إن الطاقة الحرارية الأرضية والينابيع الساخنة تمثل خزانا واسعا ناقص الاستخدام للطاقة النظيفة والمتجددة والحرارة، إذ إن الطاقة الحرارية الأرضية المتحركة والزفير الإشعاعي للمعادن، قد استخدمت الطاقة الحرارية هذه من قبل البشر لطحنها - من قاعات الاستحمام الرومانية القديمة إلى شبكات الكهرباء الحديثة، واليوم توفر الموارد الحرارية الأرضية مصدرا موثوقا به من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية، ويديرها

Understanding Geothermal Energy

والطاقة الحرارية الأرضية هي الحرارة المخزنة داخل قشرة الأرض، حيث تصل درجة حرارة الكوكب إلى أكثر من ٠٠٠ ٥ درجة مئوية )٠٠٠ ٩ درجة ف(، وهذه الحرارة تتدفق باستمرار نحو السطح، وفي معظم الأماكن، يكون هذا التدرج تدريجيا، ولكن في المناطق النشطة جيولوجيا - مثل حدود الصفائح التكتونية، والمناطق البركانية، والمناطق الشائكة - وتتركز الحرارة على نحو اقتصادي نحو سطح الأرض.

والمصدر الرئيسي للحرارة الحرارية الأرضية هو بطء تفكك النظائر المشعة لليورانيوم والثوريوم والبخار في منضدة الأرض وقشرة الأرض، وتأتي الحرارة الإضافية من التلقيم الأصلي للكوكب، وتوجد مستودعات الحرارة الأرضية عادة في طبقات صخرية مشبع بالماء، تعمل كوسيلة لنقل الحرارة، وعندما يتم حفر الآبار في هذه المستودعات.

وتصنف الطاقة الحرارية الأرضية كمورد متجدد لأن الحرارة المستخرجة تُعاد تجديدها باستمرار بالعمليات الطبيعية بمعدل يتجاوز بكثير الاستهلاك البشري، غير أنه لا يمكن تفسيره على نطاق زمني بشري؛ فالإدارة المستدامة ضرورية لتجنب الإفراط في الخلاص من مستودعات محددة.

الربيع الساخن: مؤشرات الطبيعة الأرضية للطبيعة

والينابيع الساخنة هي منافذ طبيعية للمياه الجوفية الحرارية الأرضية التي تسخن من جراء الماجما أو الصخور الساخنة التي تدور في السطح، وكثيرا ما توجد في المناطق البركانية، ولكنها يمكن أن تحدث أيضا في مناطق ذات تكوينات صخرية عميقة ومثيرة وتداول كاف للمياه الجوفية، وقد تتراوح درجة حرارة الينابيع الساخنة بين الدفء (فوق المحيط بقليل) والارتفاع (الأو السخانة).

ومن الناحية التاريخية، تم تقدير الينابيع الساخنة للاستحمام والاسترخاء والأغراض العلاجية، فالمياه الغنية بالمعادن - التي تحتوي على الكبريت والكالسيوم والمغنيزيوم والسيلويكا - يُعتقد أنها تخفف من ظروف الجلد، والتهاب المفاصل، والإجهاد، واليوم، فإن الملاجئ والمواساج المرئية والمرتفعة (المعروفة باسم " الأشعة الحرارية " ) هي جذبات السياحية الرئيسية في بلدان الربيع مثل أيسلندا واليابان ونيوزيلندا.

How Geothermal Energy is Harvested

ويمكن استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في توليد الكهرباء وتطبيقات التدفئة المباشرة، وتتوقف التكنولوجيا المختارة على درجة حرارة وعمق الموارد الحرارية الأرضية.

محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء

وتوجد ثلاثة أنواع رئيسية من محطات الطاقة الحرارية الأرضية في العالم أجمع:

  • Dry Steam Power Plants:] These are the oldest type, directly using steam from geothermal reservoirs to turn turbines. they are rare because they require dry steam reservoirs, which are found in only a few locations, such as the Geysers in California and Larderello in Italy.
  • Flash Steam Power Plants:] The most common type, flash steam plants extract high-pressure hot water from deep wells. As the water rises and pressure drops, it “flashes” into steam, which is separated and used to drive a turbine. The remaining water is injected back into the reservoir.
  • (أ) هذه المركبات تعمل بسوائل حرارية أرضية ذات درجة حرارة منخفضة (100-180 درجة مئوية) وتسخن المياه الساخنة سوائل عمل ثانوية (مثل الأيزوبوتين أو البنتان) مع نقطة غلي أدنى، تتفاخر وتقود سوائلاً من نوع توربيني.

ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة المتجددة، بلغت القدرة العالمية على توليد الطاقة الحرارية الأرضية أكثر من 15.8 غوناً في عام 2023، مع مساهمات كبيرة من الولايات المتحدة وإندونيسيا والفلبين وتركيا ونيوزيلندا وكينيا.

الاستخدام المباشر للهرات الحرارية الأرضية

وتستخدم تطبيقات الاستخدام المباشر الحرارة الحرارية الأرضية دون تحويلها إلى الكهرباء، وهذه التطبيقات تتطلب عادة درجات حرارة أقل (20-150 درجة مئوية) ويمكن أن تكون عالية الكفاءة وتشمل الاستخدامات المباشرة المشتركة ما يلي:

  • ]District Heating:] Geothermal hot water is piped through a network to heat multiple buildings. Iceland’s district heating system is a world-renowned example, supplying heat to over 90% of the city’s homes.
  • Greenhouse and Soil Heating:] Warm groundwater or geothermal heat pump pumps keep greenhouse soils at opt temperatures, extending growing seasons and improving crop yields. This is widely practiced in Hungary, the Netherlands, and parts of China.
  • Aquaculture:] Heated water supports fish farming (e.g., tilapia, shrimp) in cold climates, boosting growth rates and reducing heating costs.
  • Industrial Processing:] Geothermal steam and hot water are used in industries such as food processing, milk pasteurization, pulp and paper, and lumber drying.
  • Snow Melting and De-icing:] In countries like Iceland and Japan, geothermal heat melts snow from roads, sidewalks, and airport runways, reducing the need for chemical de-icers.
  • Balneotherapy and Spas:] Hot springs and geothermal showers are used for therapeutic chillation, supporting tourism and wellness industries. This is a multi-billion-dollar sector globally.

المنافع والتحديات البيئية

وتعتبر الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق واسع أحد مصادر الطاقة المتجددة الأكثر ملاءمة للبيئة وتشمل فوائدها الرئيسية ما يلي:

  • Low Emissions:] Binary cycle plants emit essentially no greenhouse gases. Flash and dry steam plants do release some carbon dioxide and hydrogen sulfide, but at much lower levels than fossil fuel plants. Overall, geothermal power plants emit about 5% of the CO2 of a natural gas plant per megawat-hour.
  • Small Land Footprint:] A geothermal plant requires much less land per megawatt than solar or wind farms, and the plant can be built incrementally.
  • Baseload Reliability:]خلافاً للشمس والريح، فإن الطاقة الحرارية الأرضية ليست متقطعة، ويمكن أن تعمل النباتات بنسبة 90 في المائة + عوامل القدرة، مما يوفر قدرة مستقرة للشبكة.
  • Local Economic Benefits:] Geothermal projects create jobs in drilling, plant operation, and maintenance, often in rural or remote areas.

غير أن التنمية الحرارية الأرضية ليست بدون تحديات:

  • ] Location Constraints:] Most high-temperature resources are found in tectonically active regions, limiting geographical availability. Enhanced Geothermal Systems (EGS) aim to expand access to areas without natural hydrothermal reservoirs.
  • Upfront Costs:] Exploration and drilling can be expensive, with high financial risk if wells fail to find adequate resources.
  • Induced Seismicity:] In some EGS projects, injecting water under high pressure can cause small ters, requiring careful monitoring and mitigation.
  • Water Use and Chemical Discharge:] Some geothermal liquids contain dissolved minerals and heavy metals that must be reinjected or safely disposed of to prevent environmental contamination.
  • Resource Depletion:] Over-extraction from a geothermal reservoir can cause pressure and temperature declines, though reinjection of spent liquids can sustain reservoir life.

المناطق الحرارية الأرضية البارزة وسباق ساخنة

وفي جميع أنحاء العالم، تقود عدة بلدان إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية واستخدام الربيع الساخن:

  • Iceland:] Geothermal energy provides about 30% of the country’s electricity and heats over 90% of homes. Theknown Blue Lagoon is a geothermal spa fed by runoff from the Svartsengi power plant. Iceland also uses geothermal heat for greenhouse farming and fish farming.
  • United States:] The Geysers in California is the largest geothermal field in the world, with over 1,500 MW of installed capacity. Other significant sites occur in Nevada, Utah, Oregon, and Hawaii. Hot spring resorts in Colorado, Montana, and the Appalachian region attract millions of tourists annually.
  • Indonesia:] The country sits on the Pacific Ring of Fire and has the world’s largest geothermal potential, with an estimated 29 GW. As of 2023, it has installed about 2.4 GW, with ambitious plans to expand. Hot springs like the Belirang Springs in Sumatra are used for tourism and small-scale power generation.
  • Japan:] Japan boasts thousands of hot springs (onsen) used for showering and spa treatment for decades. The country also generates geothermal electricity, but development has been slow due to cultural and regulatory barriers protecting onsen traditions. Recent legislation aims to accelerate geothermal while maintaining hot spring access.
  • Kenya:] Africa’s geothermal leader, Kenya has over 950 MW installed in the Rift Valley, primarily from Olkaria. Geothermal electricity now accounts for nearly 50% of the nation’s power and the region also has hot springs used for tourism and local heating.

التكنولوجيات الناشئة: النظم الحرارية الأرضية المعززة

كما أن النظم الحرارية الأرضية المعززة - التي تسمى أيضا النظم الحرارية الأرضية المصممة - تشكل حدودا واعدة لتوسيع الطاقة الحرارية الأرضية لتشمل المناطق غير الساحلية، وفي نظام EGS، يقوم المهندسون بخلق خزانات اصطناعية عن طريق الحقن بالماء عند الضغط العالي على تشكيلات الصخور الجافة الساخنة في أعماق الأرض، وتكسر المياه الصخرة، وتخلق مسارات تسمح بالتداول واستعادة الحرارة.

ويمكن أن تفتح الشبكة موارد هائلة من الطاقة الحرارية الأرضية في جميع أنحاء العالم، حيث تقدر وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن EGS يمكن أن توفر أكثر من 100 GW من الطاقة النظيفة بحلول عام 2050، وهناك عدة مشاريع تجريبية جارية في الولايات المتحدة (مثلاً، فريق الخبراء في أوتا، وأستراليا (مثل حوض كوبر)، وأوروبا (مثلاً، ما زالت تكاليف التدريب في مجال البحث في فرنسا، تحد من أهمها.

مركبات الحرارة الأرضية: نظم منخفضة القدرة على الوصول

وتُعتبر مضخات الحرارة الحرارية الأرضية، المعروفة أيضاً باسم مضخات الحرارة من المصادر الأرضية، وسيلة متاحة على نطاق واسع لاستخدام درجة الحرارة الضحلة الثابتة للأرض (من 10 إلى 16 درجة مئوية) للتدفئة والتبريد، وتتألف هذه المضخات من مجموعة من الأنابيب المدفونة في الأرض أو المغمورة في جسم من الماء، مقرونة بضخ حراري ونظام توصيل هواء في الشتاء.

فشركات الصحة العالمية ذات كفاءة عالية - يمكنها أن تقدم 3 إلى 5 وحدات من الحرارة لكل وحدة من وحدات الكهرباء المستخدمة، وهي مناسبة لأي موقع تقريبا، وليس للمناطق البركانية فحسب، ويمكن تركيبها في المباني السكنية والتجارية والمؤسسية، ووفقا لإدارة المعلومات المتعلقة بالطاقة بالولايات المتحدة، يعمل أكثر من مليون مضخة حرارية حرارية حرارية جيولوجية في الولايات المتحدة وحدها، ويتزايد استخدامها مع قيام الحكومات بتقديم حوافز لنظم البناء المنخفضة الكربون.

سبرينغز الساخنة، بالنيوثيرابي، وحسن السياحة

وقد تم إحياء الينابيع الساخنة منذ فترة طويلة بالنسبة لممتلكاتها العلاجية، ويشير مصطلح " البوليوثيرابي " إلى معالجة الأمراض بالاستحمام في ربيع المعادن، وقد أظهرت الدراسات العلمية أن المياه المعدنية الحرارية يمكن أن تحسن التداول، وتخفف من حدة التوتر العضلي، وتستفيد المرضى الذين يعانون من التهاب العظام، والرومائية، وبعض ظروف الجلد، وأن الحرارة، والطف، والتكوين الكيميائي تسهم كلها في التأثيرات الصحية.

وتولد صناعة السياحة الجيدة التي تقام حول الينابيع الساخنة قيمة اقتصادية كبيرة، إذ تجذب المسافات مثل باث (UK)، وبدين (ألمانيا)، وببو، وهوكون (اليابان)، وروتورا (نيوزيلندا)، وبلوغون الأزرق (أيسلندا) ملايين الزوار سنويا، وكثيرا ما تجمع محال بيع السبائك الحديثة بين الاستحمام في الربيع الساخن وغيره من خدمات الرفاه، مما يخلق تجربة مفيدة في مجال حفظ الدخل.

السياسات والاعتبارات الاقتصادية

إن تنمية الطاقة الحرارية الأرضية هي تنمية رأس المال، ولكن تكاليف التشغيل منخفضة بمجرد بناء النباتات، وتؤدي السياسات الحكومية دورا حاسما في دعم التنمية، وتشمل أدوات السياسة العامة الرئيسية ما يلي:

  • Feed-in Tariffs and Premiums:] Guaranteed prices for geothermal electricity reduce investor risk. Kenya, Turkey, and the Philippines have used feed-in tariffs effectively.
  • Tax Incentives and Grants:] Many countries offer investment tax credits or direct grants for exploration and drilling, which are the riskest stages.
  • Renewable Portfolio Standards:] States like California and Hawaii mandate that utilities source a certain percentage of electricity from renewables, spurring geothermal development.
  • Risk Mitigation Programs:] The U.S. Department of Energy’s Geothermal Technologies Office has funded drilling demonstrations and resource assessment programs. International collaboration through the International Geothermal Association (IGA) and the Global Geothermal Alliance helps share knowledge and reduce costs.

وتتوقف القدرة الاقتصادية على البقاء على درجة حرارة الخزان، والعمق، وأسعار الطاقة المحلية، وتتنافس تكلفة الطاقة الحرارية الأرضية على المستوى المرتقي مع الطاقة الكهرمائية والكتلة الأحيائية، ولكنها عادة ما تكون أعلى من طاقة الرياح والطاقة الشمسية في المواقع الصالحة، ولكن عندما تكون قدرة الحمولة الأساسية واستقرار الشبكة قيمة، تصبح الطاقة الحرارية الأرضية استثمارا جذابا للغاية.

مستقبل الطاقة الحرارية الأرضية والربيع الساخنة

ومع تحول العالم إلى نظام للطاقة منخفض الكربون، فإن الطاقة الحرارية الأرضية مهيأة للنمو الكبير، كما أن التقدم في تكنولوجيا الحفر - مثل الحفر التوجيهي، وآبار ثقوب النسيج، وقطعات البولي كريستالين للماس - يقلل من التكاليف، وفي الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي إنتاج الطاقة المتعددة السعة في الأرصفة الأرضية الفائقة الأهمية (تحتوي على سوائل عالية الحرارة جدا).

وسيظل الربيع الساخن مهما للسياحة والخير، ولكنه يشكل أيضا جسرا للقبول العام للطاقة الحرارية الأرضية، ففي اليابان، على سبيل المثال، أدت الجهود الرامية إلى تحقيق التوازن بين الحماية القائمة وتنمية محطات توليد الطاقة إلى حلول مبتكرة، مثل استخدام السوائل ذات الحرارة العالية لتوليد الكهرباء، ثم توزيع التصريف الأقل درجة على حمامات الربيع الساخنة.

إن الطاقة الحرارية الأرضية والينابيع الساخنة معا تمثل مثالا متناسقا على استخدام الحرارة الطبيعية للأرض، وسواء كانت الطاقة الكهربائية المحتوية على حمولة أساسية أو التدفئة الفعالة أو الاسترخاء العلاجي، فإن هذه الموارد المستدامة ستؤدي دورا حيويا بصورة متزايدة في مستقبل أنظف وأكثر مرونة للطاقة.

الموارد الإضافية

وللاطلاع على مزيد من القراءة، انظر هذه المصادر الموثوقة: