الطاقة
الطاقة الحرارية الأرضية: طاقة خضراء حارة للغاية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
البحث عن إمداد متجدد ومستقر للطاقة
رغم نمو الشمس والرياح، لا يزال الوقود الأحفوري يؤدي دورًا كبيرًا في مزيج الطاقة العالمي، بما يشمل النقل والصناعة والشحن وإنتاج الأسمدة.
يرتبط ذلك جزئيًا بارتفاع الطلب العالمي على الطاقة، الذي ازداد على المدى الطويل منذ أوائل القرن العشرين.
المصدر: OurWorldInData
تراجعت تكلفة الشمس والرياح وأصبحت منافسة في تطبيقات كثيرة. لكن استبدال البنية القائمة يحتاج إلى استثمارات وشبكات ومعدات جديدة، ويستغرق سنوات.
يتغير إنتاج الشمس والرياح مع الطقس والوقت، ولذلك يتطلب دمجهما في الشبكة وسائل للموازنة.
تشمل هذه الوسائل التخزين بالبطاريات أو ضخ المياه أو الهواء المضغوط، إلى جانب الربط بين الشبكات وإدارة الطلب والإنتاج المرن. تناولنا التخزين في «مستقبل تخزين الطاقة – تقنيات البطاريات على نطاق الشبكة» و«بدائل البطاريات غير الكيميائية لتحول الطاقة».
خيارات الإمداد المستقر والمرن
يمكن لمحطات كهرومائية ذات خزانات تقديم إنتاج يمكن التحكم به، لكن محطات جريان الأنهار أقل مرونة، وتتأثر الموارد بالجغرافيا والأمطار. وما زالت توجد إمكانات غير مستغلة في بعض المناطق. كما تشمل المصادر المتجددة القابلة للتحكم الكتلة الحيوية وبعض تطبيقات الطاقة الحرارية الأرضية.
الطاقة النووية مصدر آخر منخفض الانبعاثات عبر دورة حياته، ويمكنه تقديم إنتاج مستقر مع استقلال كبير عن الطقس. ومع ذلك، قد يؤثر الجفاف أو ارتفاع حرارة مياه التبريد في بعض المحطات.
تشمل التطورات التقنية المفاعلات المعيارية الصغيرة وتصميمات الجيل الرابع من المفاعلات النووية (وتشرح الروابط هذه التقنيات بالتفصيل). وأبرمت شركات تقنية، منها Microsoft، اتفاقات مرتبطة بالطاقة النووية (MSFT ) لتأمين كهرباء مراكز البيانات. وفي 2024 شمل ذلك اتفاق شراء لمدة عشرين عامًا مرتبطًا بخطة إعادة تشغيل مفاعل، لا تشغيلًا فوريًا مضمونًا.
يبقى دور النووي مرتبطًا بالسياسات والتكلفة والسلامة والنفايات والقبول العام، وتختلف هذه العوامل بين الدول.
وهناك مصدر متجدد آخر لم يُستغل إلا بدرجة محدودة في مناطق كثيرة: الطاقة الحرارية الأرضية.
الطاقة الحرارية الأرضية
تأتي الشمس والرياح ودورة المياه من الطاقة الشمسية مباشرة أو بصورة غير مباشرة. لكن ليست كل المصادر المتجددة شمسية؛ فالمد والجزر والطاقة الحرارية الأرضية لهما مصادر أخرى.
تستمد الأرض حرارتها من الحرارة المتبقية منذ تكوّنها ومن التحلل الإشعاعي داخلها، وليس فقط من تفاعلات في اللب. تتدفق هذه الحرارة نحو السطح بمعدلات تختلف حسب المكان.
المصدر: California Academy of Sciences
تستطيع بعض المنشآت تعديل الإنتاج أو الاستفادة من تخزين حراري لتأخير استخدام الحرارة. لكن المرونة ليست متطابقة في كل محطة، ويجب تقييمها مع خصائص المكمن والمعدات.
تعتمد الجدوى على الموقع. وقد توجد موارد مفيدة في مناطق ذات طلب مرتفع على الحرارة، مثل وسط أوروبا، أو في مناطق بركانية مثل اليابان.
المصدر: Journal Of Cleaner Production
تقييم إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية
تعتمد الموارد على حرارة الصخور وعمقها. تتميز مناطق بركانية كثيرة بتدرج حراري مرتفع، لكن النشاط الزلزالي أو وجود الجبال لا يكفيان وحدهما لتحديد مورد اقتصادي.
تؤثر المياه الجوفية ونفاذية الصخور في نقل الحرارة وتدوير السوائل. تختلف أهمية هذه العوامل بين الأنظمة التقليدية والمحسنة والمغلقة.
قدمت دراسة إيطالية عام 2020 بعنوان «التنبؤ بالملاءمة الجغرافية لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية» خريطة عالمية لتقدير الملاءمة. وهي لا تغني عن مسوحات الموقع والاختبارات.
في الولايات المتحدة، تتركز موارد تقليدية عالية الحرارة في الغرب. ويمكن للتقنيات المحسنة أن توسع المناطق المحتملة، بما فيها أجزاء من تكساس ولويزيانا.
المصدر: EIA
في أوروبا، توجد موارد متنوعة للتدفئة وتوليد الكهرباء، منها وادي الراين ووسط أوروبا وإيطاليا وآيسلندا. تختلف الحرارة والعمق والمياه والقيود الاقتصادية، لذلك لا تعني الخرائط أن جميع المواقع متكافئة.
المصدر: International Journal of Terrestrial Heat Flow and Applied Geothermics
في آسيا، تتمتع مناطق على حزام النار حول المحيط الهادئ، ومنها اليابان وإندونيسيا، بموارد مرتفعة الحرارة.
نطاق الطاقة الحرارية الأرضية
يمكن التمييز بصورة تقريبية بين تطبيقات ضحلة للتدفئة والتبريد وموارد أعمق للحرارة أو الكهرباء. العمق وحده لا يحدد نوع التقنية.
مضخات الحرارة الأرضية الضحلة
تستخدم المضخات الأرضية استقرار حرارة التربة نسبيًا لتدفئة المباني وتبريدها. وهي لا تعتمد بالضرورة على الحرارة العميقة التي تُستخدم لتوليد الكهرباء.
بعيدًا عن التقلبات السطحية، تقترب حرارة التربة من متوسط محلي مستقر. تسحب المضخة الحرارة في الشتاء وتطردها إلى الأرض في الصيف، مع استهلاك كهرباء لتشغيلها.
المصدر: NPR
تختلف التصاميم بين حلقات أفقية ورأسية وأنظمة تعتمد على المياه، بحسب الموقع والمساحة والجيولوجيا.
المصدر: GSI
تستخدم معظم الأنظمة مضخة لتحسين نقل الحرارة. ويمكن أيضًا الاستفادة من التربة في أنظمة سلبية أو منخفضة الاستهلاك، مثل بعض البيوت المحمية. تناولنا ذلك في «الطاقة الحرارية الأرضية والبيوت المحمية السلبية – خفض انبعاثات الزراعة».
الطاقة الحرارية الأرضية العميقة
قد تُصنف الآبار من نحو 500 متر فما فوق ضمن التطبيقات العميقة في بعض السياقات. يرتفع متوسط الحرارة عادة مع العمق، لكن المعدل يختلف كثيرًا حسب المنطقة.
للمقارنة، تورد بعض التقديرات لإنجلترا نحو 40 و90 و140 درجة مئوية على أعماق ألف وثلاثة آلاف وخمسة آلاف متر.
تُستخدم موارد على أعماق نحو 1,000–2,500 متر غالبًا للتدفئة المباشرة أو شبكات التدفئة المركزية، إذا كانت الحرارة والتدفقات مناسبة.
في مطار باريس أورلي، يتيح نظام استخراج مياه بدرجة تقارب 74 مئوية وتدفق نحو 300 متر مكعب في الساعة إنتاجًا حراريًا يقارب عشرة ميغاواط. وقدرت وفورات الوقود بنحو أربعة آلاف طن مكافئ نفط سنويًا.
الموارد الأعمق والأعلى حرارة
يمكن أن تتيح الحرارة المرتفعة توليد الكهرباء، لكن الوصول إليها لا يرتبط بعمق واحد ثابت.
كلما زاد العمق، ازدادت تحديات الضغط والحرارة والتآكل ومتانة أدوات الحفر. وتختلف درجة غليان الماء مع الضغط، فلا يكفي تجاوز 100 مئوية للحكم بأن الماء سيغلي في المكمن.
قد يتيح المورد الأكثر حرارة إنتاجًا كهربائيًا أكبر لكل تدفق، لكن الجدوى تعتمد أيضًا على خصائص البئر والمحطة.
المصدر: BGS
إنتاج الطاقة باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية
تؤدي الطاقة الحرارية الأرضية دورًا مهمًا في دول مثل كينيا وآيسلندا والفلبين. النسب المتداولة، نحو 50% و30% و17%، تخص سنوات وتعريفات مختلفة وتتغير مع توسع مزيج التوليد؛ وليست نسبًا ثابتة من إجمالي استهلاك الطاقة.
توجد موارد إضافية في دول عديدة، لكن تطويرها يتطلب طلبًا وبنية تحتية وتمويلًا وتصاريح. وتصدير كهرباء آيسلندا، مثلًا، يحتاج إلى ربط كهربائي ملائم.
يمكن استخدام المياه الحارة للكهرباء والتدفئة المشتركة. وقد تعمل محطات الدورة الثنائية بحرارة أدنى من 150 مئوية، بحسب الظروف.
الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية، المعززة والمتقدمة
الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية
تبحث الأنظمة التقليدية عن صخور حارة وماء ونفاذية كافية لتدوير السوائل بصورة اقتصادية.
قد يفشل الحفر في العثور على حرارة أو تدفق أو نفاذية مناسبة، مما يعرّض المشروع لخسارة كبيرة. المشكلة ليست عادة غياب الصخور نفسها.
لذلك تشبه بعض مخاطر الاستكشاف مخاطر النفط والغاز، إذ تؤثر جيولوجيا تحت السطح في الجدوى.
الطاقة الحرارية الأرضية المعززة
تستخدم الأنظمة المحسنة التحفيز الهيدروليكي لتحسين جريان السوائل داخل الصخور.
قد يفتح الحقن شقوقًا قائمة أو يوسّعها، ويمكن في بعض التصاميم أن ينشئ شقوقًا جديدة. تختلف الأساليب عن عمليات النفط والغاز في أهدافها وظروفها، لكنها ليست خالية تلقائيًا من التكسير أو المخاطر الزلزالية. واستخدام مواد إبقاء الشقوق مفتوحة يعتمد على التصميم.
قد توسع هذه التقنيات الموارد المتاحة. وتوفر الصخور الحارة والعزل الرسوبي أحيانًا ظروفًا جيدة، لكن طبقة رسوبية بسمك 3–5 كيلومترات ليست شرطًا عامًا لكل مشروع.
يمكن للأنظمة المحسنة زيادة عدد المواقع المحتملة. ويتوقف الإنتاج على نجاح إنشاء المكمن وإدارته، وليس مضمونًا لمجرد تطبيق التقنية.
المصدر: ThinkGeoEnergy
الطاقة الحرارية الأرضية المتقدمة
الحلقات المغلقة
تسعى أنظمة الحلقة المغلقة إلى تدوير السائل داخل أنابيب محكمة بدل الاعتماد على إنتاج الماء من المكمن وإعادة حقنه فيه.
المصدر: ThinkGeoEnergy
قد تقلل الحلقة المغلقة الاعتماد على نفاذية الصخور، لكن الحرارة والعمق وانتقال الحرارة وتكلفة الحفر تظل محددات أساسية للإنتاج.
الطاقة الحرارية الأرضية فوق الحرجة
يهدف نهج الصخور شديدة الحرارة إلى موارد قرب 400 درجة مئوية أو أكثر. يصبح الماء فوق حرج فقط إذا تجاوز حرارته الحرجة، نحو 374 مئوية، وضغطه الحرج، نحو 22,1 ميغاباسكال، مع مراعاة أثر الأملاح.
قد تحمل الموائع شديدة الحرارة طاقة أكبر وتتيح إنتاجًا أعلى لكل بئر. لكن معامل أربعة إلى عشرة أضعاف يعتمد على الخصائص والمقارنة، وليس قاعدة ثابتة لكل سائل. توضح مقارنات هندسية افتراضية إمكان زيادة الإنتاج، مثل مقارنة خمسة ميغاواط عند 200 مئوية بخمسين ميغاواط عند 400 مئوية. هذه سيناريوهات تعتمد على التدفق والضغط والتصميم؛ فلا تضمن أن كل بئر أشد حرارة يعوض عددًا ثابتًا من الآبار.
يُعد مشروع الحفر العميق في آيسلندا (IDDP) من مشروعات البحث البارزة في الموارد عالية الحرارة، وقد واجه تحديات حفر ومواد وتشغيل.
وتعمل شركة أخرى في تطوير حفر الصخور الحارة هي Quaise. تطور نظامًا يستخدم موجات مليمترية يولدها جيروترون لتسخين الصخور وإزالتها. وفي خططها لعام 2024، استهدفت الوصول إلى أعماق نحو عشرين كيلومترًا وحرارة 500 مئوية. كانت هذه أهداف تطوير، لا أداءً تجاريًا تحقق أو إثباتًا لاستبدال كل توليد الحمل الأساسي.
استخراج المعادن
قد تحتوي المياه الحرارية على أملاح ومعادن مذابة يمكن استخلاصها. وقد يضيف ذلك دخلًا، لكنه يحتاج إلى معالجة ومعدات إضافية واختبارات للجدوى. من أمثلة الشركات Vulcan Energy (VUL.AX)، التي تسعى إلى إنتاج الحرارة والكهرباء واستخلاص الليثيوم من مياه وادي الراين المالحة.
التوليد المشترك
يمكن استخدام الحرارة لتدفئة المباني أو توليد الكهرباء، وأحيانًا الجمع بينهما. وقد تساند عمليات أخرى مثل التحلية أو إنتاج الهيدروجين والأمونيا، إذا كانت الطاقة والاقتصاديات والبنية اللازمة مناسبة.
اقتصاديات الطاقة الحرارية الأرضية
تختلف تكلفة الطاقة الحرارية الأرضية حسب الاستكشاف والحفر والتمويل والمورد. وتوقعت إحدى دراسات السوق نموًا سنويًا مركبًا بنحو 3,14% بين 2023 و2033. هذا تقدير لسوق محدد، وليس معدلًا مضمونًا لكل التقنية.
يمكن الاستفادة من خبرة النفط والغاز في الحفر والخدمات والجيولوجيا، مما يوفر مسارًا لنقل المهارات إلى تطبيقات منخفضة الانبعاثات.
قد تكون الطاقة الحرارية الأرضية منافسة في بعض الحالات. وتحتاج المقارنة مع الشمس والتخزين إلى افتراضات متسقة بشأن التشغيل والتمويل والخدمة المطلوبة من الشبكة.
المصدر: Lazard
قد تكون الحرارة المباشرة ذات قيمة مرتفعة في المناطق الباردة أو ضعيفة الإشعاع الشمسي، خاصة في الشتاء. لكن المورد المحلي وتكلفة التوزيع يحددان الجدوى.
قد يكون المشروع مربحًا، لكنه يتطلب استثمارًا أوليًا كبيرًا. وفترة استرداد عشرة إلى عشرين عامًا ليست قاعدة لكل مشروع؛ تتغير مع المورد والعقود والتمويل.
تختلف الحوافز بين الدول والتقنيات. ولا يمكن تفسير فرق التكلفة في كل مقارنة بالدعم وحده؛ تشمل العوامل أيضًا الحفر والمخاطر والموقع والتمويل.
قد يزيد الاهتمام بمرونة الشبكة والإمداد المستقر من دعم هذه المشاريع، بحسب السياسات.
مميزات وعيوب الطاقة الحرارية الأرضية
أفضل طاقة خضراء؟
تُعد الحرارة الأرضية موردًا متجددًا على المدى الطويل، ويمكن أن توفر إنتاجًا مستقرًا. لكن استدامة المكمن المحلي ومرونة التشغيل تحتاجان إلى إدارة، ولا تتطابقان في جميع المنشآت.
تكون البصمة السطحية لمحطات كثيرة محدودة نسبيًا. ومع ذلك، توجد آبار وأنابيب ومنشآت ومخاطر على المياه والهواء والبيئة يجب تقييمها؛ ليست الآثار معدومة.
المصدر: Wikipedia
تستفيد التقنية من خبرات الحفر ومورديه في دول عديدة. وقد تنوع سلاسل توريد الطاقة، لكنها ليست مستقلة تمامًا عن المكونات أو المواد المستوردة.
مشكلة الطاقة الحرارية الأرضية
استنزاف الموارد
تتجدد الحرارة بمرور الوقت، لكن استخراجها قد يكون أسرع من تعويضها داخل المكمن. لذلك تُدار التدفقات وإعادة الحقن وتوزيع الآبار للحفاظ على الإنتاج. قد تحتاج بعض الموارد إلى خفض الإنتاج أو الراحة؛ ولا توجد قاعدة تلزم كل مشروع بالتوقف بعد 30–50 عامًا.
مخاطر الزلازل
قد يؤثر الحفر والحقن في إجهادات الصخور. ومن الأمثلة زلزال بوهانغ في كوريا الجنوبية بقوة 5,5 عام 2017 المرتبط بمشروع حراري أرضي محسن.
يمكن أن يرفع الحقن ضغط المسام ويغيّر الإجهاد على الصدوع، مما يسهل حركتها. ووصف العملية بأنها مجرد تزييت للصخور لا يشرح الآلية كاملة.
تكون كثير من الأحداث صغيرة، لكن يمكن أن تقع أحداث مؤذية. لذا يلزم اختيار الموقع والمراقبة وحدود تشغيل وإجراءات استجابة.
قد يساعد الابتعاد عن السكان والبنية الحساسة، لكنه لا يغني عن تقييم الصدوع وإدارة المخاطر.
قد تقلل الحلقة المغلقة بعض مخاطر الحقن في المكمن، لكنها لا تضمن انعدام المخاطر أثناء الحفر أو التشغيل.
الاستثمار في الطاقة الحرارية الأرضية
القطاع أصغر من الشمس والرياح ويتطور تقنيًا، مع اختلاف كبير بين المشروعات التقليدية والشركات الناشئة.
في سياق 2024 كانت شركات ناشئة عديدة غير مدرجة في البورصة، منها شركة الحلقة المغلقة Eavor وشركة الحفر للصخور شديدة الحرارة Quaise ومن الجهات الاستثمارية المتخصصة Baseload Capital. وتختلف إمكانات الوصول إلى الاستثمار حسب الصندوق والقوانين وشروط الأهلية.
وقد تكون بعض شركات خدمات الحفر الحراري، مثل Iceland Drilling ، جزءًا من مجموعة أكبر لخدمات الآبار، هي Archer – ARCH.OL في هذا المثال.
توجد أيضًا شركات مدرجة يمكن دراستها عبر وسطاء متعددين. وتتوفر على هذا الموقع معلومات عن الوسطاء في الولايات المتحدة, كندا, أستراليا, المملكة المتحدة, و بلدان أخرى.
يمكن كذلك دراسة صناديق للطاقة النظيفة، مثل iShares Global Clean Energy ETF (ICLN) و First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN) أو ALPS Clean Energy ETF (ACES) . لكنها ليست صناديق متخصصة حصرًا في الحرارة الأرضية، وقد تكون حصتها من القطاع محدودة أو متغيرة.
شركات الطاقة الحرارية الأرضية
1. Ormat Technologies, Inc.
تُعد Ormat من كبار مالكي ومشغلي منشآت الطاقة الحرارية الأرضية. تضمنت محفظتها في عرض 2024 نحو 1,23 غيغاواط من قدرة توليد الكهرباء، مع نحو 125 ميغاواط قيد التطوير في البيانات المشار إليها. ويجب التفريق بين الأصول التي تملكها والتقنيات التي تزود بها الآخرين.
ORA مخطط السعر
في عرض 2024، كانت لديها نحو 190 ميغاواط من قدرة تخزين البطاريات العاملة، واستهدفت الوصول إلى غيغاواط بحلول 2028. الميغاواط يقيس القدرة؛ أما كمية الطاقة المخزنة فتقاس بميغاواط ساعة.
المصدر: Ormat
تستهدف الشركة توسيع محفظتها، ولها أيضًا دور في توريد تقنيات لمشروعات في دول مثل نيوزيلندا وإندونيسيا. التوريد لا يعني بالضرورة امتلاك المشروع.
ذكرت الشركة توريد نحو 3,4 غيغاواط من القدرة المركبة تراكميًا، ووصفت نفسها بأنها ثالث أكبر مورد لمحطات الحرارة الأرضية بعد Fuji Electric وToshiba في المقارنة المستخدمة.
دعمت حوافز قانون خفض التضخم الأمريكي بعض خطط النمو. وقدرت Ormat إمكان الحصول على ما يصل إلى 125 مليون دولار سنويًا من المنافع الضريبية، بحسب التنفيذ والأهلية، لا كدخل سنوي مضمون.
المصدر: Ormat
تحتاج المشروعات إلى خبرة وتمويل وعقود طويلة الأجل، وقد تكون شركات المرافق حذرة تجاه التقنيات الجديدة ومخاطر الحفر.
يمكن أن يساعد سجل Ormat وخبرتها على المنافسة، مع بقاء مخاطر التنفيذ والتمويل والمورد.
2. Vulcan Energy (VUL.AX)
Vulcan Energy مجموعة مدرجة في أستراليا تطور مشروعًا في وادي الراين بألمانيا يجمع الحرارة الأرضية واستخلاص الليثيوم من المياه المالحة.
تطرح المجموعة رؤية واسعة لإنتاج الحرارة والليثيوم وتقليل الانبعاثات. أما المرحلة الأولى في خطط 2024 فاستهدفت نحو 24 ألف طن سنويًا من هيدروكسيد الليثيوم، بما يكفي وفق تقديراتها لنحو نصف مليون سيارة كهربائية، لا مليون سيارة في هذه المرحلة.
يوفر انتشار شبكات التدفئة في ألمانيا سوقًا محتملة لاستبدال بعض الحرارة المنتجة بالفحم والغاز.
استهدفت المرحلة الأولى نحو 275 غيغاواط ساعة من الكهرباء و560 غيغاواط ساعة من الحرارة سنويًا. هذه كميات طاقة، وليست قدرة بالغيغاواط.
المصدر: Vulcan Energy
أبرمت الشركة اتفاقات شراء مع Stellantis وVolkswagen وLG وUmicore وRenault. وفي 2024 أنتجت الليثيوم على نطاق تجريبي وتأهيلي، لا في إنتاج تجاري كامل. واستثمرت Stellantis خمسين مليون يورو في الأسهم عام 2022؛ ليست خمسين مليون دولار.
تضمنت النماذج توقعات لتطور تركيز الليثيوم حتى 2055 ومواعيد بدء الإنتاج والتكلفة. هذه تقديرات تعتمد على اختبارات المورد والتمويل والتنفيذ، وليست نتائج محققة أو إثباتًا للتفوق على كل منتج آخر.
يبقى المشروع استثمارًا يحمل مخاطر تطوير وتمويل. إنتاج العينات في 2024 خطوة مهمة، لكنه لا يثبت وحده قابلية التشغيل التجاري الكامل أو تدفقات نقدية كبيرة في موعد معين.
قد يخفض الجمع بين الحرارة الأرضية والليثيوم انبعاثات بعض سلاسل توريد البطاريات الأوروبية. لكن أوصاف «محايد الكربون» و«خالٍ من الوقود الأحفوري» تعتمد على حدود دورة الحياة والطاقة والمواد المستخدمة، ولا تعني انعدام كل انبعاثات أو تأثير بيئي.
