قدر كبير من الإثارة حول تعزيز الطاقة الحرارية الأرضية.. إمكانيات أكبر من الطاقة النظيفة

تاريخياً، كان الوصول إلى الطاقة الحرارية الأرضية يعتمد على ثلاثة عوامل مهمة في مجال العقارات: الموقع، والموقع، والموقع. ولأن محطات الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية تتطلب صخوراً ساخنة قابلة للنفاذ إلى الماء وكميات وفيرة من السوائل الجوفية، فقد اقتصر استخدام هذه التكنولوجيا في الأغلب على الأماكن التي شهدت نشاطاً بركانياً حديثاً، مثل اليابان، ونيوزيلندا، والفلبين، وكينيا، والسلفادور، وأيسلندا، والولايات المتحدة الغربية.

لكن على مدى السنوات الخمسين الماضية، قدمت التقنيات التي تم تطويرها في الأصل لحقول النفط والمعدلة لتناسب ” أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة”، وعداً باستغلال احتياطيات عميقة من الحرارة الطبيعية عبر مساحة أوسع من الكوكب.

وقال رولاند هورن، أستاذ علوم الطاقة والهندسة في كلية دور للاستدامة في جامعة ستانفورد، والذي جمع أكثر من 450 مهندساً وعلماء ومديرين من 28 دولة في وقت سابق من هذا الشهر في ورشة العمل الخمسين للطاقة الحرارية الأرضية في جامعة ستانفورد لتبادل الأفكار والإبلاغ عن النتائج من المشاريع في جميع أنحاء العالم: “هناك قدر كبير من الإثارة حول تعزيز الطاقة الحرارية الأرضية”.

وقال هورن، الذي تمت دعوته لجمع فريق من المؤلفين لكتابة ورقة مراجعة لعدد فبراير 2025 من مجلة Nature Reviews Clean Technology حول EGS وإمكاناتها في توفير الطاقة على نطاق أوسع، إن جميع تطبيقات EGS تقريبًا كانت حتى الآن لأغراض بحثية في مصانع صغيرة الحجم لمرة واحدة.

وبعد مرور آلاف السنين منذ أن استغل الرومان القدماء الحرارة الجوفية لتدفئة مبانيهم، وبعد أكثر من قرن من الزمان منذ بدأت إيطاليا في تشغيل أول محطة للطاقة الحرارية الأرضية في العالم، لاحظ هورن وزملاؤه أن الطاقة الحرارية الأرضية تساهم اليوم بنحو 45% من إمدادات الكهرباء في بعض البلدان، مثل كينيا، ولكنها لا تزال تساهم بأقل من نصف 1% على مستوى العالم.

وتساهم الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بأكثر من 25 ضعفاً. ومع وجود الطاقة الحرارية الأرضية، هناك الآن إمكانية لأن تشكل الطاقة الحرارية الأرضية حصة أكبر كثيراً من احتياجات البشرية من الطاقة.

الحفر السريع يقلل التكاليف

وقال هورن، إن العديد من تقنيات الحفر التي مكنت من طفرة الغاز الصخري في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين قد تم تكييفها لجعل الطاقة الحرارية الأرضية تعمل في المزيد من المناطق بتكلفة أقل، وتشمل هذه التقنيات الحفر الأفقي والتكسير الهيدروليكي، أو التكسير، والذي ينطوي على ضخ السوائل تحت ضغط مرتفع في الآبار المحفورة في أسفل وعبر التكوينات الصخرية على عمق آلاف الأقدام تحت الأرض.

تعمل قوى الضغط على فتح الكسور الموجودة في الصخور أو إنشاء كسور جديدة، مما يسهل تدفق البترول أو السوائل الأخرى إلى السطح. في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة، يكون السائل مجرد ماء ساخن من الخزانات الطبيعية تحت الأرض.

وتشمل التقنيات الأخرى المتكيّفة حفر آبار متعددة من منصة واحدة لزيادة الكفاءة وخفض التكاليف. كما أثبتت رؤوس الحفر المصنوعة من الماس الاصطناعي، والتي يمكنها اختراق الصخور الصلبة بفعالية، أهميتها البالغة، حيث أصبحت من الممكن إكمال بئر حراري أرضي جديد في غضون أسابيع قليلة بدلاً من أشهر.

قال هورن، أستاذ توماس ديفيز بارو في جامعة ستانفورد، والذي يخدم أيضًا في المجلس الاستشاري العلمي لشركة تطوير الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة التي شارك في تأسيسها خريجو جامعة ستانفورد تيم لاتيمر، ماجستير العلوم وماجستير إدارة الأعمال ’17، وجاك نوربيك، دكتوراه ’16: “إن الحفر بشكل أسرع يحدث فرقًا هائلاً في اقتصاد الطاقة الحرارية الأرضية ككل”.

وبناءً على النمذجة التي قادها طالب الدكتوراه محمد الجبران، يقدر هورن وزملاؤه في ورقة المراجعة أن معدلات الحفر الأسرع يمكن أن تجعل أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة قادرة على المنافسة مع أسعار الكهرباء المتوسطة في معظم أنحاء الولايات المتحدة بحلول عام 2027، عند حوالي 80 دولارًا لكل ميجاواط في الساعة.

وفي كاليفورنيا، التي تحصل حاليا على نحو 5% من كهربائها من الطاقة الحرارية الأرضية، يقدر المؤلفون أن القدرة الحرارية الأرضية قد تزيد عشرة أضعاف مع استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لتصل إلى 40 جيجاوات بحلول عام 2045 وتحل محل الوقود الأحفوري في توليد الطاقة الأساسية. وعلى هذا النحو، من شأن الطاقة الحرارية الأرضية أن تكمل مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة من الرياح والطاقة الشمسية، مما يضيف الاستقرار إلى شبكة الطاقة الخالية من الكربون.

“بفضل نظام EGS، يمكننا تلبية الحمل”، كما قال هورن، الذي شارك في تأليف ورقة المراجعة التي نُشرت في 31 يناير نوربيك والطالب السابق مارك ماكلور، الحاصل على درجة الماجستير في العلوم عام 2009 وحاصل على درجة الدكتوراه عام 2012، وهو المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي لشركة تسوق برامج نمذجة الكسور لشركات النفط والغاز وأنظمة EGS. ومن بين المؤلفين المشاركين الآخرين ويليام إلزوورث، أستاذ أبحاث فخري في الجيوفيزياء في كلية دوير للاستدامة؛ وإيفا شيل، التي تقود برنامج أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية في مختبر لورانس بيركلي الوطني؛ وألبرت جينتر، نائب المدير العام للطاقة الحرارية الأرضية في شركة كهرباء ستراسبورغ، التي تشارك في التطوير التجاري لمشاريع أنظمة EGS في فرنسا.

التخفيف من مخاطر الزلازل

كما هو الحال مع عملية التكسير الهيدروليكي لاستخراج النفط والغاز، فإن تكسير الصخور العميقة للوصول إلى خزانات الطاقة الحرارية الأرضية يمكن أن يؤدي إلى حدوث الزلازل.

إن إحدى الطرق الواضحة للتخفيف من المخاطر تعود مرة أخرى إلى الموقع: ببساطة تجنب الحفر في الأماكن المعرضة للزلازل. على سبيل المثال، قال هورن إن بناء موقع فوق صدع سان أندرياس الذي يتعرج بشكل خطير عبر كاليفورنيا سيكون قرارًا غير مستحسن.

النهج الثاني هو مراقبة النشاط الزلزالي باستخدام نظام معروف باسم بروتوكول إشارات المرور، فإذا وقع حدث زلزالي بحجم معين، يبطئ المشغلون من وتيرة الحفر، أما الأحداث الزلزالية الأكبر حجماً فتُعَد بمثابة إشارات حمراء توقف كل أعمال الحفر وتستدعي مراجعة قبل إعادة التشغيل المحتملة.

وقال هورن إن استراتيجية تم تطويرها مؤخرا للحد من الزلازل تتضمن خلق العديد من الكسور الصغيرة أثناء الحفر بدلا من كسر واحد أو عدد قليل من الكسور الضخمة، وقد حدثت معظم الزلازل المرتبطة بـ EGS عندما يتم ضخ كسور كبيرة محفزة من قبل الإنسان مليئة بالسوائل وتنشيط الصدوع، وهي كسور موجودة بشكل طبيعي في الصخور.

وأضاف ” اتباع نهج التنقيط بالتنقيط بدلا من خراطيم مكافحة الحرائق يمكن أن يقلل بشكل كبير من مخاطر وحجم الزلازل المستحثة”.

ويأمل هو وزملاؤه أن تشجع الدراسة الجديدة المزيد من الأبحاث والتطوير لـEGS كمصدر للطاقة المستدامة والموثوقة.

وقال هورن: “قد يكون EGS بمثابة عامل تغيير في إنتاج الطاقة الخضراء ليس فقط في كاليفورنيا، ولكن في جميع أنحاء الولايات المتحدة والعالم”. “إن تسخير الحرارة الداخلية للأرض بأمان يمكن أن يساهم بشكل كبير في توفير الطاقة لمستقبلنا”.