ما هي الطاقة الحرارية الجوفية
تعريف الطاقة الحرارية الجوفية
الطاقة الحرارية الجوفية (Geothermal Energy)؛ هي طاقةٌ مشتقةٌ من الحرارة الداخلية للأرض، يتولد جزءٌ صغيرٌ منها من حرارة نواة الأرض (Core)، أما الجزء الأعظم فهو من التحلل الإشعاعي للنظائر المشعّة، كالبوتاسيوم 40 والثوريوم 232، والتي تترافق بانطلاق كمياتٍ هائلةٍ من الطاقة، مثل تحلّل البوتاسيوم 40 لنظائر الكالسيوم (الكالسيوم 40)، والأرجون (الأرجون 40)، لتشع الحرارة نتيجة ذلك باستمرارٍ من نواة الأرض نحو الخارج لتسّخن بذلك الصخور والماء.
تتواجد محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية حيث تتوفر الظروف الجيولوجية المساعدة (النشاط البركاني والتكتوني) كأيسلندا، وإندونيسيا، ونيوزيلندا، وهاواي وكاليفورنيا، والإكوادور، ففي أيسلندا يتم توليد أكثر من 90% من الطاقة المستخدمة في التدفئة وأكثر من 27% من الطاقة المستخدمة للكهرباء بالاعتماد على الطاقة الحرارية الجوفية..
تصدرت الولايات المتحدة الأمريكية قائمة أكبر الدول المنتجة للطاقة الحرارية الجوفية في 2018 بمعدل إنتاجٍ قدره 16.7 مليار كيلوواط/ساعة على مدار العام، كما أنها تمتلك أكبر محطة لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية في العالم في كاليفورنيا، والمعروفة باسم Geysers، والتي تسحب البخار من 350 مورد (نبع)..
مزايا استخدام الطاقة الحرارية الجوفية
- الطاقة الحرارية الأرضية من مصادر الطاقة المتجددة، حيث تقوم الأرض بإشعاع الحرارة من باطنها وستستمر في ذلك لمليارات السنين.
- تمتاز بانخفاض المساحة التي تشغلها من سطح الأرض حتى يتم استغلالها (بصمة أرضية صغيرة) لكونها تنبع من باطن الأرض، ولا تحتاج لمنشآتٍ ولكمٍّ كبيرٍ من معداتٍ على مساحةٍ أرضيةٍ شاسعةٍ كما هو الحال مع عتاد طاقة الرياح والطاقة الشمسية، إذ تشغل محطة الطاقة الحرارية الأرضية القادرة على إنتاج 1 غيغاواط/ساعة من الكهرباء حوالي 404 ميلًا مربعًا من سطح الأرض، في حين تشغل كل من محطات الرياح والطاقة الشمسية المستخدمة لإنتاج الكهرباء وبنفس الاستطاعة حوالي 1335، 2340 ميلًا مربعًا على التوالي.
- يستمر إنتاج محطات الطاقة الحرارية الجوفية على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، نظرًا لاستقرار وثبات إنتاج الطاقة الحرارية الجوفية، مقارنةً بطاقة الرياح والطاقة الشمسية والتي تتأثر بتغير المواسم والوقت من اليوم، والتي لابد من تخزينها حتى يتم استغلالها على مدار العام.
- تمثل الطاقة الحرارية الجوفية ثروةً هائلةً تتراوح مابين 35 جيجاوات (GW) إلى 2 تيراواط (TW) تبعًا للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، إلا أن المستغل منها لا يتجاوز 6% فقط..
عيوب استخدام الطاقة الحرارية الجوفية
- ارتفاع التكلفة الأولية لتأسيس محطة الطاقة الحرارية الجوفية مقارنةً بمصادر الطاقة المتجددة الأخرى، فهي تتراوح ما بين 4000 دولار إلى 6000 دولار لكل كيلووات/ساعة، في حين تبلغ تكلفة محطات توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح 1250 دولارًا/ كيلووات ساعة، و1.550 دولارًا/كيلووات / ساعة على التوالي.
- يمكن أن يحفز بناء محطات الطاقة الحرارية الجوفية حدوث الزلازل، نتيجة ترافقها بإحداث حفر عميقة في باطن الأرض لإطلاق البخار الساخن أو الماء، مما يؤدي إلى اختلالٍ في باطن الأرض، فيتبع ذلك زلازل على سطحها..
- تطلق محطات الطاقة الحرارية الجوفية كمياتٍ صغيرةً من غازات الدفيئة مثل كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، وثاني أكسيد الكربون (CO2).
- يُلاحظ حدوث هبوط تدريجي للأرض في المناطق التي يتم فيها بناء محطات الطاقة الحرارية الجوفية لحدوث انهياراتٍ تحت سطح الأرض، مما يؤدي إلى تلف الطرق والمباني وأنظمة الصرف.
استعمالات الطاقة الحرارية الجوفية
التدفئة والتبريد
باستخدام المضخات الحرارية الجوفية الأرضية Geothermal heat pumps) GHP)، والتي تتوضع على بعد 6 أمتارٍ تحت سطح الأرض، وتمتاز حرارة الأرض عند هذه النقطة بالثبات (10-16)م°، لذا تُستغل بتكييف المباني والتي تتم تدفئتها خلال الأشهر الباردة (درجة حرارة الهواء أقل من درجة حرارة الأرض)، في حين يتم تبريدها بالأشهر الدافئة.
يتكون نظام GHP من مجموعةٍ من الأنابيب الممتدة تحت سطح الأرض والتي يدور عبرها سائل (ماء أو مزيج من الماء ومضاد التجمد) المرتبطة بمضخةٍ، ويقوم مبدأ عمله على التبادل الحراري، فتنتقل الحرارة من الهواء أو إليه عبر سطح هذه الأنابيب.
- في الأشهر الباردة، ترفع الطاقة الحرارية الأرضية درجة حرارة السائل في الأنابيب بنظام GHP، لينتقل بعدها إلى المضخة، التي تضخ السائل بدورها إلى أنابيب نظام التكييف المنزلي وبالتالي تعمل على تدفئة المبنى.
- يُعكس اتجاه المضخة خلال الأشهر الدافئة، لتنتقل الحرارة من الهواء إلى الأنابيب في نظام التكييف المنزلي، لتنتقل بعدها إلى المضخة ومنها إلى الأنابيب بنظام GHP لتنتشر بذلك الحرارة تحت سطح الأرض.
توليد الطاقة الكهربائية
تختلف طرق إنتاج الكهرباء بواسطة الطاقة الحرارية الجوفية من حيث التصميم، في حين أنها تتشابه بآلية عملها (دوران العنفات بفعل بخار الماء)، وبحفظها للطاقة، إذ يتم تكثيف بخار الماء الزائد في كل مرة وإرساله إلى باطن الأرض، مما يسمح بالاستفادة منه لاحقًا، ومن أهم الطرق:
- طريقة البخار الجاف:
يتم تشغيل المولد الكهربائي بالاعتماد على قوة بخار الماء الساخن الذي يتم جمعه في باطن الأرض وتوجيهه نحو العنفات لتدويرها .
- طريقة الضغط والتبخير:
يتم دفع الماء الساخن من باطن الأرض لتنقل إلى خزانات على سطحها، يتبخر فيها الماء مباشرةً بفعل الانخفاض المفاجئ في الضغط، وبذلك يتولد البخار المستخدم لتشغيل العنفات.
- طريقة الدارة المزدوجة:
يُسحب الماء الساخن من باطن الأرض بواسطة أنابيب، لينتقل بعدها إلى مجموعة مختلفة من الأنابيب الحاوية على سائل ذي درجة غليان أخفض من الماء (الأمونيا)، والذي يتبخر بدوره بفعل حرارة الماء، ليُشغّل البخار الناتج العنفات.