ما هي الطاقة الحرارية الجوفية؟

تصنف الحرارة الجوفية كأحد مصادر الطاقة المتجددة كون الماء الذي يدخل جوف الأرض يتجدد بفعل مياه الأمطار، وتنتج الحرارة عميقًا في باطن الأرض. وبهذا يصبح لدينا مصدر من الممكن الاستفادة منه في توليد الكهرباء، وتدفئة المنازل؛ والمنازل الخضراء.

تعريف مصطلح الطاقة الحرارية الجوفية

بالعودة لأصل مصطلح الطاقة الحرارية الجوفية 《Geothermal》 مأخوذة من دمج الكلمتان الإغريقيتان 《Geo》 والتي تعني أرض، و 《therme》 التي تحمل معنى حرارة. ببساطة من المصطلح ذاته نستطيع تعريف هذه الطاقة بكونها حرارة تأتي من باطن الأرض على شكل بخار أو ماء حار.

كيف تتولد الطاقة في جوف الأرض؟

تتولد الطاقة الجوفية للأرض بصورتها الخام وهي الحرارة في لب الأرض، في عمق يصل إلى أربعة آلالاف ميل من سطح الأرض. يؤدي انصهار المواد المشعة في باطن الأرض إلى إنتاج درجات حرارة عالية تتجاوز قيمتها درجة حرارة سطح الشمس. لفهم أين تحدث هذه الظاهرة علينا في البدء معرفة الطبقات المختلفة التي تكون الأرض:

اللب 《 The Core》

اللب بحد ذاته يتكون من طبقتين: لب حديدي صلب، ولب خارجي يتكون من انصهار الصخور المختلفة المسماة بالماجما 《Magma》.

غلاف اللب الأرضي 《Mantle》

وهو ما يحيط باللب، ويصل إلى عمق ١٤٠٠ أميال. ويتكون من طبقة من الماجما، وطبقة أخرى خارجية صخرية.

القشرة الأرضية《The Crust》

أو ما تسمى بالأديم تعتبر الطبقة الخارجية للأرض. وهي الطبقة التي تكون القارات، وقاع البحار والمحيطات. تصل سماكتها إلى خمسة وثلاثين ميل في القارات، خمسة أميال في قاع المحيطات.

كيف تكون الحرارة في جوف الأرض؟

تنتقل الحرارة من المناطق الحرارة إلى الباردة، وبهذا تتدفق حرارة الأرض من عمقها إلى سطحها لتغذية المحطات التي يراد تدويرها. بفعل العمليات الجيولوجية والتي تعرف بإسم انقسام الصفائح التكتونية، انقسمت طبقة الأرض الخارجية إلى اثني عشرة صفيحة أصبح تتحرك مبتعدة أو مزاحمة لبعضها البعض بمعدل ميليميترات في السنة. عند اصطدام صفيحتان ببعضهما، تدفع أحدهما الأخرى من أسفل ليحدث بهذا ما يسمى بخنادق المحيطات أو الزلازل القوية. وبالتالي في العمق، تحديدًا فوق الصفيحة التي تحركت إلى أسفل، ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير مسببة ذوبان الصخور والتي تكون الماجما أو الصهارة. ولأن الصهارة ذات كثافة أقل من الصخور المحيطة بها، تتحرك إلى أعلى مندفعة نحو قشرة الأرض حاملة معها الحرارة. وفي بعض الأحيان الصهارة ترتفع إلى السطح على الشقوق لتشكل الحمم البركانية. إلى أن معظم الصهارة تبقى تحت القشرة الأرضية، وتعمل على تسخين الصخور المحيطة بها والمياه الجوفية. وبهذا تعتبر هذه الحرارة مصدرًا يتم الاستفادة منه عبر حفر آبار عميقة لضخ الماء الحار، والبخار إلى السطح.

أماكن تواجد الطاقة الحرارية الجوفية

تستخدم تقنيات جيولوجية، وهيدروجيولوجية، وجيوفيزيائية، وجيوكيميائية لتحديد كميات مصادر الطاقة الجوفية. تعنى الدراسات الجيولوجية والهيدروجيولوجية بتحديد مناطق الينابيع الساخنة، ومتابعة أي دلائل تشير إلى وجود طاقة حرارية كامنة لعمل توصيات على المناطق التي من المفضل حفر الآبار فيها.

متى بدأ استخدام الطاقة الحرارية الجوفية؟

لطالما كان استخدام الماء الحار القادم من باطن الأرض شائعًا منذ العهود القديمة. فقد استخدم كلًا من الرومان، والصينيون، وسكان أميركا الأصليين الينابيع المعدنية الحارة للاستحمام، والطبخ، والتدفئة. حاليًا من أكثر الاستخدامات شيوعًا لهذا المصدر هي تدفئة المنازل عبر أنابيب يضخ الماء من خلالها، لتحيط بالمكان المراد تدفئته. بالإضافة إلى استخدامها في تنمية المحاصيل الزراعية، وتجفيف الخشب، والفواكه، والخضار.

محطات الطاقة الحرارية الجوفية

كمية الحرارة من مصادر الطاقة الجوفية هي ما تحدد إن كان الموقع صالح للاستخدام من عدمه. إنتاج الطاقة من مصادر الطاقة الجوفية للأرض يتطلب وجود مصدر يحتوي على كمية حرارة تصنف من متوسط إلى عالي. يتم إنتاج الكهرباء من مصادر الطاقة الجوفية للأرض بالوقت الحالي باستخدام أحد أربع تقنيات متواجدة حاليًا على مدى الاستخدام الاقتصادي:

١- محطات البخار الجاف المباشرة《Direct Dry Steam Plants》:

تعتبر هذه المحطات الأقدم. يتم فيها الإستفادة من بخار الماء ذو الضغط المنخفض من مصدره الرئيسي عبر عنفة بخارية مصممة خصيصًا لهذا الإستخدام المباشر. يستخدم هذا النوع مع المحطات نوع من العنفات البخارية التي تعنى بتكثيف البخار كوظيفة أساسية. يعاد تدوير البخار المكثف في نظام دائرة مغلقة، أو تبخيره إلى أبراج تبريد رطبة. تستخدم هذه المحطات بخار لا تقل درجة حرارته عن 150 درجة مئوية، بالإضافة إلى ذلك يجب أن يكون البخار الداخل إلى العنفة جاف بنسبة تصل إلى 99.995% لتجنب تكلس أو تآكل العنفة ومنظومة الأنابيب. تتراوح القدرة الإنتاجية لمحطات البخار الجاف من 8 ميجا واط إلى 140 ميجا واط.

محطات التبخير الفجائي 《Flash Plants》

تعتبر هذه المحطات الأكثر شيوعًا حاليًا في توليد الطاقة عبر الطاقة الحرارية الجوفية. المنظومة تشبه محطات البخار الجاف، إلا أنها تستخدم البخار الآتي من عملية مسبقة تسمى بالتبخير الفجائي قبل دخوله إلى العنفات في عملية تكثيف نقي، ليتم بعدها إرسال البخار المكثف إلى دائرة نظام مغلق في المنظومة، أو إلى منظومة البتخير الفجائي تحت ضغوط منخفضة مرة أخرى. تنخفض حرارة المائع حين انخفاض ضغطه، لذا تعتبر هذه المحطات مثالية للبخار الخام ذو الحرارة التي تتجاوز 180 درجة مئوية. تختلف القدرة الإنتاجية لهذه المحطات بحسب مراحل التبخير الفجائي الذي يمر به البخار، فإن كانت منظومة آحادية تنتج المحطة ما بين 0.2 إلى 80 ميجا واط، وإن كانت ثنائية تعطي المحطة طاقة تتراوح ما بين 2 إلى 110 ميجا واط، وكذا تنتج المحطات ذات التبخير الفجائي الثلاثي قدرة تتراوح ما بين 60 إلى 150 ميجا واط.

المحطات الثنائية《Binary Plants》

تبنى هذه المحطات في مواقع الطاقة الجوفية ذات المحتوى الحراري 《Enthalpy》 المنخفض أو المتوسط. يدخل المائع المعالج إلى مبادرات حرارية ليتم تسميته ورفع حرارته في منظومة دورانية مغلقة. المائع المعالج المستخدم والذي يتكون من خليط الأمونيا والماء المستخدم في دورة كالينا، أو خليط هيدروكربوني في دوائر راكنين العضوية لديهما نقاط تكثف وغليان مناسبة الحرارة مصادر الطاقة الجوفية. بشكل عام، تستخدم المحطات الثنائية في مصادر طاقة تتفاوت درجات حرارتها ما بين 100 و 170 درجة مئوية. رغم إمكانية استخدام مصادر ذوات درجات حرارة أقل 100 درجة مئوية، إلى أن هذا يقلل من فعالية خرج الإنتاجية الكهربائية. تتفاوت القدرة الإنتاجية لمحطات الثنائية ما بين 1 و 50 ميجا واط.

المحطات المدمجة أو الهجينة 《Hybrid Plants》

تدمج بعض محطات الطاقة الجوفية دوائر حرارية مثل: دائرة رانكين لإنتاج الكهرباء من ما يمكن أن يعتبر مخلفات حرارية من الدوائر الثنائية. يساعد استخدام دائرتان حراريتان لرفع الإنتاجية الكهربائية. تتراوح القدرة الإنتاجية لهذه المحطات ما بين بضعة ميجا واطات إلى 10 ميجا واط. تستخدم محطات الطاقة الجوفية المدمجة الأساسيات ذاتها التي تستخدمها محطات الطاقة الجوفية العادية، إلى أنها تضيف إليها مصدر حراري آخر في العملية، على سبيل المقال: حرارة من محطة طاقة شمسية مركزة. تضاف هذه الحرارة إلى الطاقة الجوفية لتزيد الحرارة وبالتالي خرج الطاقة.

المصادر:

[1] GEOTHERMAL POWER.
Intermediate Energy [2]