دور الطاقة الحرارية الأرضية في تحقيق أهداف الانبعاثات الصافية صفر

دور الطاقة الحرارية الأرضية في تحقيق أهداف الانبعاثات الصافية صفر

وقد بدأ الانتقال العالمي للطاقة في مرحلة جديدة، حيث انصب التركيز على نشر كميات كبيرة من الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية والريحية، وفي حين أصبحت هذه التكنولوجيات رخيصة جدا ومتصاعدة، فإن شبكة ملغومة تماما تتطلب أكثر من مجرد ساعات عمل ميغاوات، وهي تتطلب طاقة ثابتة ومرسلة ونظيفة يمكن أن تعمل على مدار الساعة، بغض النظر عن الظروف الجوية.

وفي كثير من الأحيان، تتجاهل المناقشات الشعبية بشأن مصادر الطاقة المتجددة، تقدم الطاقة الحرارية الأرضية اقتراحاً فريداً بقيمة: فهي توفر الكهرباء التي تحمل على أساسها بيانات الانبعاثات أقل من أي مصدر آخر تقريباً، بما في ذلك الطاقة الشمسية والريحية عند النظر في استخدام الأراضي وصنعها على نحو كامل لدورة الحياة، ومع قيام البلدان بتحديث مساهماتها المحددة وطنياً بموجب اتفاق باريس، واستهداف الانبعاثات الصافية من الصفر بحلول عام 2050، فإن الحرارة الأرضية تتحول بسرعة من فضول جغرافي ذي صلة إلى أصول استراتيجية عالمية.

The Fundamentals of Geothermal Energy

إن الطاقة الحرارية الأرضية في جوهرها هي مجرد حرارة من الأرض، وهذه الحرارة نابعة من التكوين الأصلي للكوكب ومن التحلل الإشعاعي المستمر للنظائر العميقة داخل قشرة الأرض ومرجها، وتتدفق الحرارة إلى الخارج، وتخلق طبقة حرارية حرارية جغرافية تبلغ في المتوسط ٢٥-٣٠ درجة مئوية لكل كيلومتر من العمق، ويسمح لنا بخلق الكهرباء وتوفير الطاقة المباشرة.

تحديد أنواع الموارد

ولا تُنشأ جميع الموارد الحرارية الأرضية على قدم المساواة، ويكتسي فهم الاختلافات أهمية لتقييم الإمكانات العالمية:

• Hydrothermal Resources:] These are naturally occurring reservoirs of hot water or steam. They require three elements to co-exist: heat, liquid, and permeability. Hydrothermal systems are the most commercially grown and are found near tectonic plate boundaries or volcanic hotpots. These are the resources powering plants in Iceland.
• Enhanced Geothermal Systems (EGS):] This technology address the limitation of hydrothermal resources by artificially creating a reservoir. In EGS, liquid is in deep, hot, but impermeable rock and the rock is fractured, allowing the liquid to circulation, heat up, and be brought to the surface just potential.
• Geopressured and Magma Resources:] Geopressured resources contain hot water under high pressure, often containing dissolved methane. Magma resources are extreme, theoretical energy sources targeting the heat of molten rock directly. While technically viable, these remain primarily in the research phase due to extreme drilling and material challenges.

الدور الجوهري للعاصمة الحرارية الأرضية

ويحدد العمق المطلوب للوصول إلى درجات حرارة صالحة اقتصاديا (عادة ما تتجاوز 150 درجة مئوية لتوليد الكهرباء عن طريق محطات ثنائية أو أكثر من 200 درجة مئوية للمصانع الوميضية) تكاليف المشروع، إذ يشكل التدريج 50 في المائة إلى 70 في المائة من مجموع تكاليف رأس المال الأولي لمشروع حراري جغرافي، وتخفض أوجه التقدم في تكنولوجيا الحفر، التي تنقل إلى حد كبير من أسعار النفط والغاز (مثل قطع أشرطة اتفاقات الماس المتعددة الكلورين وتكاليف الحفر) بشكل مطرد.

How Geothermal Power Plant Generate Clean Electricity

ويعتمد تحويل الحرارة الجوفية إلى الكهرباء الصالحة للاستخدام على ثلاث تكنولوجيات أولية، كل منها يناسب درجات حرارة مختلفة من الموارد وولايات سوائل.

دري ستام نباتات

هذه أبسط تصميمات، وهي تأخذ البخار الطبيعي مباشرة من البئر الإنتاجي، وتمررها من خلال توربين لتوليد الكهرباء، وتكدس العادم، ثم تُحقن المياه المكدسة في الخزان، وتحتاج محطات البخار الجافة إلى موارد نادرة: البخار الجاف مباشرة من البئر، ومجمع الجايسرز في كاليفورنيا هو أكثر الأمثلة شهرة على هذه التكنولوجيا.

Flash Steam Plants

إن محطات البخار الضوئي هي أكثر أنواع محطات الطاقة الحرارية الأرضية التي تعمل حالياً، وهي تستخدم مياه ساخنة عالية الضغط (تزيد من 180 درجة مئوية) من الخزان، بينما تدخل المياه الساخنة خزاناً أقل ضغطاً، فهي تُنفخ في البخار، وتُفصل البخار عن بقية المياه وتُوجَّه إلى توربين.

مصانع المركبات الثنائية

وتُعد تكنولوجيا الدورة الملزمة منشأ التوسع الحراري الجيولوجي، إذ تتيح هذه النباتات توليد الكهرباء من موارد أقل درجة حرارة (70 درجة مئوية إلى 180 درجة مئوية)، وهو ما يمثل الغالبية العظمى من الطاقة الحرارية الأرضية العالمية، وفي محطة ثنائية، ينتقل السوائل الحرارية الأرضية الساخنة عبر مبادلات حرارية، ويسخن سائلاً ثانوياً (مثل الأيزوبوتان أو البطريق) وهو ما يقل عن نقطة الغليان.

لماذا الحرارة الأرضية هي الأساس لشبكة زيروا غريدز

ومع ازدياد حصة الطاقة الشمسية والريحية في الشبكات الوطنية، يواجه مشغلو النظم تحديات تتعلق بالتداخل، ومنحنى البط، والحاجة إلى تخزين طويل الأجل، وتحل الطاقة الحرارية الأرضية العديد من هذه المشاكل في آن واحد.

Firm Clean Power and Grid Reliability

ويحتوي الطاقتان الشمسية والريحية على عوامل قدرة تبلغ في المتوسط 20-3 في المائة (السول) و30-40% (الريح) وتتحقق النباتات الحرارية الأرضية باستمرار عوامل قدرة تتجاوز 85 في المائة وغالباً ما تزيد على 92 في المائة، وتضاهي أو تتجاوز موثوقية الفحم أو النووي، وهذا التوافر المرتفع يعني أن كل ميغاوات من الطاقة الحرارية الأرضية التي تم تركيبها تهدم ما يتراوح بين ثلاثة وأربعة أضعاف القدرة على توليد الطاقة المتجددة في إطار مخطط الطاقة الحرارية السنوية.

الاستخدام المباشر والتدفئة المحلية

إن توليد الكهرباء هو جزء واحد فقط من أحجية إزالة الكربون، إذ أن نحو 50 في المائة من الاستهلاك العالمي النهائي للطاقة هو التدفئة، والطاقة الحرارية الأرضية مناسبة بشكل استثنائي لتطبيقات الاستخدام المباشر، كما أن نظم التدفئة المحلية، مثل تلك التي تسخن ريكيافيك لعقود، يمكن أن تحل محل مغلي الغاز الطبيعي في المراكز الحضرية، ويمكن أيضا استخدام الحرارة الحرارية الأرضية في الزراعة (المنازل)، وتربية الأسماك المائية (الممرات).

الاستخدام والكفاءة في استخدام الأراضي

وتتوفر لمصانع الطاقة الحرارية الأرضية بصمة أرضية أصغر بكثير لكل غاز الماء المنتجة مقارنة بالشمس أو الرياح، وتحتاج مزرعة شمسية إلى ما يقرب من 5-10 هكتارات لكل ميغاواط.() وتحتاج محطة حرارية جغرافية إلى 1.4 فدان لكل ميغاواط، بما في ذلك الأرصفة الصالحة ومحطة توليد الطاقة، وعلاوة على ذلك، لأن النباتات الحرارية الأرضية تنتج الطاقة باستمرار، فإن استخدامها في الأراضي الحرجية لكل ميغاه التي يتم تسليمها هو أكثر ملاءمة.

التغلب على الحواجز أمام التبني على نطاق واسع

وعلى الرغم من مزاياه، فإن الطاقة الحرارية الأرضية قد ظلت تتراجع تاريخياً بمجموعة محددة من المخاطر والتحديات، فالدفعة العالمية من أجل صافي الطاقة تهيئ الظروف السياسية والمالية اللازمة للتغلب على هذه الحواجز.

رأس المال السطحي العالي ومخاطر التدريل

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الحاجز الرئيسي الذي يواجه التنمية الحرارية الأرضية هو ارتفاع النفقات الرأسمالية الأولية، وتحديدا خطر حفر الآبار غير الناجحة، ويمكن أن تبلغ تكلفة حفر آبار الاستكشاف ما بين 5 و 10 ملايين دولار، ويمكن أن تتجاوز كمية الإنتاج الكاملة 15 مليون دولار، كما أن خطر أن يكون جفافا أو غير كاف قد يكون له أثر حاسم في التمويل الخاص. وهذا أمر يتغير.

القيود الجغرافية وإدارة الزلازل

وحتى ظهور نظام EGS، كان الطاقة الحرارية الأرضية مقصورة إلى حد كبير على المناطق النشطة التي تكتنفها التكتلات، وحتى في هذه المناطق، يجب إدارة الخزانات للحفاظ على الضغط ودرجة الحرارة، ويمكن أن تعمل الخزان الذي يديره جيداً لمدة تتراوح بين 30 و50 سنة، كما أن القلق بشأن الظواهر الكهرمائية الناجمة عن الارتحال والتي تسببها صناعة الحرق غير المتعمد، قد أخذتها الصناعة على نحو خطير.

العقبات التنظيمية والتأثيرية

ويمكن أن يستغرق الجدول الزمني من تحديد الموارد الأولية إلى مصنع للحرارة الأرضية يعمل بكامل طاقته 5 إلى 10 سنوات، ويُنفق الكثير من هذا الوقت على استعراض البيئة، والسماح، وتأمين عقود الإيجار على الأراضي الاتحادية (في الولايات المتحدة)، وتركيز هذه العملية على الأولوية بالنسبة لمنظمي الطاقة في عدة بلدان، وتقوم المملكة المتحدة والولايات المتحدة، على سبيل المثال، باستكشاف مبادرات رسم خرائط " تحت سطح الأرض " ، وتسمح المكاتب المركزية بتسريع جداول المشاريع.

The Enhanced Geothermal Systems (EGS) Revolution

ويتمثل التقدم الوحيد الأكثر تحولا في قطاع الطاقة الحرارية الأرضية في سرعة تسويق النظم الحرارية الأرضية المعزَّزة.

فتح الباب المحتمل في كل مكان

موارد الطاقة الحرارية المائية محدودة بنسبة 10% من مساحة الأرض يمكن نشرها في أي مكان مع صخرة ساخنة بما فيه الكفاية في عمق الحفر والذي هو في كل مكان

قصص النجاح التجارية

وقد أثبت الانتقال من الناحية النظرية إلى التجارة أن تقنيات الحفر الأفقي، التي كانت رائدة في صناعة النفط والغاز في الشالي، يمكن تطبيقها على الطاقة الحرارية الأرضية، وفي عام 2023، أثبت فيروفو أن مشروعه الأول في نظام الأفضليات البيئية في نيفادا قد حقق معدلات تدفق واستعادة حرارية تلبي أو تجاوزت توقعاتها.

نقل التكنولوجيا من النفط والغاز

وقد تتحول سلسلة المهارات المطلوبة للحفر الموجه للنظم الإيكولوجية، والخصائص المصممة للمستودعات، والكسر الهيدروليكي، والهندسة تحت سطح الأرض، والتي يمكن نقلها مباشرة من النفط والغاز، وحيث أن العالم يبتعد عن الهيدروكربونات، فإن القوى العاملة وسلاسل الإمداد التكنولوجي تتجه نحو الطاقة الحرارية الأرضية، وهذا التآزر يوفر عاملاً هائلاً من عوامل التعجيل بالنشر.

قادة العالم وجبهة التحرير

ويتغير توزيع اعتماد الطاقة الحرارية الأرضية، وبينما يواصل الزعماء التقليديون التوسع، فإن البؤر الساخنة الجديدة آخذة في الظهور.

آيسلندا: النموذج الكامل

إن أيسلندا هي المعيار الذهبي لاستخدام الطاقة الحرارية الأرضية، إذ يسخن أكثر من 90 في المائة من المنازل بتدفئة المناطق الحرارية الأرضية، وتوفر الطاقة الحرارية الأرضية ما يقرب من 25 في المائة من الكهرباء في البلد (الباقي هي الطاقة الكهرمائية)، وتظهر أيسلندا إمكانية إزالة الكربون العميق عندما يدمج المجتمع الطاقة الحرارية الأرضية لكل من الطاقة والحرارة.

الولايات المتحدة: مؤسسة العملاق النائمة

ولا تزال الولايات المتحدة أكبر منتج للكهرباء الحرارية الأرضية على الكوكب، ولا سيما من شركة الجيزر في كاليفورنيا، إلا أن مشاريع جديدة تزدهر في نيفادا، وأوتا، وأريغون، وأيداهو، كما أن قانون الحد من التضخم قد مدد الائتمانات الضريبية للإنتاج بالنسبة للحرارة الأرضية، وأعطى هذا المشروع درجة حرجة من الاستحقاق لتحصيل ضريبة الاستثمار بنسبة 30 في المائة.

إندونيسيا والفلبين: بؤرة بركانية

ولدى إندونيسيا أكبر قدر ممكن من الطاقة الحرارية الأرضية في العالم (أكثر من 29 جيو ويب)، والفلبين هي ثالث أكبر منتج على الصعيد العالمي، ويوسع كلا البلدين بقوة أساطيلهما الحرارية الأرضية للحد من الاعتماد على الفحم والديزل، ويوفر موقعهما على رنين النار موارد عالية الحرارة تناسب تماماً لمصانع البخار الخفيف.

شرق أفريقيا: فرص الوادي المتصدع

ويتمتع نظام التحول في شرق أفريقيا بقدرات هائلة على الطاقة الحرارية الأرضية بالنسبة لبلدان مثل كينيا وإثيوبيا وجيبوتي، وكينيا هي بالفعل قائدة، حيث توجد أكثر من 800 ميغاواط من النباتات في منطقة أوكلاريا، مما يجعلها أكبر منتج للحرارة الأرضية في أفريقيا، وهذه الطاقة النظيفة والثابتة تقود التصنيع وتحسن فرص الحصول على الطاقة في منطقة تكون شبكات الطاقة فيها ضعيفة ومكلفة.

Environmental Profile and Sustainability

ولكي تكون الحرارة الأرضية حجر الزاوية في التحول الصافي إلى الصفر، يجب أن تدار بصمة البيئة بدقة عبر دورة حياتها.

دورة الحياة

وتبين تقييمات دورة الحياة بوضوح أن الحرارة الأرضية تحتوي على أقل انبعاثات غازات الدفيئة لأي مصدر للطاقة، وأن محطات الدورة البنائية لديها تقريباً انبعاثات صفرية، وأن محطات البخار الجاف والبخار الجاف يمكن أن تُنتج بعض ثاني أكسيد الكربون (CO2) و سلفيد الهيدروجين من السائل الحراري الجيولوجي، ولكن هذه هي أوامر ذات حجم أقل من الفحم أو الغاز الطبيعي، كما أن النباتات الحديثة تستخدم نظم خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (مثلاً لمعايير السترفورد).

استخدام المياه

وعلى عكس نظام الأفضليات المعمم بالطاقة الشمسية، أو النواة، أو الفحم، أو النباتات الحرارية الأرضية الثنائية لا تستهلك كميات كبيرة من المياه العذبة، بل تستخدم حلقة ثانوية تتطلب الحد الأدنى من مياه المكياج، وبالنسبة للمصانع الوميضية، يعاد حقن معظم السائل الحراري الجيوئي إلى الخزان للحفاظ على الضغط، وتقليل استنفاد المياه السطحية إلى أدنى حد، مما يجعل الحرارة الأرضية خيارا جذابا للمناطق التي ترتدى المياه.

استخدام الأراضي والإنتاج المشترك

كما أن النباتات الحرارية الأرضية لها آثار أقدام صغيرة جدا فوق سطح الأرض، كما أنها تفتح فرصاً للإنتاج المشترك، كما أن الرنة الساخنة في العديد من الخزانات الحرارية الأرضية تحتوي على معادن قيمة، ولا سيما الليثيوم، كما أن استخراج الليثيوم المباشر من ألوان الحرارة الأرضية يوفر وسيلة لإنتاج ليثيوم من درجة البطاريات مع تأثير أقل بكثير من تأثير الكربون التقليدي على التعديني الصلب أو التهرب من سلاسل الطاقة الكهربائية.

الخلاصة: مقياس استراتيجي لعام 2050

إن الطريق إلى الانبعاثات الصافية صفرية هو متجانس، ويتطلب زيادة كل مورد نظيف متاح إلى أقصى حد، وسيؤدي الطاقتان الشمسية والريحان إلى رفع كبير في حجم الطاقة الخفيفة، ولكن الطاقة الحرارية الأرضية توفر التوازن الحاسم: الطاقة النظيفة الموثوقة والمرنة والفعالة من الناحية الفضائية، وهي مصدر الطاقة المتجددة الوحيد الذي يمكن أن يوفر الحمولة الأساسية والطاقة القابلة للإرسال دون الاعتماد على الطقس.

وتقارب تكاليف الحفر المخففة، والاختراق التجاري لنظم الطاقة البيئية، والدعم القوي في مجال السياسات في الاقتصادات الرئيسية، من أجل خلق عصر ذهبي للحرارة الحرارية الأرضية، ومن أجل تحقيق الأهداف الصافية للطاقة التي حددتها الدول في جميع أنحاء العالم في عام 2050، يجب على الحكومات أن تعطي الأولوية لرسم خرائط الموارد العالية الجودة، وأن تبسط الرخص، وأن تواصل تمويل البحوث ونشر التكنولوجيات الجيل القادم مثل الطاقة الحرارية الأرضية الكبيرة (التي يمكن أن تُفتح موارد هائلة وغير مستنفدة).

الطاقة الحرارية الأرضية لم تعد تكنولوجيا نائية أو حاشية جغرافية، إنها أداة ثابتة وقابلة للتقدير وضرورية لبناء نظام للطاقة يتسم بالمرونة، الصفرية الكربونية، الحرارة تحت أقدامنا هي أصل طبيعي دائم، ولدى الصناعة الآن أدوات لتسخيرها على نطاق واسع.