الطاقة الحرارية الأرضية

"هندسة حرارية أرضية" تحوّل إلى هنا. لمطالعة الشركة البريطانية المتخصصة في تطوير الموارد الحرارية الأرضية، انظر جيوثرمال للهندسة.

البخار يتصاعد من محطة نسجاڤلير للطاقة الحرارية الأرضية في آيسلندا.

التدرج الحراري الأرضي تحت القارات والمحيطات الذي تم التوصل إليه بالحسابات

الطاقة المتجدّدة
طاقة حيوية كتلة حيوية طاقة حرارية أرضية طاقة مائية طاقة شمسية طاقة المد والجزر طاقة موجية طاقة الرياح

الطاقة الحرارية الأرضية Geothermal power، هي مصدر طاقة بديل نظيف ومتجدد، وهي طاقة حرارية مرتفعة ذات منشأ طبيعي مختزنة في صخور الماگما في باطن الأرض. حيث يقدر أن أكثر من 99% من كتلة الكرة الأرضية عبارة عن صخور تتجاوز حرارتها 1000 درجة مئوية . ويستفاد من هذه الطاقة الحرارية بشكل أساسي في توليد الكهرباء. و في بعض الأحيان تستخدم للتدفئة عندما تكون الحرارة قريبة من سطح الأرض أو على صورة ينابيع جارة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تمهيد

الطاقة المتجددة، نظرياً، يمكن أن تكفي لتغطية حاجة العالم من الطاقة لمدة 100000 سنة قادمة إلا أن تحويلها إلى طاقة كهربائية هي عملية باهظة التكاليف، وذلك رغم أن الطاقة الأساسية (المادة الأولية) مجانية وهي متوفرة بكثرة لكن صعب الحصول عليها.

تكمن الحرارة الباطنة التي يمكن أن يفيد منها الإنسان باستخدامها طاقة بديلة في الأجزاء السطحية التي يمكن أن تصل إليها أعمال الحفر البئري الآلي. وقد قَدَّر هوايت White هذه الطاقة، التي تسمى طاقة الحرارة الأرضية geothermal energy بما يقرب من 3×2610 حريرة. وبما أن مخزون هذه الطاقة مبعثر جداً، فإنه لا يمكن التوصل، في الوقت الحاضر، إلى تحديد إمكان استخدام هذا المخزون اقتصادياً. فمناطق التدفق الحراري العالي هي التي تحوي أهم الخزانات الحرارية، وهي على العموم، مناطق تبركن أو بناءٍ للجبال تتوزع على هوامش صفائح الغلاف الصخري الرئيسية. وفي كلتا الحالتين تتولد المغمات magmas وتحدث النشاطات النارية الدسيسة والبركانية.

ثمة ظواهر طبيعية تشير إلى سخونة باطن الأرض، أهمها النشاطات البركانية التي ترافقها انفجارات وأبخرة وغازات ومقذوفات بركانية وتدفق حمم (لابات) lavas منصهرة وينابيع معدنية حارة. ويتعرض الإنسان إلى حرارة باطن الأرض مباشرة حين يتعمق داخل الحفر المنجمية، مثل منجم وِسْتِرن ديب ليفل Western Deep Level لاستثمار الذهب في جنوب إفريقية، الذي تصل أعماقه إلى نحو 3500 م ، إذ تبلغ الحرارة في أعماقه ما يقرب من 40 ْ درجة سيلزيوس، على الرغم من استخدام أجهزة التهوية والتكييف. كما يلاحظ هذا التزايد الحراري بوضوح في عمليات الحفر البئري الآلي العميق في أثناء عمليات التنقيب عن النفط.

ويقدر العلماء ، بناء على قياسات أجريت في أثناء التعمق بالحفر في باطن الأرض، تزايد درجة الحرارة مع العمق بنحو 3 ْ درجات سلزيوس لكل 1000م، وهو ما يعرف بالتدرج الحراري الأرضي geothermal gradient. ويزيد هذا المعدل عادة أو يتضاعف في أماكن النشاط الناري الدسيس أو النشاط البركاني. فإذا كانت القياسات المباشرة لهذا التدرج الحراري تقتصر على أعماق سطحية جداً من الأرض، إذ إن أعمق الآبار الآلية التي حفرت لاتزيد إلا قليلاً على 1000م، فإنه يتوقع، إذا استمر تزايد الحرارة وفق هذا المعدل، أن تصل درجة الحرارة في مركز الأرض ، على عمق6500 كم، إلى 2 مليون درجة، وهي درجة أعلى من درجة حرارة سطح الشمس. لذلك يعتقد أن معدل هذا التزايد الحراري ، في معظم أعماق الأرض، أقل بكثير مما ذكر. ويحاول العلماء، اعتماداً على مختلف المعطيات المتوافرة، التوصل إلى وضع صورة مقبولة للتدرج الحراري الأرضي. ويمثل الشكل -1- التدرج الحراري الأرضي الذي يعتقد وجوده في أعماق القارات وتحت المحيطات، إذ يلاحظ أن معدل هذا التدرج يزيد قليلاً تحت المحيطات على ما هو عليه في أعماق القارات. وبما أن حرارة الحمم البركانية تراوح بين900 ْ-1200 ْ درجة سيلزيوس، فإن معدل ازدياد درجة حرارة باطن الأرض، مهما كان ضئيلاً، سوف يصل بالمواد الصخرية إلى درجة الانصهار على أعماق قليلة نسبياً، وتصبح درجات حرارتها، في أعماق أكثر، أعلى بكثير من درجات انصهارها. إلا أن خضوعها لضغوط عالية يبقيها في الحالة الصلبة ولا يبدأ فيها الانصهار الجزئي إلا حين ينحسر عنها الضغط بنتيجة اقترابها من سطح الأرض أو حدوث فوالق عميقة.

 نظرة عامة

لا تتوفر الطاقة الحرارية بصورة مباشرة في الطبيعة إلا في مصادر الحرارة الجوفية، وهذا ما يجعلها سهلة الإستغلال. ويقدر احتياطى الطاقة الحرارية الأرضية في حزام عمقه 2000 متر تحت سطح الأرض ما يعادل ما ينتجه 250 مليار طن من الفحم من الطاقة. نظريا يمكن أن يغطي هذا المقدار من الطاقة حاجة العالم من الطاقة لمدة 100000 سنة قادمة.

تقسم مصادر الحصول على الطاقة الحرارية الأرضية إلى قسمين: المياه الحارة الجوفية والصخور الحارة التي توجد في المناطق النشطة بركانيا أو في الأعماق البعيدة تحت سطح الأرض و يمكن الاستفادة من المياه الجوفية الحارة والصخورالحارة في توليد الطاقة الكهربائية وتسخين المياه التي تستخدم في التدفئة, بالإضافة إلى إستعمالها في الكثير من ميادين الصناعة و الزراعة الأخرى.

وكما ذكرنا مسبقا في كثير من أحيان تستخدم الطاقة الحرارية الأرضية في تدفئة المنازل عندما تكون الحرارة قريبة من سطح الأرض أو على صورة ينابيع جارة أو عندما تكون درجة حرارتها منخفضة (حوالي 65 مئوية)، حيث تكون تكلفة إستخراجها واستعمالها معقولة. ففي أيسلندة تنتشر هذه الينابيع الحارة، ويتم توضيفها لأغراض التدفئة والتسخين.

 التاريخ

The oldest known pool fed by a hot spring, built in the Qin dynasty in the 3rd century BCE.

Global geothermal electric capacity. Upper red line is installed capacity; lower green line is realized production.

تعتبر الطاقة الحرارية الأرضية من مصادر الطاقة المتجددة التي استخدمت منذ فترة طويلة من خلال استغلال مياه الينابيع الحارة. حيث يرجع تاريخ استعمالها إلى أكثر من 10000 سنة عندما استخدم الهنود الحمر الينابيع الساخنة لطهي طعامهم

وقد اعتقد عدد من العلماء في الماضي أن مياه الأنظمة الحرارية الأرضية تعود في أصلها إلى النشاطات النارية في الأعماق. إلا أن الدراسات الحديثة باستخدام نظائر الهدروجين والأكسجين فيها، أظهرت أن ما لايقل عن 95% من هذه المياه مستمد من الغلاف الجوي.

بدأت إيطالية، منذ عام 1904 باستغلال البخار الطبيعي المتفجر في حقل لارْدِرِلّو Larderello. ومنذ ذلك الوقت أصبحت الطاقة الحرارية الأرضية موضع اهتمام واستفادة في كثير من بلدان العالم مثل اليابان وآيسلندة ونيوزيلندة والولايات المتحدة الأمريكية، وأصبحت تُسْتَغَل بوصفها طاقة بديلة لتوليد الكهرباء والتدفئة المنزلية وغيرها. وتتوسع استخدامات الطاقة الحرارية الأرضية باطراد مع تطور تقانة المبادلات الحرارية.

 الكهرباء

المقالة الرئيسية: كهرباء حرارية ارضية

السعة الكهربية الحرارية الأرضية المركبة

البلد	السعة (م.و.) 2007	السعة (م.و.) 2010	نسبة الانتاج الوطني للكهرباء	نسبة الانتاج العالمي للطاقة الحرارية الأرضية
الولايات المتحدة	2687	3086	0.3	29
الفلپين	1969.7	1904	27	18
إندونسيا	992	1197	3.7	11
المكسيك	953	958	3	9
إيطاليا	810.5	843	1.5	8
نيوزيلندا	471.6	628	10	6
آيسلندا	421.2	575	30	5
اليابان	535.2	536	0.1	5
إيران	250	250
السلڤادور	204.2	204	25
كنيا	128.8	167	11.2
كوستاريكا	162.5	166	14
نيكاراگوا	87.4	88	10
روسيا	79	82
تركيا	38	82
پاپوا غينيا الجديدة	56	56
گواتيمالا	53	52
الپرتغال	23	29
الصين	27.8	24
فرنسا	14.7	16
إثيوپيا	7.3	7.3
ألمانيا	8.4	6.6
النمسا	1.1	1.4
أستراليا	0.2	1.1
تايلاند	0.3	0.3
الإجمالي	9.981.9	10.959.7

 الأنواع

رسم بياني يوضح آلية عمل محطات البخار الجاف

تعتبر الطريقة الأولى والأهم للاستفادة من الطاقة الحرارية الأرضية هي بتحويلها إلى طاقة كهربائية، ويتم ذلك في محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية.

هناك ثلاث أنواع من محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية، وهي كالتالي:

 محطات البخار الجاف

هذه الطريقة هي أقدم الطرق واكثرها إنتشارا، وهي نفس الطريقة التي استخدمت في إيطاليا سنة 1904م. تستخدم هذه المحطات الماء الموجود بشكل طبيعي في الطبقات الأرضية العميقة والموجود تحت تأثير ضغط وحرارة عاليين، فيتم إستخراجه بواسطة حفر آبار عميقة فيخرج على شكل بخار ماء بسبب حرارته العالية وبسبب فرق الضغط . يسير هذا البخار في أنابيب ثم يعرض لتوربينات تدور المولدات الكهربائية التي تنتج الطاقة الكهربائية. يضخ الماء المتكثف إلى الأرض عبر بئر آخر بسمى بئر الحقن.

 محطات التبخير

تستخدم هذه المحطات السوائل الموجودة بضغط عالي تحت الأرض حيث يتم تركزها في وعاء ذي ثقب صغير يؤدي إلى وعاء أخر ذي ضغط معتدل، فعند حركة السائل من الوعاء الأول إلى الثاني عبر الثقب يتبخر بسبب السرعة وفرق الضغط العالي. يحرك البخار التوربين فيحرك بدوره المولدات الكهربائية التي تنتج الكهرباء. يضخ الماء المتكثف المتبقي إلى الأرض عبر بئر الحقن.

 محطات الدائرة المزدوجة

تستخدم هذه المحطات السوائل الموجودة تحت الارض ذات درجة غليان مرتفعة (حوالي 200 مئوبة) يتم ضخها إلى الأعلى حيث تقوم بتسخين الماء ذي درجة غليان عادية (100 مئوية) في أنبوب آخر يمر بمحاذات الأنبوب الساخن. يتبخر الماء الذي تم تسخينه بسبب درجة الحرارة المرتفعة للسائل في الأنبوب الآخر. يحرك البخار توربين المولد الكهربائي ويتكثف فيعود مجددا إلى محاذات الأنبوب الساخن، ويتحرك بهذه الطريقة في دوران مستمر. يضخ الماء المستخرج مجددا إلى الأرض عبر بئر الحقن.

 الطاقة الحرارية

المقالة الرئيسية: تسخين حراري أرضي and مضخة حرارة أرضية

 تعزيز الطاقة الحرارية الأرضية

المقالة الرئيسية: النظام الحراري الأرضي المعزز

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الاقتصاد

محطة طاقة حرارية أرضية في جيسرز.

رجاءً وسّع هذا القسم. المزيد من المعلومات قد تكون موجودة في صفحة النقاش أو في طلبات التوسيع. رجاءً أزل هذه الرسالة عندما يتم توسيع القسم.

 مصادر الطاقة

نظام طاقة حرارية أرضية معزز 1:الخزان 2:بيت المضخة 3:مبدل الحرارة4:قاعة التوربين5:بئر الانتاج6:بئر الحقن7:المياه الساخنة للتسحين المحلي 8:Porous sediments 9:بئر الرصد10:Crystalline bedrock

رسم تخطيطي يمثل دوران الماء في نظام حراري أرضي

يعتقد كثير من العلماء أن الأرض قد استمدت سخونتها في أثناء تكونها في النظام الشمسي، ومن تصادم الأجسام النيزكية وارتصاصها، يضاف إلى ذلك التسخين المستمر الناتج من الحرارة التي يطلقها تفكك العناصر المشعة كاليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم التي تتوزع في القشرة الأرضية وأعلى المعطف، وكذلك من الحرارة الناجمة من احتكاك الكتل الصخرية الهائلة بالعمليات التكتونية والتفاعلات الكيميائية.

وتقع حقول الطاقة الحرارية الأرضية المعروفة، أو التي هي قيد الكشف، في ثلاثة تكوينات جيولوجية رئيسية:

1- على امتداد أعراف التوسع spreading ridges.

2- فوق نطاق الانغراز subduction zones.

3- في الحزام الجبلي الممتد من إيطاليا إلى تركيا فالقوقاز والذي تًكَوَّن نتيجة لتصادم صفيحتي أوربا وإفريقيا.

ويقوم الماء في الأنظمة الحرارية الأرضية بدور وسطٍ حاملٍ جيد النقل للحرارة من الأعماق إلى السطح. وتوفر الفوالق العميقة وتشققات الصخور والفتحات المسامية المتصلة بها الممرات اللازمة لتسرب المياه السطحية وتغلغلها في باطن الأرض وصعودها نحو السطح حين تسخن وتقل كثافتها. ففي النظام الحراري الأرضي يدور الماء عند اقترابه من مصدر حراري (مثلاً تجمع مغماتي أو صخور نارية متبردة أو صخور عميقة تخضع لاستحالة شديدة)، إذ يمكن أن تصبح درجة حرارته بين 40 ْ وأكثر من 380 ْدرجة سيلزيوس، فيتمدد ويصعد نحو الأعلى. وحين يصادف ممرات سهلة توصله إلى السطح يتفجر ينابيعَ حارةً من الماء أو من الماء مع البخار أومن البخار. أما حين تعترض سبيله طبقات صخرية كتيمة أو قليلة النفوذية فإنه يُحْتَجَز ضمن صخور خازنة.

 الانتاج

رجاءً وسّع هذا القسم. المزيد من المعلومات قد تكون موجودة في صفحة النقاش أو في طلبات التوسيع. رجاءً أزل هذه الرسالة عندما يتم توسيع القسم.

 التجدد والاستدامة

توليد الطاقة الكهربائية في پيوهيپي، نيوزيلندا.

توليد الطاقة الكهربائية في أوهاكي، نيوزيلاندا.

توليد الطاقة الكهربائية في وايراكي، نيوزيلاندا.

رجاءً وسّع هذا القسم. المزيد من المعلومات قد تكون موجودة في صفحة النقاش أو في طلبات التوسيع. رجاءً أزل هذه الرسالة عندما يتم توسيع القسم.

 التأثيرات البيئية

محطة طاقة حرارية أرضية في الفلپين.

محطة كرافلا للطاقة الحرارية الأرضية في شمال شرق آيسلندا.

يعتبر مصدر الطاقة هذا محط أنظار الكثير من الدول المتقدمة، ويرتب عليها خطط وآمال مستقبلية كبيرة، وذلك للكثير من إيجابيات هذه الطاقة الفتية.

ومن أهم إيجابيات هذه الطاقة :

• كونها طاقة متجددة، فهي من مصادر الطاقة التي لاتنفد على الأقل للأجيال القادمة.
• كونها طاقة نظيفة غير مضرة بالبيئة، ولا تسبب أي تلوث سواء في إستخراجها أو في تحويلها أو إستعمالها.
• توفرها بكميات كبيرة جدا وفي مساحات شاسعة ولأغلب بلدان العالم.
• قلة تكاليف إنتاج الطاقة بعد التكاليف الأولية لإنتاج المحطة (والتي يمكن أن تكون باهضة).
• المردود العالي للطاقة المستخرجة.

 سلبيات ومعوقات

رغم كل مميزات الطاقة الحرارية الأرضية، والتي جعلتها في طليعة مصادر الطاقة البديلة المستقبلية. إلا أن هناك بعض عوامل التي تصعب إنتشارها على الأقل في وقتنا الحالي. ومن أهم هذه الأسباب إرتفاع تكلفة إقامة محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية. ويرجع السبب في ذلك إلى صعوبة حفر آبار بأعماق سحيقة ووسط درجات حرارة مرتفعة جدا.

ومع أن الطاقة الحرارية الأرضية أقل كلفة من أي مصدر آخر للطاقة، إلا أنها قابلة للاستنفاد، وقد تخلق مشكلات بيئية . فهي حين تستنفد في مًنَْشَأَةٍ ما تؤدي إلى ضياع المنشأة كلها. كما يصدر عن بعض المنشآت كميات كبيرة من الكبريت يمكن أن تعادل ما تطلقه منشآت مماثلة في الحجم تستخدم وقود الفحم الحجري ذي المحتوى العالي من الكبريت. ومع أن تطبيقات الاستفادة من الطاقة الحرارية الأرضية سوف تتوسع في المستقبل، إلا أنه لايتوقع منها أن تغطي أكثر من 5-10% من الاحتياجات العالمية للطاقة، ويمكن أن يعزى ذلك، في الدرجة الأولى، إلى عدم توافر أنظمة مائية حملانية في كثير من بقاع العالم.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 أطر العمل القانونية

رجاءً وسّع هذا القسم. المزيد من المعلومات قد تكون موجودة في صفحة النقاش أو في طلبات التوسيع. رجاءً أزل هذه الرسالة عندما يتم توسيع القسم.

 انظر أيضاً

• التكلفة النسبية للكهرباء المولدة حسبة المصدر
• مؤتمر العالمي للحرارة الأرضية 2010
• Hydrothermal Vent
• ميزانية الحرارة الداخلية للأرض

 المراجع

• GEA (May 2010) (PDF), Geothermal Energy: International Market Update, Geothermal Energy Association, pp. 4–6, http://www.geo-energy.org/pdf/reports/GEA_International_Market_Report_Final_May_2010.pdf 

 وصلات خارجية

• Alliant Geothermal Energy
• Bassfeld Technology Transfer – Introduction to Geothermal Power Generation (3.6 MB PDF file)
• Geothermal Resources Council
• Energy Efficiency and Renewable Energy – Geothermal Technologies Program
• Geothermal Energy Association
• International Energy Agency Geothermal Energy Homepage
• MIT-led panel backs geothermal energy source
• MIT – The Future of Geothermal Energy (14 MB PDF file)
• NREL - Interactive Data Map - Geothermal Prospector Tool
• Geothermal Energy Factsheet by the University of Michigan's Center for Sustainable Systems
• TMBA Animation: Geothermal Energy