4 ابتكارات تدعم استغلال الطاقة الحرارية الأرضية (تقرير)

يستكشف العديد من الشركات إمكان استغلال الطاقة الحرارية الأرضية، من أجل ضمان إمدادات طاقة موثوقة وغير محدودة، لخفض انبعاثات الغازات المسببة لظاهرة الاحتباس الحراري.

ووفق المعلومات التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، قد تؤدي عمليات الحفر بالموجات الدقيقة الجديدة والتكسير المائي (الهيدروليكي) على طريقة النفط الصخري إلى فتح آبار الطاقة الحرارية الأرضية على عمق يتراوح بين 5 و20 كيلومترًا.

وتُوفر الحرارة الأرضية، المُتجددة باستمرار في وشاح الأرض وقشرتها، موردًا كثيفًا ومتوافرًا على مدار الساعة، قادرًا على تحمل جزء كبير من عبء الطلب المتزايد على الطاقة، دون انبعاثات كربونية أو نفايات مشعة أو آثار سطحية مترامية الأطراف.

وتُقدّر الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أن إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية القابلة للاستخراج تقنيًا تُعادل 10 أضعاف الطلب العالمي الحالي على الكهرباء على الأقل، وذلك إذا جرى الحفر بسرعة وبتكلفة منخفضة كافية للوصول إليها.

وقد تكون التقنية القادرة على اختراق الصخور عالية الضغط بدرجة حرارة 932 درجة فهرنهايت (500 درجة مئوية) الحل الجريء الذي يحتاج إليه تحول الطاقة.

عقبات الحفر تحت الأرض

وفق المعلومات التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة بشأن الحفر تحت الأرض، يُضيف كل كيلومتر ما يقارب 25-30 ميغا باسكال من الضغط -وهو ما يُعادل تكديس 250 سيارة عائلية على متر مربع واحد- وحرارة تتراوح بين 25 و30 درجة مئوية.

وقد تنثني خيوط الحفر التي يبلغ طولها آلاف الأمتار تحت وطأة وزنها، وتتآكل رؤوس الحفر في غضون أيام، ويجب أن يُبقي الطين البئر مفتوحة، ويُطرد الصخور المسحوقة إلى السطح.

كما أن منصات الحفر الدوارة التقليدية، القوية بما يكفي لاستخراج النفط على عمق يتراوح بين 3 و5 كيلومترات، تتباطأ سرعتها بشكل كبير عند تجاوزها 10 كيلومترات.

وحتى عندما تبقى البئر مفتوحة، فإن درجة الحرارة تُدمر الأجهزة الإلكترونية؛ كما أن الأنظمة التقليدية للقياس عن بُعد أسفل البئر، المُصممة لتحمل درجة حرارة 175 درجة مئوية، تفشل قبل وقت طويل من وصول الصخور إلى نطاق 300 إلى 500 درجة مئوية الذي يُطلق العنان للموارد فائقة السخونة.

ويُعد التغلّب على هذه القيود المعركة التقنية المحورية للجيل المقبل من الطاقة الحرارية الأرضية.

وعند تجاوز عتبة 373 درجة مئوية و220 بار، تدخل المياه المحقونة المرحلة فوق الحرجة؛ وهي ليست سائلة ولا غازية، ولكنها أكثر كثافة في الطاقة من أي منهما.

وتُظهر الأبحاث المختبرية أن المحلول الملحي فوق الحرج يمكن أن يُضاعف إنتاج محطة الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية بمقدار 10 أضعاف، مُوفرًا طاقة على نطاق نووي من بئر أصغر بكثير.

وعند درجة حرارة 932 درجة فهرنهايت (500 درجة مئوية)، يمكن لكل كيلوغرام من السائل أن يحمل ما يقارب ضعف كمية المحتوى الحراري التي يحملها البخار عند درجة حرارة 200 درجة مئوية؛ ما يقلل معدل التدفق -ومن ثم طاقة الضخ- اللازمة لكل ميغاواط.

ابتكارات جديدة لاستغلال الطاقة الحرارية الأرضية

• الموجات الكهرومغناطيسية:

تراهن شركة كوايس إنرجي الأميركية (Quaise Energy)، على أن الموجات الكهرومغناطيسية ستفعل ما لا يستطيع الفولاذ فعله.

ويُوصِل موجّه موْجي معدني بقطر 3 بوصات ما يصل إلى ميغاواط من طاقة الموجات الدقيقة مباشرة إلى سطح الصخر؛ ما يؤدي إلى تبخير الغرانيت والبازلت على الفور.

ولأن الطاقة، وليس التلامس المادي، هي التي تُكسر الصخر؛ فلا توجد رؤوس حفر ينبغي استبدالها، ما يُغني عن أيام من توقف منصات الحفر المُكلف، ويُضعف اقتصادات الآبار العميقة للغاية.

ومع عدم وجود حدود لعزم الدوران الميكانيكي، يُمكن تغليف الحفرة بأنابيب فولاذية قياسية في أثناء نزولها، بحسب التقرير الذي نشرته منصة "إنترستينغ إنجينيرينغ" (Interesting Engineering).

وأجرَت شركة "كوايس" اختبارًا بالبلازما لنظامها في مختبرات سانديا الوطنية، وتهدف إلى حفر بئر تجريبية بطول 3 كيلومترات بحلول عام 2026، يليه أول محطة تجريبية بقدرة 100 ميغاواط قبل عام 2030.

• التكسير الأفقي:

من جانبها، تُكيّف شركة فيرفو إنرجي الأميركية (Fervo Energy) خبرتها في مجال الغاز الصخري مع الصخور الجافة الساخنة.

ووفق ما اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة، تحفر الشركة آبارًا أفقية متقاطعة على عمق 2.5 كيلومتر تقريبًا، وتستعمل مياهًا عالية الضغط لإنشاء شبكة كسور مُحفَّزة، ثم تعتمد على تأثير "السيفون الحراري" -الماء البارد أكثر كثافة من الساخن- لتدوير السوائل دون الحاجة إلى مضخات.

وبلغت قدرة المشروعات التجريبية الأولى في ولاية نيفادا 3.5 ميغاواط؛ ويستهدف اختبار بدرجة حرارة 400 درجة مئوية في ولاية يوتا 90 ميغاواط، وهو ما يكفي لأكثر من 400 ألف منزل.

ولأن هذه التقنية تعتمد على منصات حقول النفط المنتشرة في كل مكان، تُجادل "فيرفو" بإمكان تكرار هذه المشروعات بسرعة أينما وُجدت القشرة الأرضية الساخنة، والتي قد تُغطي 70% من مساحة الولايات المتحدة.

وبحسب التقرير، تستهدف شركة "كوايس" العمليات التجارية "قبل نهاية العقد"؛ في حين تتوقع شركة "فيرفو" أن يبدأ مصنعها في ولاية يوتا العمل في عام 2026، وقد وقّعت اتفاقيات لشراء الطاقة مع غوغل وشركة المرافق العامة باسيفيك كورب.

• مشعات قاع البئر:

تختبر شركات ناشئة أخرى "مشعات قاع البئر" محكمة الغلق، حيث لا يلامس السائل الصخور أبدًا؛ ما يمنع تراكم المعادن الذي قد يسد الأنظمة المفتوحة.

ويقترن بعضها بمحاليل حرارية أرضية ملحية مع ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج، الذي تعمل قدرته على الطفو على تحسّن التدفق في أثناء عزل ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض.

• محطات الكهرباء الهجينة:

يُمكن -أيضًا- دمج محطات توليد الكهرباء الهجينة مع محطات الفحم التقليدية، وإعادة استعمال التوربينات والمحولات وأبراج التبريد، مع استبدال مواقد الفحم بمبادلات حرارية أرضية.

كما تدعم شركة إينيل غرين باور الإيطالية (Enel Green Power)، وشركة شيفرون تكنولوجي فينتشرز (Chevron Technology Ventures)، وشركة ميتسوبيشي اليابانية (Mitsubishi) مشروعات تجريبية أوروبية وآسيوية مماثلة.

محطات الطاقة الحرارية الأرضية.. مزايا وعقبات

تتميّز محطات الطاقة الحرارية الأرضية العميقة بصغر حجمها؛ إذ لا تصدر سوى بخار الماء، وتُعيد تدوير سائل التبريد في حلقة مغلقة.

وتعمل هذه المحطات بتوربينات دورة رانكين العضوية القياسية، المُنتجة بكميات كبيرة بالفعل لاستعادة الحرارة الصناعية.

وتهدف أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية من الجيل التالي إلى الوصول إلى أعماق تصل إلى 10 كيلومترات ودرجات حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية؛ ما قد يُولّد كميات هائلة من الطاقة النظيفة بمساحة أرضية أصغر بكثير من محطات الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

ووفق ما رصدته منصة الطاقة المتخصصة، تشمل عقبات الطاقة الحرارية الأرضية رأس المال المجهز مسبقًا، ومخاطر باطن الأرض؛ فضلًا عن ضرورة أن تتجاوز معدلات نجاح الحفر 90%، ويجب إدارة تراكم المعادن أو الزلازل المُستحثة لكسب ثقة المجتمع.

ولا تزال الزلازل المُستحثة -وهي أثر جانبي معروف للتحفيز المائي (الهيدروليكي) عالي الحجم- مصدر قلق؛ إذ تشترط الجهات التنظيمية في ولايتي يوتا ونيفادا أنظمة رصد زلزالي دقيق، وأنظمة إشارات مرورية تُوقف الحقن إذا تجاوزت الهزات الحدود المحددة مسبقًا.

ويُمثل استهلاك المياه مشكلة أخرى؛ إذ يُمكن لدورات الحلقة المغلقة أو المعتمدة على ثاني أكسيد الكربون أن تُخفض عمليات السحب بمقدار كبير مقارنةً بالأنظمة المفتوحة.

كما تُجري الشركات الناشئة تجارب على استخراج المحلول الملحي من المعادن -الليثيوم، والمعادن الأرضية النادرة، حتى الهيليوم- لتوفير مصادر دخل إضافية وتعويض تكاليف الآبار.

ومع ذلك، فإن غياب النفايات المشعة طويلة العمر، والقدرة على إنشاء محطات بالقرب من مراكز شبكة الكهرباء الحالية، يمنحان الطاقة الحرارية الأرضية ميزة تجعل استغلالها جاذبًا للاستثمارات.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصدر: