إن الطاقة الحرارية الأرضية، المستمدة من الحرارة الداخلية للأرض، تمثل عنصرا حيويا في حافظة مصادر الطاقة المتجددة التي يمكن أن تساعد المملكة المتحدة على تحقيق أهدافها الطموحة في مجال المناخ والاستدامة، وعلى عكس مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية والريحية، توفر الطاقة الحرارية الأرضية إمدادات مستقرة ومستمرة من الحرارة والطاقة، مما يجعلها خيارا جذابا لإنتاج الطاقة الأساسية وتطبيقات التدفئة المباشرة.

Understanding Geothermal Energy in the UK Context

الطاقة الحرارية الأرضية تُرسمل على التدرجات الحرارية الطبيعية للأرض، وتستخرج الحرارة من تحت السطح لتوليد الكهرباء أو توفير التدفئة المباشرة في المملكة المتحدة، وتأتي الطاقة الحرارية الأرضية في الغالب في شكل موارد منخفضة إلى متوسطة، مما يعني أن درجات الحرارة تحت السطحية متوسطة بالمقارنة مع الحقول الحرارية الأرضية العالية الحرارة التي توجد في المناطق البركانية على الصعيد العالمي.

ويتأثر مورد الطاقة الحرارية الأرضية في البلد إلى حد كبير بعوامل مثل قابلية الصخور للتأثر، والتدفق الحر، والعمق إلى المصدر الحراري، ووجود طبقات المياه الجوفية أو مستودعات الحرارة الأرضية، وهذه العوامل تختلف اختلافا كبيرا عن الجيولوجيا المعقدة في المملكة المتحدة، التي تشمل أحواض الرسوب، والاقتحامات الحرارية الرملية، والأرض الميثامورية.

علاوة على ذلك، استقرار الطاقة الحرارية الأرضية وإمكانية التنبؤ بها يجعلها مرشحة حاسمة لتكملة الاعتماد المتزايد للمملكة المتحدة على مصادر الطاقة المتجددة، مما يوفر حرارة وطاقة موثوق بها حتى عندما تذبذب الطاقة الشمسية والريحية.

Mapping Techniques and Data Sources for UK Geothermal Potential

وينطوي رسم خرائط الطاقة الحرارية الأرضية على نهج متعدد التخصصات يدمج البيانات الجيولوجية والجيوفيزيائية والجيوفيزيائية، والهدف الرئيسي هو وضع نماذج مفصلة مكانيا تكشف عن توزيع درجات الحرارة الجوفية، والتدفق الحر، وخواص الصخور التي تؤثر على قابلية البقاء الحرارية الأرضية، ويستكشف هذا الفرع المنهجيات الرئيسية ومجموعات البيانات المستخدمة لوضع خرائط شاملة للحرارة الأرضية في المملكة المتحدة.

المسح الجيولوجي والتصنيف دون السطحي

وتشكل الدراسات الاستقصائية الجيولوجية العمود الفقري لرسم الخرائط الحرارية الأرضية عن طريق تقديم معلومات مفصلة عن أنواع الصخور والجيولوجيا الهيكلية ومناطق الغلط ومواقع طبقات المياه الجوفية، وفي المملكة المتحدة، اضطلعت الدراسة الاستقصائية الجيولوجية البريطانية بدور محوري في جمع خرائط جيولوجية واسعة النطاق وبيانات تحت سطح الأرض، كما أن مشاريع الحفر وسجلات الحفر الأرضية والعينات الأساسية التي جُمعت أثناء عمليات استكشاف النفط والغاز والتعدين تسهم أيضا في ظهور أفكار قيّمة.

وتساعد هذه الدراسات على تحديد مستودعات الحرارة الأرضية التي غالبا ما تكون موجودة في طبقات الرواسب المتطاولة أو الصخور البلورية المكسورة حيث يمكن أن يعمم الماء وينقل الحرارة، فمثلا، تعرف عمليات تدخل الغرانيت في كورنوال عن ارتفاع الإنتاج الحراري بسبب التحلل الإشعاعي للنظائر داخل الصخرة، مما يجعلها أهدافا رئيسية لاستكشاف الحرارة الأرضية.

قياسات تدفق الحرارة

وتُحدِّد بيانات تدفق الحرارة الكمية التي تُفرّ من داخل الأرض إلى السطح، والتي تقاس عادة في الألفوات لكل متر مربع (MW/m2). وتُعد المناطق ذات التدفق الحرفي الأعلى أفضل للاستغلال الحراري الأرضي حيث تشير إلى ارتفاع درجات الحرارة تحت السطحية في أعماق الضحلة، وتُظهر المملكة المتحدة مجموعة من قيم التدفق الحراري، عموماً بين 40 و90 ملغم/مليلتر، مع وجود تدفق حراري.

ويقاس تدفق الحرارة باستخدام درجات الحرارة المتحصل عليها من الآبار المطاطية ويجمع بينها وبين قياسات السلوك الحراري للصخور دون السطحية، ثم يتم تداخل هذه البيانات لإنشاء خرائط تدفق حراري، وهي عناصر حاسمة في تقدير درجة الحرارة الأرضية - معدل ارتفاع درجة الحرارة مع العمق.

البيانات السيزمية والجيوفيزيائية

وتوفر الدراسات الاستقصائية للزلازل وغيرها من الأساليب الجيوفيزيائية مثل قياسات المغناطيس والجاذبية طبقات إضافية من المعلومات عن الهياكل الجوفية، وخواص الصخور، وشبكات الخطأ التي يمكن أن تؤثر على حركة السوائل الحرارية الأرضية، ويمكن أن تكشف بيانات التأمل السيزمي، التي جُمعت أصلا لاستكشاف الهيدروكربونات، عن وجود كسور ومناطق مخرفة تستخدم كثلوكات طبيعية لسوائل الحرارة الأرضية.

ويساعد إدماج هذه البيانات في تحسين نماذج الحرارة الأرضية وتحديد المواقع التي تتوفر فيها الظروف المثلى للحفر واستخراج الطاقة.

نظم المعلومات الجغرافية والتحليل المكاني

وتؤدي تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية دوراً حاسماً في تجميع البيانات الحرارية الأرضية وتحليلها وتصويرها، ومن خلال وضع خرائط جيولوجية وقياسات التدفق الحراري والبيانات الزلزامية والمعلومات المتعلقة بالهياكل الأساسية السطحية، تُنشئ نظم المعلومات الجغرافية خرائط شاملة للطاقة الحرارية الأرضية، وهذه الخرائط تمكّن أصحاب المصلحة من مقارنة المناطق، وتقييم القيود البيئية، والتخطيط لتطوير الهياكل الأساسية بكفاءة.

كما أن التحليلات المتقدمة لنظام المعلومات الجغرافية تتضمن عوامل اجتماعية واقتصادية مثل القرب من مراكز الطلب على الطاقة، والشبكات الحرارية القائمة، والاعتبارات المتعلقة باستخدام الأراضي، مما يوفر نظرة شاملة عن جدوى التنمية الحرارية الأرضية.

المناطق الرئيسية في المملكة المتحدة ذات القدرات الحرارية الأرضية العالية

ولا توزع الطاقة الحرارية الأرضية في المملكة المتحدة بصورة موحدة، بل تتركز في مناطق محددة تتسم بالظروف الجيولوجية والحرارية الجيولوجية المواتية، وترد أدناه وصفات مفصلة للمجالات الرئيسية التي تم تحديدها على أنها واعدة لتنمية الطاقة الحرارية الأرضية.

كورنوال وديفون

شبه جزيرة إنجلترا الجنوبية الغربية، ولا سيما كورنوال وأجزاء من ديفون، هي أكثر المناطق الحادة الحرارية الأرضية شهرة في المملكة المتحدة، وتستضيف هذه المنطقة أحواض حمراء من طبقة مياه الغرانيت ذات إنتاج حراري مرتفع بسبب ارتفاع تركيزات العناصر المشعة مثل اليورانيوم والثوريوم والبطاطس، ويمكن أن يتجاوز توليد الكهرباء من طبقة كورنوال درجة حرارة تحتها عند عمق يسهل الوصول إليها )حوالي ٢-٣ كيلومترات(.

وتهدف المشاريع التاريخية والجارية مثل مشروع الطاقة الحرارية الأرضية في أعماق البحار التابع للأمم المتحدة إلى إثبات جدوى النظم الحرارية الأرضية المعززة في هذا المجال، كما أن وجود البنية التحتية المكسورة للتعدين توفر ميزة للتنمية الحرارية الأرضية، كما أن الكورنوال يستفيد أيضا من السياسات المحلية الداعمة ومن الاهتمام المجتمعي بمبادرات الطاقة المتجددة.

شرق ميدلاند

وتقيم منطقة ميدلاند الشرقية، بما فيها مقاطعات مثل نوتنغامشير وديربيشير، أحواض رسوبية مجهزة بطبقات مياه جوثية يمكن الوصول إليها، ومجموعة شرود ساندستون هي تشكيلة رئيسية مستهدفة معروفة لاحتمالها وقدرتها على تخزين ونقل السوائل الحرارية الأرضية، وتراوحت درجات الحرارة في هذه طبقات المياه الجوفية بين 40 درجة مئوية و 70 درجة مئوية في أعماق تتراوح بين 1.5 و 2.5 كيلومترات.

وقد استكشفت عدة مشاريع تجريبية استخدام هذه الحرارة الحرارية الأرضية للتدفئة الحضرية والعمليات الصناعية والتطبيقات الزراعية، ويعزز قرب هذه الموارد إلى المراكز السكانية جاذبيتها من أجل إيجاد حلول مستدامة للطاقة.

اسكتلندا العليا وشمال اسكتلندا

وتشمل التعقيدات الجيولوجية في اسكتلندا الصخور الميثاموروفية والهالكة ذات الإمكانات الحرارية الأرضية المختلفة، وتظهر المرتفعات الاسكتلندية تدفقا حرا متوسطا، وتظهر بعض المناطق المحلية درجات حرارة مرتفعة بسبب الهياكل الجيولوجية مثل الأخطاء والتدخيلات، ويمكن تطوير نظم الطاقة الحرارية الأرضية المعززة في هذه المناطق، رغم أن انخفاض كثافة السكان يشكل تحديات أمام القدرة على البقاء اقتصاديا.

وبالإضافة إلى ذلك، قُيِّمت أجزاء من اسكتلندا الشمالية للطاقة الحرارية الأرضية الضحلة، ولا سيما للتدفئة في المجتمعات النائية حيث تكون تكاليف الوقود مرتفعة.

ساوث ويلز

وتحتوي منطقة ساوث ويلز على أحواض رسوبية مماثلة لأحواض المناطق الشرقية من الأراضي التي يمكن استغلالها في الطاقة الحرارية الأرضية، كما أن تدابير الحجر الكربوني والفحم تشكلان ملحوظتان ذات إمكانات حرارية جغرافية، ولا سيما للاستخدام المباشر للحرارة، وعلى الرغم من ارتباط المنطقة تاريخياً بتعدين الفحم، فإنها تتجه الآن نحو الطاقة المتجددة، ويمكن أن تسهم مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية في التجديد الاقتصادي وتنويع الطاقة.

مناطق ناشئة أخرى

وفي حين أن المناطق المذكورة أعلاه تحمل أكثر الوعود إلحاحا، يجري التحقيق في مجالات أخرى مثل أيرلندا الشمالية وأجزاء من شرق إنكلترا من أجل توفير موارد حرارية أرضية ذات درجة حرارة أقل من الحرارة، ويجري بالفعل نشر مضخات حرارة المصدر الأرضي التي تستخدم الحرارة الحرارية الأرضية الضحلة في هذه المناطق على نطاق واسع لتوفير حلول مستدامة للتدفئة والتبريد على نطاق أصغر.

تطبيقات الطاقة الحرارية الأرضية في المملكة المتحدة

ويمكن للموارد الحرارية الأرضية المتنوعة في جميع أنحاء المملكة المتحدة أن تدعم طائفة من التطبيقات، بدءاً بتوليد الكهرباء إلى التدفئة المباشرة، ويعد فهم هذه التطبيقات أمراً حاسماً لمواءمة استراتيجيات التنمية مع السياقات الجيولوجية والاجتماعية - الاقتصادية المحلية.

توليد الكهرباء

وعلى الرغم من أن الحقول الحرارية الأرضية العالية الحرارة نادرة في المملكة المتحدة، فإن مناطق مثل كورنوال تتيح إمكانية توليد الكهرباء باستخدام نظم حرارية محسنة، وتهدف المشاريع إلى تسخير درجات الحرارة فوق 150 درجة مئوية لدفع التوربينات وإنتاج الكهرباء المتجددة، ونظراً لدرجات الحرارة المتوسطة نسبياً، فإن محطات توليد الطاقة الثنائية، التي تستخدم سوائل عمل ثانوية ذات نقطة تغلي منخفضة، تستخدم عادة لتحقيق الكفاءة في تحويل الطاقة.

التطبيقات الحضرية والتدفئة

وتتناسب الموارد الحرارية الأرضية المنخفضة إلى متوسطة الحرارة مع شبكات تدفئة المناطق، وتوفر الحرارة للمباني السكنية والتجارية والعامة، وتقوم المدن في ميدلاند الشرقية وساوث ويلز باستكشاف هذه المخططات للحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري وتحسين أمن الطاقة، كما يمكن للحرارة الأرضية أن تدعم زراعة الدفيئة وتربية الأحياء المائية والعمليات الصناعية التي تتطلب طاقة حرارية ثابتة.

Ground Source Heat Pumps (GSHP)

وعلى نطاق أصغر، تستخدم مضخات الحرارة الأرضية على نطاق واسع في جميع أنحاء المملكة المتحدة كوسيلة فعالة لتدفئة وتبريد الفضاء، وتستخرج هذه النظم الحرارة من طبقات سطحية وتستفيد بشكل خاص من المباني السكنية والتجارية، وفي حين أن هذه النظم لا تعتمد على الحرارة الحرارية الأرضية العميقة، فإنها تشكل جزءا هاما من مشهد الطاقة الحرارية الأرضية في المملكة المتحدة.

Challenges Facing Geothermal Development in the UK

ورغم إمكانات تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في المملكة المتحدة، فإن ذلك يواجه عدة تحديات تقنية واقتصادية وتنظيمية يجب التصدي لها لتحقيق فوائدها الكاملة.

التكاليف الرأسمالية الأولية المرتفعة

وتتطلب مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية استثمارات كبيرة في البداية، لا سيما لأنشطة الحفر والاستكشاف، فالحفر إلى عمق عدة كيلومترات مكلف ويتحمل مخاطر مالية بسبب الشكوك التي تكتنف الظروف دون السطحية، وهذه التكاليف الرأسمالية المرتفعة يمكن أن تردع الاستثمار الخاص دون دعم حكومي أو آليات لتقاسم المخاطر.

الاضطرابات التقنية والجيولوجية

ويُحدث تعقيد جيولوجيا المملكة المتحدة أوجه عدم يقين في تقييم الموارد وتصميم الهندسة.() وقد يؤدي التفاوت في قابلية الصخور للتأثر، والمحتوى السوائل، ومستويات درجات الحرارة إلى إجراء تحقيقات تفصيلية في المواقع ووضع نماذج متقدمة.() وقد يؤدي عدم تحديد هذه البارامترات بدقة إلى قصور أداء المشاريع.

الاعتبارات البيئية والتنظيمية

ويجب أن تتقيد التنمية الحرارية الأرضية باللوائح البيئية المتعلقة بحماية المياه الجوفية، واستخدام الأراضي، والمخاطر السيزمية، إذ إن إغراء الزلازل المرتبطة بالنظم الحرارية الأرضية المعززة، وإن كان ذلك طفيفاً، يتطلب رصداً دقيقاً والتخفيف من آثاره، وتتطور الأطر التنظيمية في المملكة المتحدة لتحقيق التوازن بين التنمية والضمانات البيئية.

الهياكل الأساسية والتكامل السوقي

ومن أجل تحقيق أقصى قدر من الفوائد الحرارية الأرضية، يجب إنشاء الهياكل الأساسية المناسبة مثل شبكات توزيع الحرارة وشبكات الربط الشبكي، حيث إن إدماج الحرارة الحرارية الأرضية في نظم الطاقة الحضرية القائمة يشكل تحديات لوجستية، لا سيما في إعادة تجهيز المباني القديمة، ولا تزال آليات السوق والحوافز لتشجيع اعتماد الطاقة الحرارية الأرضية متخلفة بشكل غير كاف مقارنة بالمتجددات الأخرى.

الفرص والتوقعات المستقبلية

وفي حين أن هناك تحديات قائمة، فإن قطاع الطاقة الحرارية الأرضية في المملكة المتحدة يستعد للنمو الذي يغذيه التقدم التكنولوجي والسياسات الداعمة.

الابتكارات التكنولوجية

وتحسن التطورات في تقنيات الحفر، وحفز الخزانات، ودورات الطاقة الثنائية الجدوى الاقتصادية للمشاريع الحرارية الأرضية، ويمكن لتطوير نظم الطاقة الحرارية الأرضية المعززة أن يكشف عن الحرارة من الصخور الساخنة التي لم يكن بالإمكان الوصول إليها سابقا، وتوسيع قاعدة الموارد إلى ما وراء المستودعات الحرارية المائية التقليدية.

الدعم الحكومي ودعم السياسات

وقد زاد التزام حكومة المملكة المتحدة بانبعاثات الكربون الصافية الصفرية بحلول عام 2050 من الاهتمام بمصادر الطاقة المتجددة المتنوعة، ويجري تدريجيا تصميم برامج التمويل والمنح والحوافز السياساتية لدعم استكشاف الطاقة الحرارية الأرضية وتنميتها، كما تقوم السلطات المحلية بتعزيز المشاريع الحرارية الأرضية كجزء من استراتيجيات الاستدامة الأوسع نطاقا.

الاستحقاقات الاقتصادية والاجتماعية

ويمكن لمشاريع الطاقة الحرارية الأرضية أن تحفز الاقتصادات المحلية عن طريق خلق فرص عمل في مجالات الحفر والهندسة والعمليات، كما أنها توفر أسعارا مستقرة طويلة الأجل للطاقة، مما يقلل من التعرض لتقلبات سوق الوقود الأحفوري، وتبرز مبادرات الطاقة الحرارية الأرضية التي تقودها المجتمعات المحلية، وتعزز الملكية والقبول على الصعيد المحلي.

خاتمة

ويعد رسم خرائط لتوزيع الطاقة الحرارية الأرضية في المملكة المتحدة خطوة أساسية نحو تسخير مصدر الطاقة الموثوق به والمستدامة، ومن خلال إدماج البيانات الجيولوجية والجيوفيزيائية والمكانية، تبرز الخرائط المفصّلة المحتملة الحرارية الأرضية المناطق الرئيسية مثل كورنوال، وميدلاند الشرقية، والأراضي الاسكتلندية المرتفعة، وجنوب ويلز حيث ينبغي تركيز الجهود الإنمائية، وفي حين أن التحديات التقنية والاقتصادية لا تزال قائمة، والبحوث الجارية، والتقدم التكنولوجي، والطريقة التي تتبعها المملكة المتحدة في مجال دعم السياسات.

ومع استمرار المملكة المتحدة في الانتقال نحو مستقبل للطاقة منخفضة الكربون، توفر الطاقة الحرارية الأرضية حلا تكميليا للمتجددات المتقطعة، وتوفر الحرارة والطاقة المطردة بأقل قدر من التأثير البيئي، وسيفتح الاستثمار الاستراتيجي في رسم الخرائط والاستكشاف وتطوير الهياكل الأساسية الإمكانات الكاملة للموارد الحرارية الأرضية، مما يسهم إسهاما كبيرا في تحقيق أهداف الطاقة المتجددة في البلد وأمن الطاقة.