دور الطاقة الحرارية الأرضية في تحقيق الإدارة المستدامة للمياه

A New Lens on Water Scarcity: The Geothermal Advantage

إن توافر المياه العذبة هو أحد أكثر التحديات إلحاحا في القرن الحادي والعشرين، وتغير المناخ أنماط التهطال، وتراجع الجليد، وتستنفد طبقات المياه الجوفية بسرعة أكبر من إعادة الشحن، وفي نفس الوقت، فإن إنتاج الطاقة هو مستهلك رئيسي للمياه، ويزيد من سرعة توليد الطاقة الكهربائية، ويزيد من سرعة توليد الطاقة الكهربائية، ويزيد من حدة الطاقة،

The Fundamentals of Geothermal Energy

How Geothermal Systems Work

الطاقة الحرارية الأرضية من التحلل الإشعاعي للعناصر العميقة في قشرة الأرض ومن حرارة التكوين الأصلي للكوكب هذه الحرارة مستمدة من حفر الآبار في مستودعات المياه الساخنة أو البخار تحت الأرض، ودرجة الحرارة القصوى للشبكة المائية، ودرجة الحرارة العالية، ونسبة الحرارة العالية، ونسبة الحرارة العالية، ونسبة الحرارة العالية، ونسبة الحرارة العالية، ونسبة الحرارة العالية، ونسبة الحرارة القصوى، 150 درجة مئوية.

توافرها وإمكانية الاعتماد عليها

ولا تتوقف الطاقة الحرارية الأرضية، بخلاف الطاقة الشمسية والريحية، على الأحوال الجوية، إذ يمكن أن تحقق محطة حرارة جغرافية مصممة تصميما جيدا عوامل قدرة تتجاوز 90 في المائة، وتوفر طاقة ثابتة من الحمولة الأساسية، وهذه الموثوقية حاسمة بالنسبة للهياكل الأساسية المائية الكثيفة الطاقة مثل محطات تحلية المياه ومرافق معالجة مياه الصرف الصحي، التي يجب أن تعمل باستمرار لتلبية الطلب، وقاعدة الموارد الحرارية الأرضية العالمية هائلة، مع تقدير الطاقة الحرارية الدولية التي يمكن تركيبها على مدى الوقت المتاح من الناحية التقنية.

شبكة المياه والطاقة: حيث يُحدث تغيراً في الحرارة الأرضية

ويصف الترابط بين المياه والطاقة الترابط بين شبكات المياه والطاقة، فالماء مطلوب لإنتاج الطاقة (الخلاص والتبريد والتجهيز) والطاقة اللازمة لإمدادات المياه (الضخ، المعالجة، تحلية المياه) والطاقة الحرارية الأرضية موجودة في تقاطع فريد من هذا الترابط، لأنه يمكن أن تستهلك على حد سواء مصادر أقل من المياه التقليدية، وتوفر حرارة منخفضة الجودة يمكن استخدامها لمعالجة المياه أو إنتاجها.

تخفيض استهلاك المياه في توليد الطاقة

وتستخدم محطات الوقود الأحفوري التقليدية والطاقة النووية كميات هائلة من المياه للتبريد، ففي الولايات المتحدة، يمثل توليد الطاقة الحرارية نحو 40 في المائة من جميع عمليات سحب المياه العذبة، ويمكن لمصانع الطاقة الحرارية الأرضية، ولا سيما التصاميم الثنائية والتصميمات المصممة جوا، أن تقلل من سحب المياه واستهلاكها بنسبة 95 في المائة أو أكثر مقارنة بالنباتات التقليدية.

مصادر الطاقة الكثيفة للمياه

وبالإضافة إلى استهلاك النباتات المباشر، تُنقِل الطاقة الحرارية الأرضية المياه اللازمة لاستخراج الوقود، وتعدين الفحم، وحفر الغاز الطبيعي، والكسر الهيدروليكي (التعقب) في جميع المناطق التي يتنافس فيها استخراج الوقود الأحفوري مع الاستخدامات الزراعية، وذلك بالاستعاضة عن هذه المصادر بالكهرباء الحرارية الأرضية، وتخفض البصمة المائية لنظام الطاقة على مستوى سلسلة الإمداد، وكثيرا ما تُغنى هذه الادخار غير المباشر للمياه، ولكنها هامة في المناطق التي يتنافس فيها استخراج الوقود الأحفوري مع الاستخدامات الزراعية.

التطبيقات المباشرة: الحرارة الأرضية لإدارة المياه

إن أكثر التطبيقات الفورية وفعالية من حيث التكلفة للطاقة الحرارية الأرضية لإدارة المياه هي نظم الاستخدام المباشر، وتستخدم هذه النظم سوائل حرارية حرارية من درجة منخفضة إلى متوسطة للتدفئة والتبريد والعمليات الصناعية، وتتجاوز الخسائر الدينامية الحرارية لتوليد الكهرباء.

التدفئة والتبريد في المقاطعات

وتوزع شبكات التدفئة الحرارية الأرضية المياه الساخنة من مصدر حراري جغرافي مركزي إلى المباني السكنية والتجارية والصناعية، وهذا يزيل الغاز الطبيعي أو التدفئة الكهربائية، التي يكون لكل منهما آثار كبيرة على المياه، ويحتاج استخراج الغاز الطبيعي وصيانة الأنابيب إلى المياه، في حين أن التدفئة الكهربائية تعتمد في كثير من الأحيان على مزيج شبكات يشمل النباتات الحرارية التي تستخدم المياه الكثيفة، ويزيل التدفئة الحرارية الأرضية تلك المطالب المائية في المناطق المرتفعة.

الاستخدامات الزراعية والزراعية

ويمكن تطبيق الحرارة الحرارية الأرضية مباشرة على الزراعة من خلال تسخين الدفيئة، وتدفئ التربة، وتربية المائيات المائية، وتتيح الدفئات الحرارية المائية إنتاج المحاصيل في محيطات باردة، مما يقلل من الحاجة إلى الأغذية المستوردة والماء الافتراضي المحتوي على ذلك الغذاء، كما أن الأسماك التي تغذيها وحدة المياه الجوفية، والروبيان، وغيرها من الأنواع المائية في المياه التي تتحكم فيها الحرارة، تحقق معدلات نمو أسرع وثبات أعلى من كثافة الينابيعية.

3 - عملية التسخين الصناعية

وتتطلب العديد من العمليات الصناعية حرارة منخفضة الحرارة )٦٠ درجة مئوية - ١٥٠ درجة مئوية(، بما في ذلك التجفيف والتحلل والتبخير، ويمكن للحرارة الحرارية الأرضية أن توفر هذه الحرارة مباشرة، وأن تحل محل المغليات التي تستهلك المياه لتوليد البخار وتبريده، وفي صناعة تجهيز الأغذية، مثلا، تستخدم الحرارة الحرارية الأرضية في تجفيف الفواكه والخضر ومنتجات الألبان، مما يقلل من تكاليف الطاقة واستهلاك المياه.

Geothermal-Powered Desalination: Producing Fresh Water from the Earth

إن التحلل عملية كثيفة الطاقة تزيل الملح من مياه البحر أو المياه الجوفية المرفوعة لإنتاج المياه العذبة، وتُستخدم النسيج المهيمن في المضخات العالية الضغط، والتحلل الحراري الذي يستخدم الحرارة للتبخر والماء المكدس، ويمكن للطاقة الحرارية الأرضية أن تُقوى، ولكن تآزرها مع تحلية الحرارة، قوي بشكل خاص.

التحلل الحراري مع الحرارة الأرضية

وفي عمليات التحلل المتعددة التأثيرات، يتطلب التحلل المتعدد المراحل للتحلل الحراري، وتحتاج عدة مناطق تجريبية من المياه الجوفية إلى حرارة منخفضة الحرارة (70 درجة مئوية - 100 درجة مئوية)، وهي منطقة تقع في نطاق موارد حرارية كثيرة، وتُظهر فيها بصورة كبيرة وجود مستودعات للمياه الحرارية الأرضية مباشرة إلى محطة للتحليل الحراري، وتُقلل الحاجة إلى الكهرباء الخارجية، وتُستكشف تكاليف الطاقة الإجمالية من جراء انخفاض إنتاج المياه.

التلقيح العكسي بالكهرباء الحرارية الأرضية

وفي المناطق التي تكون فيها الموارد الحرارية الأرضية عالية الحرارة وملائمة بشكل أفضل لتوليد الكهرباء، يمكن استخدام الطاقة لتشغيل محطات تحلية المياه الجوفية، ولأن الطاقة الحرارية الأرضية هي حمولة أساسية وموثوق بها، فإنها يمكن أن تدعم استمرار عملية " رو " ، التي هي أكثر كفاءة من التشغيل المتقطع، ويجري العمل على هذا الجمع في كينيا، حيث توفر محطة المياه الحرارية الأرضية الأوكلاريا الكهرباء إلى 000 50 محطة توليد الطاقة الكهربائية التقليدية التي تخدم مدينة نافاشا.

إدارة المآوي واسترداد المعادن

وتنتج العزلة رشاً مركزاً، يجب التخلص منه بعناية لتجنب الضرر البيئي، وكثيراً ما تنتج النظم الحرارية الأرضية نسيمها الخاص، وهناك اهتمام متزايد بدمج إدارة رشاوى بين الاثنين، ويمكن أن تحتوي الألوان الحرارية الأرضية على معادن قيمة مثل الليثيوم والزنك والمنغنيز، وذلك باستعادة هذه المعادن قبل تحلية المياه، ويُسمى مجرى النفايات، ويُنشأ مجرى للإيرادات.

دراسات حالة في الإدارة المتكاملة للمياه الحرارية الأرضية

آيسلندا: نموذج لاستخدام العلماني

إن الأمن الغذائي في أيسلندا يقع على سطح المحيط الأطلسي، ويتمتع ببعض الموارد الحرارية الأرضية المتاحة في العالم، ويستخدم الطاقة الحرارية الأرضية في جميع مصادرها التدفئة تقريبا، ولحوالي 30 في المائة من الكهرباء، مما يؤثر تأثيرا مباشرا على إدارة المياه، ويتوقف الإمداد بالمياه في البلد على المياه الحرارية الأرضية لتدفئة المناطق، مما يسمح بدوره بحجز المياه العذبة الباردة للشرب والزراعة.

كينيا: الطاقة الحرارية الأرضية كحفاز لإتاحة المياه الريفية

إن كينيا هي قائد في التنمية الحرارية الأرضية في أفريقيا، حيث توجد قدرة على تركيب أكثر من 950 ميغاواط في حقل أوكلاريا، وتستعمل الحكومة بنشاط هذه الطاقة النظيفة لمعالجة شح المياه، كما أن محطة الأوكلاريا للتحلل، التي سبق ذكرها، هي مشروع رئيسي، ولكن الطاقة الحرارية الأرضية أيضاً يمكنها أن تضخ محطات الإمداد بالمياه الريفية والري، وفي وادي ريفت، حيث يكون الجفاف شائعاً، فإن الكهرباء الحرارية تُستمد من مضخات المياه الجوفية.

إندونيسيا: الطاقة الحرارية الأرضية للزراعة المستدامة وتربية الأحياء المائية

إن إندونيسيا تمتلك أكبر إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية في العالم، وتقدر بأكثر من 29 جي دبليو. ويستخدم البلد الحرارة الحرارية الأرضية لتحويل الزراعة في المناطق الجبلية، كما تستخدم البخار الحراري في غرب جافا لتجفيف أوراق الشاي والفاصوليا، وهي عملية كانت تعتمد في السابق على الحطب أو الوقود الأحفوري، مما يقلل من إزالة الغابات (التي تحمي مستجمعات المياه) ويزيل التلوث بالدخان في السنة المثلى من القرن الشمالي.

التحديات التي تواجه تصعيد الحرارة الأرضية لإدارة المياه

رأس المال وخطر الاستكشاف

وتتطلب مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية استثماراً كبيراً في البداية لأغراض الاستكشاف والحفر وبناء النباتات، ويمكن أن تكلف آبار الاستكشاف ملايين الدولارات وأن تبلغ نسبة النجاح فيها 20 إلى 30 في المائة فقط في المناطق الخضراء، وهذا الخطر المالي يثني الاستثمار الخاص، ولا سيما في البلدان النامية التي كثيراً ما تحتاج إلى حلول للمياه، كما أن تدابير التخفيف من المخاطر، مثل التأمين الحكومي على الحفر والتمويل الدولي للمناخ، هي تدابير أساسية لزيادة الانتشار.

مكان الموارد والنقل المائي

ولا توزع الموارد الحرارية الأرضية بالتساوي، إذ توجد عادة موارد عالية الحرارة على طول حدود الصفائح التكتونية، التي قد تكون بعيدة عن المراكز السكانية أو مناطق نسر المياه، إذ إن النقل إما للحرارة الحرارية الأرضية (عن طريق الأنابيب المزروعة) أو المياه (عن طريق الأنابيب) يزيد من التكاليف وخسائر الطاقة في الوقت المحدد، ويعني ذلك عمليا أن مشاريع تحلية الحرارة الأرضية والاستخدام المباشر هي أكثر قابلية للتطبيق.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة باستخدام الأراضي

ويمكن أن تؤدي التنمية الحرارية الأرضية إلى تغيير الهيدرولوجيا المحلية، إذ أن استخراج السوائل الحرارية الأرضية يمكن أن يؤدي إلى تقلص الأراضي إذا لم يتم إعادة حرق السوائل، وإن كان نادر، فقد تم ربط الظواهر الزلزالية الأخرى التي تنطوي على كسر هيدروليكي، وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب النباتات الحرارية الأرضية أرضاً للآبار، وأنبوباً، وكتل كهربائية، مما قد يتعارض مع الضغوط الزراعية أو النظم الإيكولوجية الطبيعية.

الثغرات التنظيمية والسياساتية

وفي كثير من البلدان، تصنف الطاقة الحرارية الأرضية كمورد معدني وليس كمصدر للطاقة المتجددة، وتخضعها لقوانين التعدين التي لا تناسب التنمية بشكل سليم، وكثيرا ما يشمل تخصيص موارد الطاقة الحرارية الأرضية وكالات متعددة تعالج الحقوق المعدنية، وحقوق المياه، والأثر البيئي، واستخدام الأراضي، كما أن تبسيط هذه العمليات وإنشاء أطر قانونية واضحة لتطبيقات المياه الحرارية الأرضية يمثل أولوية بالنسبة للصناعة.

المستقبل: التكنولوجيات المتقدمة والطرق السياساتية

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

وتخلق تكنولوجيا الغازات المهددة الارتجاعية خزانات في الصخور الجافة الساخنة عن طريق الحقن بالماء العالي الضغط لخلق الكسور، مما قد يكشف عن موارد حرارية جغرافية في المناطق التي لا توجد فيها مستودعات طبيعية للطاقة الحرارية المائية، ويوسع نطاق الوصول الجغرافي للطاقة الحرارية الأرضية إلى حد كبير، وإذا أصبح النظام العالمي للطاقة قابلاً للتطبيق تجارياً، فإنه يمكن أن يوفر طاقة أساسية منخفضة الكربون وحرارة في أماكن مثل الولايات الغربية وأستراليا، وجزء كبير من أوروبا.

النظم الهجينة المتجددة

ويمكن أن يؤدي الجمع بين الحرارة الأرضية والحرارة الشمسية أو الكتلة الأحيائية إلى تحسين الاقتصاد وموثوقية تطبيقات إدارة المياه، مثلاً، يمكن استخدام الطاقة الحرارية الشمسية في المياه المملحة في محطة تحلية حرارية ذات حراريات حرارية، وزيادة الإنتاج خلال ساعات ذروة الشمس، ويمكن أن توفر الطاقة الحرارية الأرضية حرارة أساسية لا يمكن أن تُمكن فيها محطة تحلية المياه من تشغيلها على مدار الساعة/٧.

نظم الطاقة الحرارية الأرضية والماء العناق

إن مفهوم اقتصاد المياه الدائري - حيث يتم معالجة المياه وإعادة استخدامها وإعادة استخدامها إلى البيئة بأقل قدر من الخسائر الطبيعية في الطاقة الحرارية الأرضية، ويمكن استخدام حرارة النفايات من محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية في غسل مياه المجاري، وخفض حجمها وجعلها آمنة للاستخدام الزراعي، كما أن الحرارة الحرارية الأرضية يمكن أن تعجل أيضاً بمعالجة النفايات البيولوجية في محطات المياه المستعملة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الطاقة فيها.

الاستنتاج: عدم استغلال الموارد

إن الطاقة الحرارية الأرضية ليست رصاصة فضية بالنسبة لتحديات المياه العالمية، ولكن إمكاناتها غير مستغلة استغلالاً كافياً، فهي توفر مزيجاً نادراً من الطاقة التي يمكن الاعتماد عليها، والحرارة المباشرة، والاستهلاك المنخفض للمياه، التي يمكن أن تدعم تحلية المياه، والزراعة الدقيقة، وتسخين المناطق، والعمليات الصناعية، ومن نموذج التعميم الآيسلندي إلى مشاريع الوصول إلى المياه الريفية في كينيا، فإن الأمثلة على العالم الحقيقي تدل على أن الطاقة الحرارية يمكن أن تحقق فوائد أمنية ملموسة في الوقت الحاضر.