الطاقة الحرارية الأرضية: التاريخ والاستخدام والمستقبل

من المؤكد أنك تعرف ما هي الطاقة الحرارية الأرضية بشكل عام، ولكن هل تعرف كل الأساسيات حول هذه الطاقة؟ بشكل عام، نقول أن الطاقة الحرارية الأرضية هي الطاقة الحرارية من داخل الأرض. بمعنى آخر، الطاقة الحرارية الأرضية هي مصدر الطاقة المتجددة الوحيد غير المستمدة من الشمس، علاوة على ذلك، يمكننا القول أن هذه الطاقة ليست طاقة متجددة في حد ذاتها تجديده ليس لانهائي، على الرغم من أنه لا يزال لا ينضب على نطاق الإنسانلذلك تعتبر قابلة للتجديد لأغراض عملية.

أصل الحرارة داخل الأرض

الحرارة داخل الأرض ناتجة بشكل رئيسي عن اضمحلال العناصر المشعة مثل اليورانيوم 238، والثوريوم 232، والبوتاسيوم 40. وهذه العناصر تتحلل باستمرار، وتطلق طاقة حرارية في هذه العملية. عامل مهم آخر هو تصادمات الصفائح التكتونيةوالتي تطلق الحرارة بسبب الحركة والاحتكاك. وفي مناطق معينة، تكون الحرارة الأرضية أكثر تركيزًا، مثل المناطق القريبة البراكين وتدفقات الصهارة والسخانات والينابيع الساخنة. وهذا يتيح سهولة أكبر لاستخدام الطاقة.

استخدام الطاقة الحرارية الجوفية

تم استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لأكثر من 2.000 عام، حيث كان الرومان رائدين في استخدام الينابيع الحرارية الحمامات الحرارية والتدفئة. في الآونة الأخيرة، تم استخدامه ل تسخين المباني والدفيئات وتوليد الكهرباء. هناك ثلاثة أنواع من الرواسب التي يمكن الحصول على الطاقة الحرارية الأرضية منها:

• خزانات درجة حرارة عالية
• خزانات درجة حرارة منخفضة
• خزانات الصخور الجافة الساخنة

خزانات درجة حرارة عالية

ويعتبر وديعة ارتفاع درجة الحرارة عندما تصل درجة حرارة المياه الجوفية في الخزان إلى أكثر من 100 درجة مئوية بسبب قربها من مصدر حرارة نشط. من أجل استخلاص الحرارة من باطن الأرض، يجب أن تسمح الظروف الجيولوجية بوجود أ الخزان الجيوحراريوالتي تعمل بشكل مشابه لخزانات النفط أو الغاز الطبيعي.الماء الساخن ويميل من خلال هذه الصخور إلى الارتفاع نحو السطح حتى يصل إلى خزان الطاقة الحرارية الأرضية المحصور بطبقة غير منفذة. ومع ذلك، إذا كانت هناك شقوق في تلك الطبقة غير المنفذة، فيمكن أن يرتفع البخار أو الماء الساخن تظهر على السطح على شكل ينابيع حارة أو ينابيع ماء حار. وقد تم استغلال مصادر الحرارة هذه منذ العصور القديمة، واليوم يتم استخدامها للتدفئة والعمليات الصناعية.

خزانات درجة حرارة منخفضة

الخزان ذو درجة الحرارة المنخفضة هو المكان الذي تصل درجة حرارة الماء إلى ما بين 60 و100 درجة مئوية. في هذه الحالات، يكون تدفق الحرارة طبيعيًا، لذلك ليس من الضروري وجود مصدر حرارة نشط أو وجود طبقة كتيمة.

والمفتاح هنا هو تخزين المياه على أعماق تسمح لها بالوصول إلى درجات حرارة عالية بما يكفي لجعل استغلالها مجديا اقتصاديا.

خزانات الصخور الجافة الساخنة

الودائع الصخور الساخنة الجافة لديهم إمكانات أكبر، لأنهم من بين 250-300ºC وعلى أعماق تتراوح بين 2.000 و3.000 متر. ومن الضروري استخراج الحرارة من هذه الصخور كسرها لجعلها مسامية.

في هذا النظام، يتم حقن الماء البارد من السطح، ويمر عبر الصخور المسامية الساخنة، ويتم تسخينه في هذه العملية، ثم يتم استخلاصه كبخار لتوليد الكهرباء. إلا أن هذه الرواسب تواجه صعوبات بسبب تقنيات التكسير والحفر اللازمة لاستغلالها.

طاقة حرارية أرضية منخفضة الحرارة

يمكننا أيضًا اعتبار باطن الأرض بمثابة مصدر حرارة عند 15 درجة مئوية، متجددة بالكامل ولا تنضب. ومع وجود نظام تجميع مناسب ومضخة حرارية، من الممكن نقل هذه الحرارة إلى نظام تدفئة يمكن أن يصل إلى 50 درجة مئوية، مما يوفر التدفئة والمياه الساخنة المنزلية.

ويمكن استخدام هذا النظام أيضًا في الصيف، حيث يتم تخزين الحرارة عند درجة حرارة 40 درجة مئوية تحت الأرض. العيب الرئيسي هو أن هناك حاجة إلى مساحة سطح كبيرة لدفن الدائرة الخارجية، ولكن ميزتها الرئيسية هي توفير الطاقة وتعدد الاستخدامات ويمكن استخدامه لكل من التدفئة والتبريد.

المضخة الحرارية الأرضية

العنصر الأساسي في هذا النوع من النظام هو مضخة الحرارة. تعتمد هذه الآلة الديناميكية الحرارية في عملها على دورة كارنومأخوذ من غاز يعمل كحامل للحرارة بين مصدرين أحدهما منخفض الحرارة والآخر مرتفع الحرارة.

يمكن لهذه المضخة استخلاص الحرارة من الأرض عند درجة حرارة 15 درجة مئوية ورفع درجة حرارتها لتسخين الهواء في دائرة داخلية، مما يحقق أداء أعلى بكثير من أنظمة تكييف الهواء التقليدية.

تبادل الدوائر مع الأرض

يمكننا التمييز بين أنظمة الصرف مع سطح الماءوهي أرخص ولكنها محدودة جغرافيا، والتبادل مع الأرض، والذي يمكن أن يكون مباشرا أو من خلال دائرة مساعدة.

• التبادل المباشر: أبسط وأرخص، ولكن مع خطر التسرب والتجميد.
• الدائرة المساعدة: أكثر تكلفة، ولكن يتجنب التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة.

تجدر الإشارة إلى أنه من خلال امتصاص الحرارة من مصدر درجة حرارة ثابت مثل باطن الأرض، توفر هذه الأنظمة أداءً ثابتًا وفعالاً طوال العام، بغض النظر عن الظروف الجوية.

أداء أنظمة تكييف الهواء

La كفاءة استخدام الطاقة تعتبر أنظمة تكييف الهواء بالطاقة الحرارية الأرضية رائعة: فهي تصل إلى أداء يصل إلى 500% في التبريد و400% في التدفئة. وهذا يعني أنه لكل وحدة طاقة مستخدمة، يمكن توليد ما يصل إلى 5 وحدات من الطاقة الحرارية في حالة التبريد.

وبصرف النظر عن كفاءته العالية، فإن هذا النظام يتميز بعدم الاعتماد على التقلبات في الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، حيث توفر الأرض مصدرا ثابتا للحرارة.

توزيع الطاقة الحرارية الجوفية

يتم توزيع الطاقة الحرارية الأرضية في جميع أنحاء الكوكب بأكمله، ولكن مع تركيز أكبر في المناطق البركانية والصدوع التكتونية. تتمتع مناطق مثل ساحل المحيط الهادئ في أمريكا وإندونيسيا بإمكانيات عالية. إلا أنه من الممكن أن يمتد استغلاله إلى مناطق أخرى بتقنيات الحفر الحديثة.

مزايا وعيوب الطاقة الحرارية الجوفية

المزايا:

• توافر في جميع أنحاء الكوكب.
• لا ينضب على نطاق الإنسان.
• أرخص طاقة معروفة.

العيوب:

• احتمال إطلاق الغازات الكبريتية.
• انتقال الحرارة لمسافات طويلة غير ممكن.
• ارتفاع تكاليف التثبيت الأولية.

مستقبل الطاقة الحرارية الجوفية

إن إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية للكوكب هائلة، حيث يوجد ما يكفي من الطاقة المخزنة تحت الأرض لتلبية احتياجات العالم من الطاقة لملايين السنين. ومع تقدم تقنيات الحفر، من المتوقع أن ينتشر استخدام الطاقة الحرارية الأرضية بشكل متزايد في العمليات الصناعية وتدفئة المباني وتوليد الكهرباء.

ومع تطور تقنيات جديدة مثل التوربينات الخالية من الشفرات القادرة على توليد الكهرباء في درجات حرارة منخفضة، فإن الطاقة الحرارية الأرضية لديها مستقبل واعد لتصبح جزءًا أساسيًا من إمدادات الطاقة العالمية.

وبالتالي، فإن الطاقة الحرارية الأرضية لا توفر بديلاً نظيفًا وفيرًا فحسب، بل يمكن أن تساعدنا على التحرك نحو قدر أكبر من الاستقلال في مجال الطاقة، مع تقليل بصمتنا الكربونية.