الاستدامة
تخزين حرارة التربة قد يحل تحدي تخزين الطاقة المتجددة
الحاجة إلى تخزين الطاقة على نطاق واسع
هناك حاجة متزايدة لأنظمة البطاريات التي يمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة لعدة ساعات أو أيام. ذلك بسبب أن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح متقطعة، وتتقلب طوال اليوم ومن يوم لآخر.
يزيد الأمر سوءًا في المناخات الباردة، حيث غالبًا ما ترتفع استهلاك الطاقة لتدفئة المباني عندما تكون درجات الحرارة منخفضة جدًا. لذا، عندما يكون السماء غائمة أو تغطي الثلوج الألواح الشمسية، يكون الطلب على الطاقة في أعلى مستوياته.
استخدام بطاريات الليثيوم-أيون كما في السيارات الكهربائية من غير المرجح أن يكون حلاً فعالًا على نطاق واسع. فهي ببساطة مكلفة جدًا، غير متينة بما فيه الكفاية، وتستهلك كميات كبيرة من المواد الخام.
هذا هو السبب في أن العديد من كيميائيات البطاريات البديلة المختلفة تم النظر فيها لتخزين الطاقة على مستوى المرافق. نستعرض معظم هذه الخيارات في مقالتنا “مستقبل تخزين الطاقة – تقنيات بطاريات المرافق“، بما في ذلك الليثيوم-حديد-فوسفات، الصوديوم-أيون، تدفق الأكسدة-الاختزال، الحديد-هواء، المعادن المنصهرة، النيكل-هيدروجين، الصوديوم-كبريت، إلخ.
جميع هذه البطاريات تخزن الطاقة على شكل كهرباء بطريقة أو بأخرى، عادةً من خلال أكسدة واختزال معدن.
المشكلة هي أن حتى المعادن الشائعة مثل الحديد أو الألمنيوم ستتطلب الكثير من التعدين. فماذا لو خزنّا الطاقة في شكل آخر؟
تخزين الحرارة
هناك عدد كبير ومفاجئ من الخيارات لتخزين الطاقة دون استخدام الكهرباء كوسيلة للتخزين. لقد نظرنا إليها بمزيد من التفصيل في “بدائل غير كيميائية للبطاريات من أجل انتقال الطاقة“. تشمل هذه الخيارات:
- هواء مضغوط.
- بطاريات الجاذبية (صخور، طاقة مائية مضخَّة).
- بطاريات الحرارة.
- عجلات دوارة.
- طاقة شمسية حرارية.
كل من هذه الخيارات، سواء كانت بطاريات أو غير بطاريات، لها مزايا وعيوب. الحل المثالي لتخزين الطاقة يجب أن يحقق بعض الخصائص:
- لا حاجة للمعادن والمواد النادرة.
- تخزين طاقة طويل الأمد، يفضَّل أن يكون على مدى أسابيع متعددة أو شهور.
- تكلفة منخفضة.
- قابل للتوسع بسهولة دون قيود من المواقع أو الموارد المتاحة.
- يمكن تحويله مرة أخرى إلى كهرباء مع خسائر قليلة.
بالنسبة للمعايير الأربعة أو الخمسة الأولى، يتوافق تخزين الحرارة مع المتطلبات. استكشفنا بعض تقنيات “بطاريات الحرارة” المحتملة في مقالتنا المخصصة “بطاريات الحرارة تتطور بسرعة دون الحاجة لتعدين المعادن”.
ومع ذلك، حتى هذه الحلول لا تزال تتطلب بعض التصنيع لسعة التخزين، سواء كان ذلك صوامع معزولة ضخمة مليئة بالرمل أو كتل من الكربون النقي مسخنة إلى 1500°C.
يستكشف الباحثون من جامعة كاوناس للتكنولوجيا (ليتوانيا) الآن إمكانية أخرى، وهي تخزين الطاقة مباشرة في التربة تحت المباني، دون الحاجة إلى أي تصنيع إضافي.
نشروا نتائجهم في عدد خاص من مجلة Sustainability1 تحت العنوان “البحث عن زيادة كفاءة الطاقة في المباني باستخدام الأرض تحتها للتراكم الحراري”.
السعة الحرارية للتربة
نظرًا لأن التربة تحتوي على مزيج من المعادن والماء، فإنها تميل إلى امتلاك كتلة حرارية هائلة، وهي كمية الطاقة في شكل حرارة التي يمكن أن تحتفظ بها لحجم أو كتلة معينة. طبيعة التربة، مثل بنيةها الفيزيائية، محتوى المادة العضوية، الملمس، والتركيب المعدني، تحدد التغيرات الحرارية للتربة.
وبسبب ذلك، تميل التربة إلى الحفاظ على درجة حرارة أكثر استقرارًا تحت عمق معين (عادةً 2-3 أمتار / 6.5-10 أقدام)، مما يعكس متوسط درجة الحرارة السنوية للمنطقة.
المصدر: MDPI
هذا هو المبدأ الذي تستفيد منه مضخات الحرارة الجوفية، حيث تأخذ الحرارة المخزنة في التربة خلال الصيف لتدفئة المنازل في الشتاء، بدلاً من محاولة ضخ الحرارة من الهواء السطحي البارد كثيرًا. ويمكن أن يعمل بالعكس في المناخات الحارة، حيث يبقى الأرض أبرد خلال النهار والصيف مقارنةً بالهواء السطحي. يتم أيضًا تطبيق نفس المبادئ في البيوت الزجاجية الجوفية,
قياس الانتشار الحراري
الإعداد التجريبي
قُمت تجارب قليلة بتحليل انتشار الحرارة في طبقات متعددة من التربة وقياسه على مدار السنة، مما يسمح بفهم صحيح لإمكانات التربة كبطارية حرارية عملية.
لذلك، أنشأت الدراسة إعدادًا تجريبيًا مع قياسات متعددة على أعماق مختلفة. أضافوا مقاومة كهربائية لقياس انتشار الحرارة لاحقًا. بدأ البحث التجريبي حول تبديد الحرارة في التربة في ديسمبر واكتمل في يوليو.
المصدر: MDPI
تم مقارنة القياسات التجريبية بمحاكاة رقمية لانتشار الحرارة في التربة، حيث أعطت النتيجتان نتائج متشابهة، مما يثبت صحة المحاكاة.
المصدر: MDPI
“كشفت القياسات التي استمرت سنة عن أنماط موسمية طبيعية في درجة حرارة التربة ومكّننا من تحديد عدة اتجاهات. وجدنا أن الاستخدام السلبي لحجم معزول من التربة تحت مبنى يمكن أن يقلل من فقدان الحرارة ويزيد من كفاءة الطاقة.”
Prof. Ždankus – أستاذ في جامعة كاوناس للتكنولوجيا
تخزين الطاقة بالماء
كان الباحثون يعلمون بالفعل أن محتوى الماء في التربة، بالإضافة إلى الفجوات الهوائية، يؤثر بشكل كبير على سرعة انتشار الحرارة في التربة وكتلتها الحرارية. كلما زاد العمق، زاد وقت التجميع، مما يسمح للتربة بتخزين الحرارة ببطء وعلى فترات أطول.
اكتُشف أن نشاط الماء يُعد عاملاً رئيسيًا في انتشار الحرارة في التربة أيضًا، حيث يمكن للماء نقل الحرارة بين طبقات التربة وكذلك أفقياً.
في اختبار واحد، تم تسخين التربة إلى درجة حيث بدأ الرطوبة بالتبخر – مما أدى إلى تحول طوري يتحول فيه الماء السائل إلى بخار. هذا “التحول الطوري” من الماء السائل إلى البخار يمتص كمية كبيرة من الحرارة، مما يزيد من السعة الكلية للتربة في احتجاز الحرارة ويغير نمط التوزيع.
“يمكن أن يكون التحول الطوري طريقة فعّالة لتخزين الحرارة. يمكن شحن كميات أكبر بكثير من الطاقة إلى التربة.
مع مرور البخار عبر الأرض، يوزع الحرارة على مساحة أوسع. “لاحظنا ارتفاعًا حادًا في درجة الحرارة حيثما وصل تدفق البخار. هذا يعني أن الطاقة تتحرك ويمكن التحكم فيها.”
Prof. Ždankus – أستاذ في جامعة كاوناس للتكنولوجيا
التطبيقات العملية
تحويل كل قطعة أرض إلى بطارية
نظرًا لأن كل مبنى يمتلك مساحة أثرية كبيرة، فإن استغلال التربة لكل من الاستقرار الهيكلي وتخزين الحرارة لن يتطلب جهدًا، خاصةً في المباني الجديدة، حيث يتم تركيب تبادل الحرارة أثناء بناء أسس المبنى.
يمكن قول الشيء نفسه عن الأسطح الكبيرة المبنية بالخرسانة أو الأسفلت.
“يمكن لهذا النظام أن يساعد في موازنة شبكات التدفئة المركزية أو تخفيف الضغط أثناء التحميل الزائد لشبكة الطاقة. كما يمكن تثبيت مخازن حرارية للاستخدام الفردي – تحت المباني السكنية أو الشوارع أو مواقف السيارات.”
Prof. Ždankus – أستاذ في جامعة كاوناس للتكنولوجيا
الفكرة هي استخدام فائض الطاقة خلال ساعات وأيام الشمس الساطعة أو الأيام العاصفة، وتدفئة التربة كبطارية حرارية ضخمة. كان أعلى مقدار من الطاقة مطلوبًا لتسخين التربة المحيطة في البداية.
في الإعداد التجريبي، استغرق الأمر حوالي أسبوع من تدفق الحرارة المستمر للوصول إلى توازن ثابت، حيث لا يمكن إضافة مزيد من الحرارة إلى التربة دون أن تتسرب.
الشبكات اللامركزية والحرارة
ميزة رئيسية لهذه التقنية هي أنها يمكن أن تستفيد بسهولة من الطبيعة اللامركزية لإنتاج الطاقة الشمسية، سواء في البيئات الريفية أو الحضرية.
قد يسبب ذلك مشكلات، حيث لم تُصمم الشبكة لتحمل الأحمال المتقلبة على نطاق واسع طوال اليوم في ما كان في السابق نقطة استهلاك مستقرة نسبيًا. في هذا الصدد، لا تُعد حدائق البطاريات مفيدة كثيرًا، إذ لا تزال شبكة الكهرباء بحاجة إلى ترقية لتغذية البطاريات.
بدلاً من ذلك، يمكن إرسال فائض إنتاج الطاقة الشمسية في مبنى معين محليًا كحرارة إلى التربة وإعادة استخدامها لاحقًا في الليل أو بعد عدة أيام لتسخينها. بهذه الطريقة، لا يتم إجهاد الشبكة المحلية خلال ساعات الشمس الأكثر سطوعًا.
يمكن أن يعمل ذلك أيضًا إلى حد ما للتبريد، حيث يمكن للتربة تخزين البرودة بالإضافة إلى الحرارة.
بحوث إضافية
يجب إجراء تقييم أعمق لاقتصاديات النظام، مع دمج أسعار المعدات المستخدمة وتكاليف الإنشاء، وتوفير التكاليف على ترقية الشبكة، ومدى قدرة التربة على الاحتفاظ بالحرارة من الناحية الاقتصادية.
حتى الآن يبدو أن هذا قد يكون نظامًا أفضل لموازنة طلب الطاقة في دورة النهار والليل، أو على مدى عدة أيام، مقارنةً بالموازنة على مدى عدة أشهر أو موسمية.
هناك أمر آخر يحتاج إلى التحقيق قبل نشر الاستخدام العملي للتقنية وهو كيفية استفادتها من الحلول الجاهزة المتوفرة بالفعل في صناعة الطاقة الجوفية.
“هدفنا الفوري هو دمج الحلول القائمة، مثل الآبار، الركائز، وغيرها من تقنيات تبادل الحرارة تحت الأرض، في نظام يمكن أن يفيد كلًا من الصناعة والقطاع السكني.”
Prof. Ždankus – أستاذ في جامعة كاوناس للتكنولوجيا
الاستثمار في الطاقة الجوفية
القطاع لا يزال صغيرًا نسبيًا مقارنةً بمصادر الطاقة المتجددة الأخرى ويتطور بسرعة من الناحية التقنية. ناقشنا ذلك بمزيد من التفصيل في “الطاقة الجوفية: الطاقة الخضراء الساخنة”.
هذا يعني أن العديد من الشركات الناشئة المتقدمة في هذا القطاع لا تزال خاصة. على سبيل المثال، الطاقة الجوفية ذات الحلقة المغلقة Eavor، الجيوحرارة الفائقة Quaise، أو الصناديق المتاحة فقط للمستثمرين المعتمدين مثل Baseload Capital.
كما يعني ذلك أن بعض الشركات المتقدمة في مجال الطاقة الجوفية، مثل Iceland Drilling، قد تكون جزءًا صغيرًا فقط من شركة حفر نفط وغاز أكبر بكثير (Archer Wells – ARCH.OL في هذه الحالة).
مع ذلك، بعض الشركات مدرجة في البورصات ومتاحة للمستثمرين الأفراد. يمكنك الاستثمار في شركات متعلقة بالطاقة الجوفية عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور على توصياتنا لأفضل الوسطاء على هذا الموقع في الولايات المتحدة، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، و العديد من الدول الأخرى.
إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة في البورصة مثل Shares Global Clean Energy ETF (ICLN)، First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN)، أو ALPS Clean Energy ETF (ACES) للاستفادة من نمو قطاع الطاقة الجوفية.
شركات الطاقة الجوفية
1. Ormat Technologies, Inc.
(ORA )
Ormat هي أكبر مالك ومشغل للطاقة الجوفية في العالم. تمتلك الشركة أصولًا في الولايات المتحدة، كينيا، إندونيسيا، وأمريكا الوسطى + الكاريبي، بقدرة 1.5 غيغاواط، أي 10٪ من القدرة العالمية لتوليد الطاقة الجوفية، مع إضافة 253 ميغاواط في عام 2024 فقط.
المصدر: Ormat
تستهدف الشركة نموًا قويًا في قدرة إنتاج الطاقة، مع حفر العديد من الآبار الاستكشافية الجديدة، خصوصًا في نيفادا، يوتا، وكاليفورنيا. في المجموع، من المتوقع أن تصل إلى 2.6-2.8 غيغاواط من قدرة إنتاج الطاقة بحلول عام 2028.
المصدر: Ormat
تدخل Ormat أيضًا سوق تخزين الطاقة، حيث لديها 290 ميغاواط متاحة. يتم تطوير سعة تخزين إضافية قدرها 385 ميغاواط، مع إمكانات تصل إلى 2.9 غيغاواط على المدى الطويل.
المصدر: Ormat
كما أنها مزود لتقنية الطاقة الجوفية، حيث تقدم خبرتها إلى 74٪ من مشاريع محطات الثنائية، التي تنقل الحرارة من الأرض إلى سائل آخر؛ تمثل محطات الثنائية 61٪ من سوق الطاقة الجوفية العالمي، مما يعني أن Ormat تسيطر على 45٪ من السوق العالمية.
المصدر: Ormat
الطاقة الجوفية هي حاليًا قطاع ينمو بسرعة، لكنه أيضًا لا يزال محافظًا جدًا بسبب عدم إلمام معظم المرافق والشركات الصناعية بهذه التقنية.
في هذا الصدد، يجعل ذلك Ormat في موقع جيد للاستفادة من الطلب المتزايد، مع كونها واحدة من أكثر اللاعبين رسوخًا في الصناعة، وتوفير طاقة متجددة أساسية، وهو ما لا تزال التقنيات الخضراء الأخرى تكافح لتحقيقه.
آخر المستجدات حول Ormat Technologies
مرجع الدراسة:
1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). البحث عن زيادة كفاءة الطاقة في المباني باستخدام الأرض تحتها للتراكم الحراري.تكامل الطاقة المتجددة وتطبيقها في المباني من أجل الحياد الكربوني، الطبعة الثانية https://doi.org/10.3390/su17010262
