طاقة حرارية جوفية

استخدمت الطاقة الحرارية الجوفية قديما خلال استغلال مياه الينابيع الحارة. حيث يرجع تاريخ استعمالها إلى أكثر من 10.000 سنة عندما استخدم الهنود الحمر الينابيع الساخنة لطهي طعامهم[3]

لا تتوفر الطاقة الحرارية بصورة مباشرة في الطبيعة إلا فيما يصل الأرض من حرارة الشمس والحرارة الجوفية للأرض، وهذا ما يجعل الحرارة الجوفية سهلة الاستغلال فهي طاقة مستدامة وواسعة الانتشار. ويقدر احتياطى الطاقة الحرارية الجوفية في حزام عمقه 2000 متر تحت سطح الأرض ما يعادل ما ينتجه 250 مليار طن من الفحم من الطاقة.[4] نظريا يمكن أن يغطي هذا المقدار من الطاقة حاجة العالم من الطاقة لمدة 100000 سنة قادمة.[2]

تقسم مصادر الحصول على الطاقة الحرارية الجوفية إلى قسمين: المياه الحارة الجوفية والصخور الحارة التي توجد في المناطق النشطة بركانيا أو في الأعماق البعيدة تحت سطح الأرض ويمكن الاستفادة من المياه الجوفية الحارة والصخورالحارة في توليد الطاقة الكهربائية وتسخين المياه التي تستخدم في التدفئة، بالإضافة إلى استعمالها في الكثير من ميادين الصناعة والزراعة الأخرى.[5]

و كما ذكرنا مسبقا في كثير من أحيان تستخدم الطاقة الحرارية الجوفية في تدفئة المنازل عندما تكون الحرارة قريبة من سطح الأرض أو على صورة ينابيع حارة أو عندما تكون درجة حرارتها منخفضة (حوالي 65 مئوية)، حيث تكون تكلفة استخراجها واستعمالها معقولة. ففي أيسلندة تنتشر هذه الينابيع الحارة، ويتم توظيفها لأغراض التدفئة والتسخين.[6]

نظام استغلال الطبقات الجيولوجية الساخنة : 1: منبع مائي، 2:ورشة طلمبات، 3:مبادل حراري، 4 :حجرة التوربين، 5:أنبوب استخراج، 6:أنبوب ضخ ماء إلى أسفل، 7:تدفئة بالماء الساخن، 8:طبقات رسوبية مسامية، 9:أنبوب تحكم، 10:طبقة صخرية.

تنتشر الحرارة الباطنية للأرض من الداخل إلى سطح الأرض عن طريق الحمل الحراري بمعدل 2 و44 تيرا وات.[7] ويعتبر النشاط الإشعاعي في قلب الأرض أهم مصادرها، التي تصل إلى معدل 30 تيرا وات.[8] ويرجع الجزء بين المعدلين إلى كمية الطاقة المخزونة في الأرض أثناء تكون الكرة الأرضية من الغبار الكوني تحت فعل الجاذبية منذ نحو 5 و4 مليار سنة.

ويقدر معدل الطاقة الحرارية الجيولوجية بنحو ضعف كل ما يستخدمة الإنسان الحديث من الطاقة من المصادر المختلفة. وعلاوة على تلك الطاقة الآتية من الأعماق الجيولوجية للأرض فإن سطح الأرض يستقبل طاقة الشمس ويخزنها في الطبقة السطحية ويقدر سمكها ب 10 متر خلال أشهر الصيف ويطلقها خلال أشهر الشتاء.

وتبدأ درجة الحرارة تحت تلك الطبقة السطحية في الارتفاع بمعدل 27 درجة مئوية كل 1 كيلومتر، أي أنها تصل إلى نحو 55 درجة مئوية على عمق كيلومترين وهكذا. ويقدر الفيض الحراري أو المجال الحراري بنحو 1 و0 مليون وات لكل كيلومتر مربع. وتزداد تلك القيم عند تقاطع الصفائح التكتونية حيث تكون القشرة الأرضية رقيقة نسبيا. وقد تزداد درجة الحرارة بفعل حركة السوائل الساخنة مثل الصهارة أو الينابيع الحارة أو تجمعات لهذه وتلك.

وتستطيع مضخة للمياه الجوفية الحرارية أن تستخرج حرارة للتدفئة من أعماق قليلة نسبيا (150 متر)، أما المشروعات الصناعية فهي تتطلب الحفر إلى أعماق سحيقة تبلغ عدة كيلومترات تحت الأرض.

وتعتبر كفاءة استغلال الطاقة الحرارية الباطنية في توليد الطاقة الكهربائية معتمدة على درجة الحرارة. ويسهل وجود الينابيع الحارة استغلالها وذلك بسعر زهيد. وإذا لم توجد الينابيع الحارة فيمكن الحفر بالأنابيب بحيث يضخ الماء من أعلى في أنابيب فيكتسب الماء الحرارة من الصخور والطبقات الأرضية الساخنة، وتقوم مضخات مركبة على أنابيب أخرى حولها بسحب الماء الساخن إلى أعلى لاستغلاله، وتسمى تلك الطريقة المتبعة في بعض المناطق الأوروبية الطاقة الحرارية للصخور الجيولوجية الساخنة hot dry rock geothermal energy أو تسمى في أمريكا الشمالية أنظمة حرارة الطبقات الجيولوجية المحفزة . وتتيح فرص استغلال تلك الطرق استفادة وفيرة من مجرد استغلال الينابيع الحارة الطبيعية.[9]

رسم بياني يوضح آلية عمل محطات البخار الجاف

تعتبر الطريقة الأولى والأهم للاستفادة من الطاقة الحرارية الجوفية هي بتحويلها إلى طاقة كهربائية، ويتم ذلك في محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الجوفية. هناك ثلاث أنواع من محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الجوفية، وهي كالتالي:

محطات البخار الجاف:

هذه الطريقة هي أقدم الطرق واكثرها انتشارا، وهي نفس الطريقة التي استخدمت في إيطاليا سنة 1904م. تستخدم هذه المحطات الماء الموجود بشكل طبيعي في الطبقات الأرضية العميقة والموجود تحت تأثير ضغط وحرارة عاليين، فيتم استخراجه بواسطة حفر آبار عميقة فيخرج على شكل بخار ماء بسبب حرارته العالية وبسبب فرق الضغط. يسير هذا البخار في أنابيب ثم يعرض لتوربينات تدور المولدات الكهربائية التي تنتج الطاقة الكهربائية. يضخ الماء المتكثف إلى الأرض عبر بئر آخر يسمى بئر الحقن.

محطات التبخير:

تستخدم هذه المحطات السوائل الموجودة بضغط عالي تحت الأرض حيث يتم تركزها في وعاء ذي ثقب صغير يؤدي إلى وعاء أخر ذي ضغط معتدل، فعند حركة السائل من الوعاء الأول إلى الثاني عبر الثقب يتبخر بسبب السرعة وفرق الضغط العالي. يحرك البخار التوربين فيحرك بدوره المولدات الكهربائية التي تنتج الكهرباء. يضخ الماء المتكثف المتبقي إلى الأرض عبر بئر الحقن.

محطات الدائرة المزدوجة:

تستخدم هذه المحطات السوائل الموجودة تحت الأرض ذات درجة غليان مرتفعة (حوالي 200 مئوبة) يتم ضخها إلى الأعلى حيث تقوم بتسخين الماء ذي درجة غليان عادية (100 مئوية) في أنبوب آخر يمر بمحاذاة الأنبوب الساخن (مبادل حراري). يتبخر الماء الذي تم تسخينه بسبب درجة الحرارة المرتفعة للسائل في الأنبوب الآخر. يحرك البخار توربين المولد الكهربائي ويتكثف فيعود مجددا إلى محاذات الأنبوب الساخن، ويتحرك بهذه الطريقة في دوران مستمر. يُعاد ضخ الماء المستخرج مجددا إلى الأرض عبر بئر الحقن.

لا يلزم لاستغلال الطاقة الحرارية الجوفية في التدفئة والتكييف درجات حرارة عالية، وبالتالي فهي تستخدم أبارا متوسطة العمق ويسهل إجراؤها. وعلى سبيل المثال فقد بدأت شركة إيكيا السويدية الشهيرة بتدفئة محلاتها الواسعة في الشتاء بالماء الساخن المستخرج من باطن الأرض على عمق 150 متر. كما تستغل تلك الحرارة أيضا في الصيف في تشغيل آلات تكييف الهواء. وتعمل إيكيا بالتعاون مع المعمل الوطني لاستغلال الطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة الأمريكية لاستخدام الحرارة الأرضية في صالة مبيعاتها وتقدر مساحتها بنحو 39.000 متر مربع والموجودة في مدينة دنفر، كولورادو.

وهناك سوف تقوم بحفر 130 بئر يصل عمق كل منها إلى 150 متر وذلك في محيط مواقف السيارات حول الصالة. وتقيم أنابيب فيها لحقن المياه إلى أسفل وتقوم بضخ المياه الساخنة إلى أعلى. ويستخدم الماء الساخن إما للتدفئة أو يحوله صمام إلى نظام لتكييف الهواء وإنتاج الهواء البارد بحسب الحاجة.

وبالمثل يمكن إنشاء مثل هذا النظام لإمداد بيت بالماء الساخن، وذلك عن طريق إنشاء الأنابيب حول المنزل أو تحت موقف السيارات. وتقدر تكاليف مثل هذا النظام لبيت عائلة واحدة بنحو 7.500 دولار أمريكي. ومن ميزتها أنها بعد تكلفة الإنشاء فهي تنتج طاقة رخيصة وفيرة، وتوفر من استهلاك الكهرباء في تلك الأغراض. وتشجع عدة ولايات أمريكية المواطن الأمريكي على بناء مثل تلك المحطات في بيوتهم وتدعمهم عن طريق خصومات ضرائبية.

ويتزايد الطلب في الولايات المتحدة الأمريكية على أنظمة استغلال الحرارة الباطنية الأرضية بنسبة 10% إلى 13% سنويا.

استغلال الحرارة الأرضية لإنتاج الكهرباء.

انشأت حتى عام 2005 محطات لاستغلال الحرارة الأرضية بقدرة كاملة تبلغ نحو 28 جيجا وات. وهي تقدر بنحو 73.000 جيجاوات ساعي في السنة أو في المتوسط السنوي نحو 3 و8 جيجا وات. وهي تبلغ بالنسبة إلى عدد سكان الأرض البالغ عددهم 6465 مليون شخص في عام 2005 نحو 3 و1 وات/ شخص، وهي قليلة حيث يبلغ متوسط استهلاك الشخص على المستوي العالمي نحو 2.100 وات/شخص.

وتبلغ كفاءة الإنتاج بذلك نحو 30 % (وهذا الرقم له أهميته من ناحية حساب اقتصادية مشروع). وتبين القائمة البلاد التي تنتج أكثر من 5000 تيرا وات / السنة.

ويبلغ استغلال الحرارة الأرضية في آيسلندا متقدما حيث تنتج 53% من الطاقة المستغلة في ذلك البلد وتعتبر إيسلندا أكثر البلاد تقدما في هذا المضمار على مستوي العالم، ويرجع ذلك إلى طبيعة أرضها التي تكثر فيها البراكين.

ومن المقرر ان يبدأ أول مشروع لاستغلال الحرارة الأرضية في الشرق الأوسط في الإمارات العربية المتحدة. ومن المخطط له تزويد المدينة الخضراء مصدر بالطاقة لتكييف المنازل والمباني. كما من المقرر أن يجرى حفر بئرين اختباريين على عمق 2800 متر و4500 متر.[10]

يعتبر مصدر الطاقة هذا محط أنظار الكثير من الدول المتقدمة، ويرتب عليها خطط وآمال مستقبلية كبيرة، وذلك للكثير من إيجابيات هذه الطاقة الفتية.

و من أهم إيجابيات هذه الطاقة :

• كونها طاقة متجددة، فهي من مصادر الطاقة التي لاتنفد على الأقل للأجيال القادمة.
• كونها طاقة نظيفة غير مضرة بالبيئة، ولا تسبب أي تلوث سواء في استخراجها أو في تحويلها أو استعمالها.
• توفرها بكميات كبيرة جدا وفي مساحات شاسعة ولأغلب بلدان العالم.
• قلة تكاليف إنتاج الطاقة بعد التكاليف الأولية لإنتاج المحطة (والتي يمكن أن تكون باهظة).
• المردود العالي للطاقة المستخرجة.

رغم كل مميزات الطاقة الحرارية الجوفية، والتي جعلتها في طليعة مصادر الطاقة البديلة المستقبلية، إلا أن هناك بعض عوامل التي تصعب انتشارها على الأقل في وقتنا الحالي. ومن أهم هذه الأسباب ارتفاع تكلفة إقامة محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الجوفية. ويرجع السبب في ذلك إلى صعوبة حفر آبار بأعماق سحيقة قد تصل إلى عمق 5 كيلومترات ووسط درجات حرارة مرتفعة وبأعداد كبيرة تتيح إنشاء محطة قوى متوسطة القدرة.

محطة قوى كهربائية من الحرارة الأرضية ب الفلبين.

Krafla محطة كرافلا في شمال إيسلندا لانتاج الطاقة من الحرارة الأرضية.

تحتوي السوائل المستخرجة من باطن الأرض على مخلوط غازات، منها ثاني أكسيد الكربون وسلفيد الكبريت (H2S), والميثان والأمونيا. وتشارك تلك الغازات في مشكلة الانحباس الحراري والمطر الحمضي. وتبلغ مقدار ما ينطلق من محطات الحرارة الأرضية من غاز ثاني أكسيد الكربون نحو 122 كيلوجراماً لكل 1 ميجاوات ساعي من الكهرباء، وهي نسبة صغيرة بالمقارنة بما تنتجه محطات الوقود الأحفوري.[11]

لهذا تزود محطات القوى التي تتسم بإصدار كميات كبيرة من تلك الغازات التي تسبب المطر الحمضي بوحدات لضبط وفصل تلك الغازات لخفض تأثيراتها السلبية على البيئة.

و بالإضافة إلى الغازات الذائبة فقد يحتوي الماء الساخن المستخرج من أعماق الأرض على أملاح ذائبة ومواد سامة مثل الزئبق والزرنيخ والبور والأنتيمون.ي[12]

وتترسب تلك الكيماويات عند تبريد الماء وقد تتسبب في أضرار بالبيئة إذا أطلقت على الأرض. وتعمل سياسة إعادة استخدام الماء الساخن المستخرج وضخه إلى أعماق الأرض ثانيا من العوامل التي تقلل من التاثير السيئ على البيئة عند استغلال تلك الطاقة.

• مدرج الحرارة الأرضية
• كهرباء حرارة أرضية

• بوابة تعدين
• بوابة تنمية مستدامة
• بوابة زراعة
• بوابة طاقة
• بوابة طاقة متجددة
• بوابة علم البيئة
• بوابة علم طبقات الأرض
• بوابة ماء