
وتشمل هذه المواضع الرئيسية: (1) تحديد الموقع بالتفصيل - لا سيما تحديد الإجهاد ورسم خرائط الكسور الطبيعية - وهو أمر حاسم لتجنب الفشل في المراحل المبكرة؛ (2) الحفز التدريجي مع التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي من حيث الأوبئة، يقلل بدرجة كبيرة من مخاطر الزلازل المستحثة؛ (3) توليد الطاقة الثنائية يناسب بشكل جيد القدرة على إحداث تغيير في مستويات الاستهلاك في مرحلة مبكرة (150-250 درجة مئوية)؛
القدرة الاقتصادية على تحمل تكاليف الطاقة على المستوى المطلوب
(أ) إذا كان ارتفاع معدل انبعاثات غازات الدفيئة في البداية بمقدار 120/ميغاواط أعلى من أسعار الكهرباء السائدة في بعض الأسواق، فإن عدة عوامل تضعف الاقتصاد في صالح الغازات الخماسية (EGLS) على عكس الطاقة الشمسية والريحية، توفر الطاقة الأساسية الثابتة والمرسلة التي تزيد على 90 في المائة، وعندما تشمل هذه القيمة الثابتة تكلفة تخزين البطاريات أو محطات توليد الغازات - التكلفة الفعلية لغازات الطاقة(0)
مستقبل EGS في كاليفورنيا وما بعدها
وقد حفز نجاح مشروع نظام كاليفورنيا للكهرباء الكهربائية EGS موجة من المبادرات الجديدة، سواء داخل الدولة أو على الصعيد الدولي، ويقضي مشروع قانون مجلس الشيوخ في كاليفورنيا 100 في المائة بالكهرباء النظيفة بحلول عام 2045، مما أدى إلى إيجاد دافع قوي للسياسات بالنسبة لجميع الشركات والموارد الخالية من الكربون بما في ذلك الطاقة الحرارية الأرضية، وقد حددت الدولة هدفاً يتمثل في 500 1 ميغاواط من الطاقة الحرارية الجديدة بحلول عام 2030، ويتوقع أن يوفر مكتب إدارة الأراضي في كاليفورنيا حصة كبيرة.
Nationally, the U.S. Department of Energy Geothermal Everywhere initiative aims to achieve an LCOE of $45/MWh for EGS by 2035, unlocking an estimated 100 GW of baseload potential across the western U.S. and up to 1,000 GW global. Projects are already planned in Nevada, Utah,
وتشمل الحدود التكنولوجية ارتفاع حرجية في درجات الحرارة التي تصل إلى درجة حرارة الصخور فوق 400 درجة مئوية، حيث تصبح المياه سطحية، حيث تستضيف 5-10 أضعاف الطاقة لكل حفّة متقدمة تستخدم السوائل المنخفضة النسيج، والصدمة الحرارية، بل وحتى التفكك الكيميائي لخلق قابلية للاستمرار دون مخاطر زلزالية، وقد وفر مشروع كاليفورنيا البيانات الميدانية الأساسية اللازمة لتثبيت هذه المفاهيم الجديدة وجذب رأس المال إلى آخر.
والرحلة من المفهوم التقني إلى الواقع التجاري ليست خطية أبدا، ولكن المسار الذي أقيم في كاليفورنيا يوفر مسارا واضحا للأمام، ومع انخفاض تكاليف الحفر، ونضج أطر الحد من المخاطر، ومواءمة البيئات التنظيمية، سيتزايد الاعتراف بالنظم الحرارية الأرضية المعززة لا بوصفها تكنولوجيا حيوية، وإنما بوصفها دعامة أساسية للهياكل الأساسية العالمية للطاقة النظيفة.