الطاقة الحرارية الأرضية تكنولوجيا جديدة تخزن الطاقة تحت الأرض

الطاقة الحرارية الأرضية تكنولوجيا جديدة تخزن الطاقة تحت الأرض قد تغير تقنية ثني الصخور هذه الطاقة النظيفة يمكننا توليد الكهرباء الحرارية الأرضية تقريبًا في أي مكان وفي أي وقت.

 

يمكن للتكنولوجيا الجديدة التي تخزن الطاقة تحت الأرض أن تجعل تكلفة الطاقة الحرارية الأرضية أكثر تنافسية مع الوقود الأحفوري ومصادر الطاقة المتجددة التقليدية

وتساعد في تسريع الانتقال إلى مستقبل الطاقة النظيفة.

 

الطاقة الحرارية الجوفية:

 

نواة الأرض ساخنة مثل سطح الشمس ، ولا تحتاج إلى الحفر بعيدًا في قشرة الأرض لتشعر بآثار هذه الحرارة – ترتفع درجات الحرارة بنحو 80 درجة فهرنهايت لكل ميل تسافر أسفله

 

يمكن أن تنتج هذه الطاقة الحرارية الأرضية كهرباء نظيفة باستخدام الخزانات الحرارية المائية  مواقع تحت الأرض حيث تعمل الطاقة الحرارية الأرضية على تسخين المياه المتدفقة عبر الصخور المسامية – لتكوين بخار لتدوير التوربينات.

 

الطاقة الحرارية الأرضية أنظف بكثير من الوقود الأحفوري وأكثر اتساقًا من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. إنه متجدد أيضًا – كمية الحرارة التي تولدها الأرض غير محدودة تقريبًا.

 

الطاقة الحرارية الأرضية أنظف بكثير من الوقود الأحفوري وأكثر اتساقًا من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح ، التي تعتمد على الظروف الجوية.

إنه متجدد أيضًا – كمية الحرارة التي تولدها الأرض غير محدودة تقريبًا. ميزة أخرى هي أنها تتطلب مساحة صغيرة جدًا من الأرض مقارنةً بالرياح والشمس.

 

على الرغم من هذه الفوائد ، توفر الطاقة الحرارية الأرضية 0.4٪ فقط من الكهرباء في الولايات المتحدة ، وأحد العوامل التي تعيقها هو الحاجة إلى بناء محطات بالقرب من الخزانات الحرارية المائية ، وهي نادرة وتتركز حول المناطق البركانية.

 

أنظمة الطاقة الحرارية الجوفية المحسنة:

 

في السبعينيات ، طور باحثون في مختبر لوس ألاموس العلمي وأظهروا طريقة جديدة للاستفادة من الطاقة الحرارية الأرضية التي لا تعتمد على وجود خزان حراري طبيعي.

 

يطلق عليه ” نظام الطاقة الحرارية الأرضية المحسن ” ، وقد تم إنشاؤه باستخدام المثاقب وتقنيات التكسير لكسر الصخور الساخنة غير المنفذة تحت الأرض. يمكن بعد ذلك ضخ المياه في هذا الخزان الاصطناعي لتوليد البخار لتوليد الكهرباء.

 

قال عالم الجيوفيزياء التطبيقي ويل بيتيت لـ Yale Climate Connections في عام 2020:

“يمكنك إنشاء محطة طاقة بشكل فعال في أي مكان. كل ما عليك فعله هو الحفر بعمق كافٍ وستجد الصخور الساخنة”.

 

 

يمكن لتكنولوجيا جديدة أن تجعل تكلفة الطاقة الحرارية الأرضية أكثر تنافسية مع الوقود الأحفوري ومصادر الطاقة المتجددة التقليدية

 

بعد ما يقرب من 50 عامًا ، لم يقم سوى عدد قليل من أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة بتوليد الكهرباء في الولايات المتحدة ، وبينما لا يزالون لا يفعلون ذلك بالأسعار التجارية ، فإنهم يقتربون.

 

الآن ، تتمتع تقنية FervoFlex التابعة لشركة Fervo Energy الناشئة ومقرها هيوستن بإمكانية جعل أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة أرخص بكثير  وإطلاق العنان للطاقة الحرارية الأرضية في جميع أنحاء البلاد.

 

كيف يعمل:

 

يبدأ FervoFlex بإنشاء خزان اصطناعي يتكون من شبكات من القنوات الصغيرة المتصلة في صخور ساخنة غير منفذة.

يؤدي توجيه المياه المضغوطة إلى تلك القنوات إلى ثني الصخور. يمكن بعد ذلك تخزين المياه بهذه الحالة لعدة أيام.

 

عندما يكون الطلب على الكهرباء أكثر ما يكون – على سبيل المثال ، في الليل عندما لا تتوفر الطاقة الشمسية – يمكن تحرير الضغط وستساعد الطاقة الميكانيكية للصخور المنثنية في دفع المياه إلى السطح لتوليد الكهرباء.

 

في عام 2020 ، طلب Fervo من الباحثين في مختبر ZERO في برينستون تحليل FervoFlex. جعلتهم عمليات المحاكاة الحاسوبية واثقين من أنها ستنجح من الناحية التكنولوجية ، لكنهم لم يكونوا متأكدين من اقتصاديات النظام.

 

 

“يمكنك إنشاء محطة طاقة بشكل فعال في أي مكان. كل ما عليك فعله هو الحفر بعمق كافٍ وستجد الصخور الساخنة “.

 

وفقًا لبحث برينستون ، المفصل في ورقة نُشرت في مجلة أبلايد إنيرجي ، فإن القدرة على تخزين الطاقة في أحد مكامن Fervo الاصطناعية ستزيد بشكل كبير من قيمة أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة.

 

قال المؤلف الرئيسي ويلسون ريكس: “بدت الفكرة بسيطة وأنيقة نوعًا ما بالنسبة لي: لديك هذا النظام ، إنه يحتوي على هذه الخصائص المتأصلة وربما يمكننا فقط استغلالها للقيام بتخزين الطاقة … تقريبًا مثل إضافة الجليد على كعكة”.

 

وتابع:

“لقد اتضح أنها ، بشكل لا لبس فيه ، أكثر قيمة في كل سياق تقريبًا ، وفي الواقع ميزة محتملة كبيرة حقًا”.

 

التطلع إلى المستقبل:

 

في فبراير 2022 ، حصلت Fervo على منحة بقيمة 4.5 مليون دولار من وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للطاقة التابعة لوزارة الطاقة (ARPA-E) لمواصلة تطوير تقنيتها.

 

وفي الآونة الأخيرة ، جمعت 138 مليون دولار من تمويل رأس المال الاستثماري ، بقيادة شركة الاستثمار DCVC. ستساعده هذه الأموال في إكمال مشروعين تجريبيين ، أحدهما مع Google في نيفادا ، والبدء في تقييم المشاريع في أماكن أخرى في الولايات المتحدة وعلى الصعيد الدولي.

 

قال مات تريفيثيك ، الشريك في DCVC:

 

“Fervo هي الشركة المناسبة في الوقت المناسب”. تحتاج الولايات المتحدة إلى 200 جيجاوات من الطاقة النظيفة الموثوقة لتحقيق شبكة كهرباء خالية من الكربون.

 

تستعد Fervo لجعل الطاقة الحرارية الأرضية لا تقل أهمية عن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لمستقبل طاقتنا “.

 

الطاقة تحت الأقدام

 

تشير الصخور الجافة الساخنة عمومًا إلى نوع من الصخور يوجد في كل مكان تقريبًا تحت سطح الأرض. كما توحي العبارة ، هذه الصخرة ساخنة – مئات درجات فهرنهايت بسبب موقعها في أعماق الأرض

وجافة ، مما يعني أنها منيع تقريبًا للسوائل. لا تحتوي الصخور الجافة الساخنة على الماء ولا تمتص الماء الذي يتلامس معها.

 

 

توجد الصخور الجافة الساخنة في أعماق مختلفة في جميع أنحاء العالم. في المناطق ذات النشاط الحراري الأرضي العالي ، مثل أجزاء من شمال نيو مكسيكو ، قد تكون الصخور الجافة الساخنة أقرب إلى سطح الأرض وبالتالي يسهل على البشر الوصول إليها ، إذا اختاروا الوصول إليها.

 

 

كتب عالم لوس ألاموس مورتون سميث في The Furnace in the Basement: The Early Days of the Hot Dry Rock Geothermal برنامج ، 1970-1973. “من المحتمل أن تكون قادرة على تلبية احتياجات العالم الإجمالية من الطاقة لآلاف السنين.”

 

من الناحية المفاهيمية ، يعد استخراج الحرارة من الصخور الجافة الساخنة أمرًا بسيطًا. تم حفر بئر على بعد بضعة آلاف من الأقدام في الأرض. عندما يكون البئر على عمق صخري بدرجة حرارة عالية بدرجة كافية

 

يتم حقن الماء من السطح في حفرة البئر عند ضغط مرتفع بما يكفي لكسر الصخور في قاع الحفرة – وهي عملية تسمى التكسير الهيدروليكي. يخلق نظام الكسر الناتج خزانًا مائعًا

 

على الرغم من أن موقع الخزان وشكله وحجمه واتجاهه ونموه تتحكم فيه الظروف الجيولوجية المحلية ، إلا أنه يمكن تحديدها من خلال مراقبة عملية التصدع. عندما تتكسر الصخور

 

تتولد موجات دقيقة الزلازل (تعرف أيضًا باسم الزلازل الصغيرة جدًا). يمكن الكشف عن هذه الموجات الزلزالية الدقيقة وتسجيلها بواسطة الأجهزة الزلزالية.

باستخدام البيانات الزلزالية الناتجة ، يمكن للعلماء تقدير موقع الخزان والأبعاد التقريبية.

 

بعد هذا التحليل ، يتم حفر بئر ثانية لتقاطع خزان السوائل. إذا نجح الحفر ، فإن البئرين والخزان يخلقان نظام موائع مترابط تحت الأرض.

 

الخطوة التالية هي استخراج الحرارة الجوفية. تعمل مضخة الحقن عالية الضغط على تدوير الماء إلى أسفل بئر الحقن إلى خزان السوائل.

 

هناك ، يسخن الماء من خلال ملامسته للصخور المحيطة ذات درجة الحرارة العالية. ثم يتدفق الماء إلى أعلى البئر الثاني ، وهو ما يسمى بئر الإنتاج.

في الطريق إلى السطح ، يجب إبقاء الماء الساخن عند ضغط مرتفع بما يكفي لمنعه من الوميض إلى البخار.

 

على السطح ، يتدفق الماء الساخن من خلال مبادل حراري. يتم استخدام الحرارة كطاقة ، ويتم إعادة تدوير الماء المبرد. تتكرر العملية.

 

تحتوي الصخور الجافة الساخنة على “مصدر طاقة دولي حقيقي ، إذا أمكن إحضاره إلى السطح بدرجات حرارة مفيدة وبتكلفة معقولة ، فسيكون مصدرًا رئيسيًا للطاقة لكل بلد في العالم

 

بما في ذلك تلك التي تفتقر إلى جميع إمدادات الطاقة المحلية الأخرى

تلخيص سميث

في عالم يهتم بالبيئة ، يجب أن يجعله هذا مصدر طاقة مرغوبًا جدًا.

 

ابتكر سميث وآخرون من لوس ألاموس مفهوم تعدين الحرارة من الصخور الجافة الساخنة في أوائل السبعينيات. كتب سميث أن برنامج Hot Dry Rock (HDR) الأولي كان “غير رسمي من جميع النواحي

بما في ذلك الدعم المالي ، وتم تنفيذه إلى حد كبير على أساس تطوعي”. أولئك الذين ساهموا فعلوا ذلك بدافع الفضول الخالص وفي أوقات فراغهم.

 

لم يكن لدى أي شخص أي خبرة مباشرة في الطاقة الحرارية الأرضية ، لكنهم أصبحوا تقريبًا خبراء في الجيولوجيا والجيوفيزياء والهيدرولوجيا والحفر وميكانيكا الصخور والتكسير الهيدروليكي والمجالات ذات الصلة.

حتى عالم الفيزياء الأسطوري في لوس ألاموس فرانك هارلو (مؤسس ديناميكيات السوائل الحسابية) شارك من خلال نمذجة كفاءة استخلاص الحرارة من خزان صخري جاف ساخن.

 

احتياجات الطاقة البديلة

 

بدأ الحفر

يتطلب الوصول إلى الصخور عند درجة حرارة عالية مناسبة في فنتون هيل الحفر أولاً من خلال الحفرة البركانية بالقرب من السطح ثم من خلال طبقة من الحجر الجيري قبل مواجهة الصخور الجرانيتية ، والتي كانت هدف الحفر.

 

الحفر من خلال أي نوع من الصخور يعتمد على سحق الصخور أسفل لقمة الحفر.

يتطلب إخراج شظايا الصخور المسحوقة بعيدًا عن طريق لقمة الحفر تدوير سائل أسفل سلسلة الحفر وإعادته إلى الأعلى والخروج من البئر.

في حالة فقد دوران السوائل ، يتوقف تقدم الحفر ، وقد تتعطل سلسلة الحفر في البئر.

 

على مدى قرون ، تم إذابة الحجر الجيري أسفل فينتون هيل جزئيًا بواسطة السوائل

مثل مياه الأمطار وذوبان الجليد وتم وصفه بأنه “كهفي”. ولذا ، ربما ليس من المستغرب ، في مناسبات متعددة أن عملية الحفر فقدت دوران السوائل أثناء المرور عبر طبقة الحجر الجيري.

 

يتذكر سكوت فيليبس عالِم الجيوفيزياء في لوس ألاموس:

“كانوا ينقبون أساسًا في كهوف كبيرة”. “عندما تقوم بالثقب ، يكون لديك سائل يتحرك ، ويتم احتواء السائل.

إذا اصطدمت بكهف ، فقد السائل ، وهي مشكلة حفر صعبة “.

يعد إيقاف الحفر لإصلاح مشكلة التدوير الضائع أمرًا مكلفًا ، حيث تكلف الحفارة آلاف الدولارات يوميًا لتأجيرها وتشغيلها