محطات توليد الطاقة الحرارية الجوفية

مقدمة عن الطاقة الحرارية الجوفية:

تعتبر قشرة الأرض بأنها مصدر غني للطاقة والوقود الأحفوري، حيث يتم تخزين الطاقة الحرارية أو الحرارة في أعماق الأرض، لوضعها في نصابها الصحيح فإن الحرارة في العشرة كيلومترات العليا من القشرة الأرضية هي 50000 ضعف طاقة جميع احتياطيات النفط والغاز في العالم!
كما أن الموارد الحرارية الجوفية هي أكبر مصدر للطاقة في جميع أنحاء العالم ويستخدمها الناس لعدة قرون، هذا مورد متجدد ويمكن إنتاجه مرارًا وتكرارًا لسنوات قادمة، نظرًا لأن الأرض تحتوي على كمية وفيرة من الطاقة الحرارية المخزنة بداخلها وبالتالي لن تعطل التوازن البيئي لكوكبنا.

ما هي محطات توليد الطاقة الحرارية الجوفية؟

محطات الطاقة الحرارية الجوفية العاملة في جميع أنحاء العالم دليل على أن الحرارة داخل الأرض يمكن تحويلها بسهولة إلى كهرباء في المناطق النشطة جيولوجيًا، على سبيل المثال العديد من البلديات والشركات والجامعات والوكالات الحكومية في غرب الولايات المتحدة تجلب مباشرة إلى الماء الساخن من الخزانات الجوفية، بالنسبة لأصحاب المنازل أو المباني في أي مكان في الولايات المتحدة، فإن ظهور مضخات الحرارة الجوفية يجلب فوائد الطاقة الحرارية الجوفية على أعتاب منازلهم.
توجد أنهار عميقة تحت الأرض مثل تلك الموجودة على السطح، ولكنها ساخنة؛ لأن الصهارة قريبة من النهر أو حولها، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة سطح الصخر، تعمل الطاقة الحرارية الجوفية عن طريق حفر ثقوب في النهر الجوفي واستخراج المياه الجوفية إلى السطح وبمجرد وصول هذا الماء الساخن إلى السطح يتم تدويره عبر الأنابيب عبر أنبوب إضافي يحتوي على سائل له نقطة غليان منخفضة.
تعني نقطة الغليان المنخفضة هذه أن البخار سيكون قادرًا على تشغيل التوربينات لإنتاج الكهرباء، بعد أن اعتادت هذه النقطة على قيادة التوربينات يتم تكثيفها وإعادة تدويرها مرة أخرى في النظام، إعادة تدوير المياه السائلة تعني أن الطاقة الحرارية الجوفية هي مصدر للطاقة المتجددة وتنتج انبعاثات منخفضة.
تنتج الطاقة الحرارية الجوفية القليل من انبعاثات الغازات الضارة، حيث تحتوي المياه على كميات صغيرة من حمض النيتريك والكبريت وغيرها من الملوثات التي تسبب تلوثًا منخفضًا، ومع ذلك فإن الكمية المنبعثة أقل من 1٪ من الكربون المنبعث أو مصادر الطاقة التقليدية الأخرى.
هناك مزايا عديدة للطاقة الحرارية الجوفية وهي أنه نقي أي لا يتعين على محطات الطاقة الحرارية الجوفية حرق الوقود لإنتاج توربينات بخارية مما سيساعد في الحفاظ على الوقود الأحفوري غير المتجدد وتقليل استهلاكه مما يقلل بدوره من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، علاوة على ذلك تستخدم محطات الطاقة الحرارية الجوفية مساحة أقل لكل ميغاواط من أي نوع آخر من الطاقة التي لا تضر بالبيئة من خلال السدود والتعدين.
محطات الطاقة الحرارية الجوفية موثوقة ويمكن استخدامها على مدار 24 ساعة في اليوم، لأن محطة توليد الطاقة الحرارية الجوفية تقع فوق مصدر الوقود فهي أقل عرضة للتدخلات في إنتاج الكهرباء بسبب الطقس أو الكوارث الطبيعية أو قضايا النقل لذلك فهو مثالي للبلدان النامية.

الأنواع الرئيسية لمحطات الطاقة الحرارية الجوفية:

• محطات توليد الطاقة بالبخار الجاف: كما يوحي الاسم تستخدم محطات الطاقة الحرارية الجوفية هذه البخار الجاف لتوليد الكهرباء، لا سيما أن البخار الجاف هو في الأساس بخار الماء أو الماء في الحالة الغازية، تحفر شركات محطات توليد الطاقة الحرارية الجوفية بئرين منفصلين في خزان الماء شديد السخونة تحت سطح الأرض وهما بئر الإنتاج وبئر الحقن، تستخرج بئر الإنتاج البخار بدرجة حرارة لا تقل عن 150 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت) من خزان الماء الساخن أدناه وتوجهه إلى التوربين.
  يدير البخار التوربين الذي يدير عمودًا متصلاً بمولد، مع الدوران يقوم المولد بتحويل الطاقة إلى كهرباء والتي تمر عبر خطوط الطاقة إلى شبكة كهرباء ويتم توفيرها في النهاية إلى المنازل والمؤسسات والصناعات، يجد البخار المستخدم طريقه إلى المكثف، حيث يتم تحويله إلى ماء ويتم إرجاعه إلى خزان الماء الساخن عبر بئر الحقن وتستمر الدورة.
  محطة توليد الطاقة بالبخار الجاف هي النوع القديم من محطات توليد الطاقة الحرارية الجوفية، تم إنشاء أول محطة لتوليد الطاقة بالبخار الجاف في عام 1904 في لارديريللو بإيطاليا، في الولايات المتحدة يتم استخدام هذا النوع من توليد الطاقة الحرارية الجوفية فقط في المناطق الجبلية البركانية العالية في كاليفورنيا.
  
• محطات توليد الطاقة البخارية السريعة: يستخدم هذا النوع من محطات الطاقة الحرارية الجوفية الماء عند درجات حرارة لا تقل عن 182 درجة مئوية (360 درجة فهرنهايت)، وكما يوحي الاسم فإنه يستخدم بخار سريع لتوليد الكهرباء والتبخير السريع هو العملية التي يتم من خلالها وميض الماء الساخن عالي الضغط للغاية أو تبخيره إلى بخار في خزان سريع عن طريق تقليل الضغط، ثم يتم توجيه البخار لتدوير التوربينات والتي تدير عمودًا موصولًا بمولد يؤدي إلى إنتاج الكهرباء.
  محطات توليد الطاقة البخارية السريعة هي أكثر أنواع محطات الطاقة الحرارية الجوفية شيوعًا في العالم الحديث، كانت محطة Wairakei Power التي تم بناؤها في عام 1958 في نيوزيلندا أول محطة طاقة حرارية جوفية تستخدم البخار السريع.
  
• محطات توليد الطاقة ذات الدورة الثنائية: تعتبر محطة توليد الطاقة الحرارية الجوفية ذات الدورة الثنائية مفيدة مقارنة بمحطات الطاقة البخارية والبخارية الجافة، لأنها تتطلب مياهًا أكثر برودة قليلاً (منخفضة تصل إلى 57 درجة مئوية) لتسخين سائل منفصل له نقطة غليان منخفضة.
  تتيح محطة توليد الطاقة استخدام الخزانات الحرارية الجوفية الأكثر برودة مما هو ضروري لمحطات الطاقة البخارية والبخار الجاف، لقد تعلمنا أن البخار السريع والبخار الجاف يستخدمان الماء في درجات حرارة أعلى من 182 درجة مئوية (455 كلفن، 360 درجة فهرنهايت) والتي يتم ضخها تحت ضغط مرتفع للغاية إلى محطة توليد الكهرباء على السطح.
  ومع ذلك مع محطات توليد الطاقة ذات الدورة الثنائية تستخدم الشركات المضخات لضخ الماء الساخن من خزان الماء الساخن أدناه من خلال بئر الإنتاج، ويُسمح للمياه الباردة قليلاً بالعودة إلى الخزان أدناه، يتم ضخ مائع منفصل مع نقطة غليان منخفضة يعرف بالسائل الثنائي وهو عادة هيدروكربون بنتان أو بيوتان عند ضغط عالٍ إلى حد كبير عبر المبادل الحراري.
  في المبادل الحراري يتم تبخير السائل الثنائي وتوجيهه لتحويل التوربين والذي يحول عمودًا متصلًا بمولد ويتم توليد الكهرباء، يتم بعد ذلك تحويل البخار المستخدم في تشغيل التوربين إلى ماء بواسطة مشعات الهواء البارد والسماح له بالعودة إلى الخزان أدناه من خلال بئر الحقن.
  

كيف يتم تحويل الطاقة الحرارية الجوفية إلى كهرباء؟

يعد استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء صناعة جديدة إلى حد كبير والتي ظهرت في عام 1904 في إيطاليا، قام الإيطاليون أولاً بتشغيل مولد توربيني باستخدام بخار طبيعي ينفجر من تحت الأرض، شهد عام 1960 أول تشغيل ناجح لمحطة توليد الطاقة الحرارية الجوفية على نطاق واسع في (Geysers) شمال كاليفورنيا.
يحدث تحويل الطاقة الحرارية الجوفية إلى كهرباء من خلال محطة لتوليد الطاقة الحرارية الجوفية، حيث تقوم محطة توليد الكهرباء بتسخير البخار من الماء الساخن تحت سطح الأرض لتشغيل التوربينات والتي تنشط لاحقًا مولدًا لإنتاج الكهرباء، تستخدم بعض محطات توليد الطاقة الحرارية الجوفية البخار لتحويل التوربين مباشرة ويستخدم البعض الآخر البخار لتسخين سائل يستخدم لتشغيل التوربين.