مستقبل التدفئة الحرارية الأرضية الفوقية لرسم خرائط الموارد غير المستغلة

مقدمة: الجبهة التالية للطاقة الحرارية الأرضية

إن الضغط العالمي على إزالة الكربون وأمن الطاقة قد عجل الاهتمام بالموارد الحرارية الأرضية التي تقع أعمق بكثير من النظم التقليدية، وفي حين أن النباتات الحرارية الأرضية التقليدية تستغل في الخزانات في أعماق يتراوح طولها بين ١ و ٣ كيلومترات، ومشاريع الحفر الحرارية الأرضية التي تتجاوز ٥ كيلومترات، حيث يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة ٣٠٠ درجة مئوية.

Understanding Ultra-Deep Geothermal Systems

خطى الأرض ومستودعات أعماق الأرض

ويزداد حرارة الأرض بعمق عند متوسط معدل يتراوح بين ٢٥ و ٣٠ درجة مئوية لكل كيلومتر في القشرة القارية، غير أن هذه النظم الحرارية الأرضية تتفاوت بدرجة كبيرة حسب المناطق الجيولوجية المحيطة بالحدود التي تطوقها الطوابق التكتونية أو البلورات الساخنة البركانية يمكن أن تُظهر كسورا حادة تتراوح بين ٤٠ و ٦٠ درجة مئوية/كغم.

Enhanced Geothermal Systems (EGS) and Superhot Rock

وقد تطورت هذه المجموعة منذ عقود، حيث تبرز مشاريع مثل موقع وزارة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية، إمكانية حفز الخزانات في الصخور الساخنة والجافة، وتدفع المجموعة الاقتصادية العليا هذا المفهوم إلى نظم " الصدر " (ما فوق 374 درجة مئوية و22.1 درجة مئوية)، حيث تصبح المياه دولة خارقة الأهمية - وهي دولة ذات قدرة غير عادية على تحمل حرارة حرارية.

التكنولوجيات الرئيسية التي تمكن من التدفئة فوق

السلف والملابس والمواد

ويكافح الباحثون التقليديون في مجال صناعة اللفائف وشركة PDC (الميثاق الشامل للماس عبر الخط) للحفاظ على الأداء في الأعماق التي يكون فيها الصخور الصلبة والغطاء شديدين، ويقوم الباحثون بتطوير قطع جديدة تضم قطعا من الماس ذات الكريستال الواحد، والسيارات المرنة ذات الحرارة العالية، وتصميمات التبريد المبتكرة.

الإلكترونيات والمصنوعات العالية التأثير

وتكتسي قياسات الثقوب الأساسية أهمية حيوية بالنسبة لمرات التدريب على التوجيه، وتقييم خصائص التكوين، وإدارة استقرار الآبار، وتفشل الإلكترونيات القياسية عادةً فوق 175 درجة مئوية. ويحتاج الحفر فوق البنفسج إلى أجهزة استشعار تُقدر بـ 300 درجة مئوية وما بعد ذلك، باستخدام أجهزة شبه موصلات للسيليكون - الكبريت، وبطاريات عالية الحرارة، والعزل المتطور.

حلول التدفق والقبض

فالطيور الحادة والضغطية العالية التي تحط من درجة الحرارة التقليدية، مما يؤدي إلى فقدان التشحيم والسيطرة على التزييف، والتركيبات الجديدة القائمة على الزيوت الاصطناعية، والسائل الأيون، والجسيمات النانوية، تؤدي إلى تحسين الاستقرار الحراري ونقل الحرارة، ويجب أن تقاوم المواد المسكّنة التآكل والزحف؛ والسوائر المتقدمة مثل السوائل النيكلية (مثلا زيادة وزنها)

التطبيقات والفوائد المحتملة

توليد الكهرباء المتجددة

وتوفر الطاقة الحرارية الأرضية طاقة مستمرة ومرسلة بغض النظر عن الطقس أو الوقت الذي يستغرقه اليوم، ويمكن أن توفر آبار عالية الحرارة بخار عالي الاستنشاق الذي يدفع التربينات إلى مستويات أعلى من الكفاءة، ويقترب من تلك التي توفرها محطات الوقود الأحفوري الحديثة، حيث أن عوامل القدرة تتجاوز 90 في المائة، وأن الحرارة الأرضية المرتفعة يمكن أن تكون بمثابة العمود الفقري الموثوق به لشبكة تهيمن عليها مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة.

تطبيقات الحرارة المباشرة والتطبيقات الصناعية

وفيما عدا الكهرباء، يمكن استخدام الحرارة الحرارية الأرضية العالية جداً لتدفئة المناطق، وتجهيزها الصناعي، وإنتاج الهيدروجين، وإزالة الملح، حيث أن ارتفاع درجات الحرارة (300-500 درجة مئوية) يجعلها مثالية للعمليات الحرارية المباشرة التي تعتمد حالياً على الغاز الطبيعي أو الفحم، فعلى سبيل المثال، فإن تقرير 2019 من جانب U.S.

استخراج المعادن الحرجة والعناصر الأرضية المزروعة

وقد تؤدي السوائل الحرارية الأرضية التي تدور عبر الصخور الساخنة العميقة في كثير من الأحيان إلى تفكك المعادن - اليثيوم والزنك والمنغنيز والبورون والعناصر الأرضية النادرة، كما أن استخراج الليثيوم من الأمواج الحرارية الأرضية يجري تسويقه بالفعل في منطقة بحر سالتون في كاليفورنيا، ويمكن أن تؤدي الأمواج ذات البصم العالية والضغوط إلى زيادة تركيزات الكثومية من المعادن القيمة.

الحياد الكربوني وتأثير المناخ

وتحتوي الطاقة الحرارية الأرضية على بعض أقل انبعاثات غازات الدفيئة في دورة الحياة لأي مصدر للطاقة - تقل عموما عن 50 غراما من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط.() ويمكن أن تعمل نظم التحلل الحراري في أولترالوب دون معالجة مسائل تسرب الميثان وثاني أكسيد الكربون المرتبطة أحيانا بمستودعات المياه الضحلة، وعلاوة على ذلك، يمكن أن تعمل المئات من التصميمات المتقدمة مثل الطاقة الحرارية الأرضية المغلقة (مثلاً، تكنولوجيات إطلاق النار) دون استهلاك المياه أو إنتاجها.

التحديات التكنولوجية والتشغيلية الرئيسية

درجة الحرارة القصوى وإدارة الضغط

وبأعماق تبلغ مساحتها ٥ كيلومترات أو أكثر، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة ٤٠٠ درجة مئوية، وتتجاوز الضغوط ١٠٠ درجة مئوية، وتتدهور هذه الظروف معظم أدوات الحفر والإلكترونيات ومواد الآبار، ويمكن أن يتسبب التوسع الحراري في انهيار التكديس، وقد تؤدي الضغوط المتمايزة إلى فقدان التداول أو الانطلاقات، كما أن أساليب الحفر المتقدمة التي تدار في الكساد، إلى جانب وجود نظم رصد وتبريد في الوقت الحقيقي، لا تزال ضرورية.

أضرار القدرة والتشكيل الجيوميكانيكية

وقد يؤدي التدفق إلى درجة الحرارة الشديدة إلى كسر وارتفاع في الصخور، مما قد يؤدي إلى زعزعة استقرار الآبار، كما أن سلوك الصخور تحت درجات الحرارة المرتفعة والضغوط المكبلة يُفهم فهماً ضعيفاً، كما أن التجارب المختبرية التي تستخدم قطع الأشجار ثلاثية الأبعاد والتي تحفز الظروف المحيطة بالثقل أمر حاسم في وضع نماذج تنبؤية.

التكلفة والقابلية للرؤية الاقتصادية

أما آبار البوليسترا الثقيلة فهي باهظة التكلفة جداً - أي أن مقدارها ٧ كيلو مترات يمكن أن يكلف ٢٠-٥٠ مليون دولار أو أكثر، حسب الموقع، وأن رأس المال المرتفع، بالإضافة إلى المخاطر الجيولوجية )مثل حفر بئر جاف(، قد يثني الاستثمار الخاص، غير أن هياكل التكلفة مماثلة لحوافز آبار النفط والغاز العميقة، التي يمكن أن تؤدي بصورة روتينية إلى حفر كميات تتراوح بين ٥ و ١٠ كيلومترات.

المخاطر البيئية والهزلية

ومن شأن التحفيز الهيدروليكي لتعزيز قابلية الارتطام بالمستودعات أن يحفز على الالتهاب المغناطيسي، وفي حين أن معظم الأحداث صغيرة جداً بحيث لا يمكن الشعور بها، فإن المزلاج الأكبر (مثلاً، الحجم 3+ الأحداث في بوهانغ، بكوريا الجنوبية، المرتبطة بمشروع نظام إي جي إس) قد أثار قلقاً عاماً، ويجب على مشاريع " Ultra-deep " أن تنفذ نظما قوية لضوء حركة المرور، ومشاركة أصحاب المصلحة، واختيار مواضع للسائل متحركية مُية مُية مُغلقة.

المشاريع الحالية للبحث والقيادة

أيسلندا مشروع الحفر العميق

ومن أكثر المبادرات طموحاً مشروع الحفر العميق في المحيط الجليدي (((()() الذي حفر آبار إلى أعماق تبلغ 4.5 كيلومترات، مع ارتفاع درجات الحرارة إلى 450 درجة مئوية. وقد واجه المعهد الدولي لتنمية السكان والتنمية (IDDP) عملية تطفل على المغنطيسي تبلغ 2.1 كيلومتراً - دون قصد، ولكنه أظهر إمكانية الاستفادة من مواد الاختبارات الأساسية(20).

مؤسسة البحوث في مجال الطاقة الحرارية الأرضية

ويشغلها جامعة أوتاه، وهي موقع فريق الخبراء في ميلفورد، أوتاه، مختبر ميداني مخصص لبحوث نظم الطاقة البيئية، ومنذ عام 2018، حفرت إلى عمقين يبلغ طوله نحو 2.5 كيلومترا (التعيينات: 200 درجة مئوية) وفي حين لم يكن ذلك بعد شديد الطول، يركز المشروع على تقنيات التحفيز، والوصف المكسور، ونموذج الاستخلاص الحراري الذي سيطبق مباشرة على النظم الأعمق.

مبادرات القطاع الخاص

وهناك عدة بدايات هي اتباع نهج متشددة للغاية. ]]Quaise Energy (وهو نظام دائري من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) يقوم بتطوير تكنولوجيا حفر معتدلة قائمة على أساس الطاقة تستخدم حزاما ذات قدرة عالية على إحداث الاحترار في الصخور أو تذبذبها، وذلك بتجاوز العديد من قضايا الارتداء الميكانيكي)

التوقعات المستقبلية والطريق إلى التسويق

المسارات المتعلقة بزيادة التكاليف وخفضها

ويمكن أن تتعلم صناعة الطاقة الحرارية الأرضية من الانخفاضات الكبيرة في التكاليف التي تشهدها الطاقة الشمسية والريحية، ووفقا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة، ظلت التكاليف الثابتة بالنسبة للحرارة الأرضية التقليدية ثابتة نسبيا عند مستوى 4000/ك و. ومن المرجح أن تكون النظم الأترفية المتوسطة أعلى من التكاليف الأولية بمقدار الضعفين إلى ثلاث مرات، غير أن معدل الحفر الموحد يبلغ 20 إلى 20 في المائة من العناصر المتوسطة الأجل.

دعم السياسات واحتياجات الاستثمار

ويستلزم تحقيق هذه الإمكانات استمرار التمويل العام - الخاص، وقد وفر قانون الولايات المتحدة للحد من التضخم (2022) دعماً كبيراً للحرارة الأرضية عن طريق الائتمانات الضريبية والمنح في إطار مكتب التكنولوجيات الحرارية الأرضية، ويمول برنامج الاتحاد الأوروبي للبحوث الحرارية الأرضية، بينما تستثمر اليابان ونيوزيلندا أيضاً، ويسهم التعاون الدولي - مثل تعاون الوكالة الدولية للطاقة في مجال إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية - في تبادل البيانات الضريبية الأكبر حجماً، ويقلل من الازدواجية.

التكامل مع نظم الطاقة المتجددة

ويمكن أن تؤدي قابلية إرسال الحرارة الأرضية فوق البنفسجية إلى تحقيق التوازن بين الشبكات وبين حصص عالية من الرياح والطاقة الشمسية، ويمكن أن تستخدم النباتات الهجينة الحرارة الحرارية الأرضية لتمجيد البخار الحراري بالطاقة الشمسية أو كدعم للطاقة الشمسية المركزة، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تخزين الطاقة الحرارية نفسها في تكوينات صخور عميقة واستخلاصها من مفهوم " البطاريات الحرارية الحرارية الأرضية " أو نظم التخزين الحرارية المتقدمة.

خاتمة

إن الحفر الحراري الأرضي الحاد هو أحد أكثر المواجهات الواعدة والصعبة في الطاقة النظيفة، وهو يوفر إمدادات شبه محدودة من الطاقة المتجددة، والحرارة الصناعية المباشرة، والمعادن الحرجة، وكلها تنتج حدا أدنى من انبعاثات غازات الدفيئة، ومع ذلك فإن الطريق إلى القدرة على البقاء تجاريا يصطدم بعقبات تقنية واقتصادية وجيولوجية لا يمكن حلها بين عشية وضحاها.