إطلاق العنان لإمكانات الطاقة الحرارية الأرضية العالمية: تقنيات الجيل الجديد تفتح مسارات جديدة للنشر على نطاق واسع

إطلاق العنان لإمكانات الطاقة الحرارية الأرضية العالمية: تقنيات الجيل التالي تفتح مسارًا جديدًا للنشر على نطاق واسع

تمرّ الطاقة الحرارية الأرضية بمنعطف تاريخي. فهذه الطاقة النظيفة التي كانت محصورة سابقًا في موارد جيولوجية محددة، تُظهر اليوم إمكانات هائلة تغطي العالم بأسره، بفضل التقدم في تقنيات الحفر الناجم عن ثورة الصخر الزيتي في الولايات المتحدة. وفقًا لأحدث دراسة أجرتها مؤسسة كارنيغي للسلام الدولي، فإن الإمكانات العالمية لموارد تقنيات الطاقة الحرارية الأرضية من الجيل التالي تأتي في المرتبة الثانية بعد الطاقة الشمسية، لتصبح القطب الثاني للطاقة المتجددة. تستند هذه المقالة إلى تلك الدراسة لتحليل الاختراقات التقنية وآفاق السوق والمسارات السياساتية.

الخلفية القطاعية: من الهامش إلى المركز

لقد استُخدمت الطاقة الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء من حرارة باطن الأرض منذ أكثر من قرن. ففي عام 1904، استخدمت إيطاليا البخار الحراري الأرضي لأول مرة لتوليد الكهرباء؛ ثم حذت حذوها الولايات المتحدة ونيوزيلندا واليابان ودول أخرى. وفي سبعينيات القرن العشرين، دفعت أزمة الطاقة آيسلندا إلى التطوير المكثف للطاقة الحرارية الأرضية لمواجهة صدمات الوقود. وبحلول نهاية عام 2022، بلغت القدرة المركّبة العالمية للطاقة الحرارية الأرضية نحو 16 غيغاواط، تغطي 30 دولة على الأقل في ست قارات، لكن حصتها في مزيج الكهرباء العالمي لا تتجاوز نحو 0.34%.

لفترة طويلة، اعتمد تطوير الطاقة الحرارية الأرضية بشكل كبير على الموارد الحرارية المائية — أي الخزانات الطبيعية التي تجمع بين الحرارة والسوائل والنفاذية. وقد أدّت هذه الندرة إلى تركّز مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية في الغالب عند حدود الصفائح التكتونية، مثل الحزام الحراري الأرضي المحيط بالمحيط الهادئ ووادي الصدع العظيم في شرق أفريقيا. وفي الوقت نفسه، ومنذ تسعينيات القرن العشرين، تراجعت تكاليف الغاز الطبيعي وطاقة الرياح والطاقة الشمسية بسرعة، مما جعل الجدوى الاقتصادية للطاقة الحرارية الأرضية تبدو باهتة بالمقارنة. فتباطأ نمو القدرات الجديدة المضافة، كما أصبح من الصعب تحقيق وفورات الحجم في تصنيع المعدات.

التطورات الحالية: تقنيات الجيل التالي للطاقة الحرارية الأرضية تخرج من الشرنقة

تتمثّل نقطة التحول في التطبيق العابر للصناعات لتقنيات الحفر من قطاع النفط والغاز. فقد أتاح نضوج تقنيات التكسير الهيدروليكي والحفر الأفقي القدرة على إنشاء خزانات حرارية اصطناعية في الصخور الجافة الساخنة (hot dry rock)، وهو ما يُعرف بنظام الطاقة الحرارية الأرضية المحسّن (EGS). بالإضافة إلى ذلك، تعمل الأنظمة ذات الدورة المغلقة (AGS) على تدوير وسيط ناقل للحرارة عبر بئر محكمة الإغلاق دون الحاجة إلى سوائل خارجية، مما يوسّع نطاق تطبيق الطاقة الحرارية الأرضية.

في عقد 2010، زادت وزارة الطاقة الأمريكية دعمها لهذا المجال مجددًا، ووفّرت تمويلًا بحثيًا وأراضي عامة كموقع للتجارب. حاليًا، يمر كل من EGS والأنظمة ذات الدورة المغلقة بمرحلة العروض التجارية الأولى، ومن المتوقع تشغيل أولى المنشآت نحو عام 2026. أما تقنية الطاقة الحرارية الأرضية فوق الحرجة (superhot rock) فتستهدف مصادر حرارة عميقة تزيد عن 375 درجة مئوية، ويمكن أن تنتج البئر الواحدة كهرباء تعادل عشرة أضعاف إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية، لكنها لا تزال في مراحل البحث والتطوير المبكرة.

استخدمت دراسة مؤسسة كارنيغي للسلام الدولي بيانات GeoMap™ من مشروع Project InnerSpace لإجراء تقييم منهجي لموارد الثروة الطبيعية والقاعدة الصناعية والسياسات وبيئة السوق في 30 دولة حول العالم. وتُظهر الدراسة أنه بالإضافة إلى الدول التقليدية في مجال الطاقة الحرارية الأرضية مثل ألمانيا وإندونيسيا وكينيا والمكسيك وتركيا، فمن المرجح أن تصبح أستراليا ورومانيا وكولومبيا وفيتنام موجة ثانية من الدول المعتمدة لهذه التقنيات؛ بينما تمتلك ماليزيا والمملكة العربية السعودية وتنزانيا والأرجنتين إمكانات تنموية طويلة الأجل.فيما يتعلق بالتكلفة، تبلغ التكلفة المعادلة للكهرباء (LCOE) لتقنية EGS حاليًا نحو 100 إلى 240 دولارًا لكل ميجاواط/ساعة، وهو مستوى قريب من تكلفة الطاقة النووية الجديدة. لكن التحليلات تشير إلى أنها قد تنخفض إلى 80 دولارًا بحلول عام 2030، ثم إلى 50 دولارًا بحلول عام 2035، وعندها ستساوي تكلفة التوليد الحراري، وتقع بين تكلفة طاقة الرياح البرية والبحرية. لقد وصل معدل التعلم في مشاريع EGS المبكرة إلى 35%، متجاوزًا حتى بطاريات الليثيوم أيون (نحو 30%) والطاقة الشمسية الكهروضوئية (نحو 24%)، مما يشير إلى وجود مجال كبير لخفض التكاليف.

تتباين تكلفة الأنظمة المغلقة الحلقة حاليًا بشكل كبير، إذ تتراوح بين 105 دولارات لكل ميجاواط/ساعة في المناطق ذات التدرج الحراري المرتفع و321 دولارًا في المناطق الأقل موارد. لكن إذا تحقق الإنتاج المتخصص، فمن المتوقع أن تنخفض إلى ما بين 64 و160 دولارًا. ومن الجدير بالذكر أن الأنظمة المغلقة الحلقة تتمتع بميزة فريدة في مجال تدفئة المناطق، إذ يمكن أن تصل كفاءة التدفئة إلى 90%، ودون الحاجة إلى توربين بخاري، مما يمكن أن يقلل تكاليف المشروع بنسبة 30% إلى 50%، ويوفر خيارًا بديلًا للأسواق مثل أوروبا التي تتعامل بحذر مع عمليات التكسير.

التأثير على نظام الطاقة: مرونة غير قابلة للتعديل

تكمن القيمة الأساسية للطاقة الحرارية الأرضية في خصائصها "المرنة والموثوقة". وخلافًا لطاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية التي تتأثر بتقلبات الطقس، يمكن لأنظمة EGS والأنظمة المغلقة الحلقة توفير إنتاج قابل للتوزيع على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع (24/7)، مما يوفر للشبكة حملًا أساسيًا مستقرًا وقدرة على موازنة الذروة. هذا الأمر بالغ الأهمية في أنظمة الطاقة التي تتضمن نسبًا عالية من الطاقة المتجددة، إذ يمكن أن يقلل بشكل فعال اعتماد النظام على تخزين الطاقة وموازنة الذروة بالغاز الطبيعي.

فيما يتعلق بأمن الطاقة، فإن توزيع موارد الطاقة الحرارية الأرضية أوسع بكثير من توزيع النفط والغاز، حيث تمتلك كل دولة تقريبًا طاقة حرارية عميقة قابلة للتطوير. يساعد ذلك في تقليل الاعتماد على استيراد الطاقة وتعزيز استقلالية الطاقة. وفي الوقت نفسه، يمكن لمشاريع الطاقة الحرارية الأرضية أن تحفز تحول قطاع خدمات النفط والغاز، مما يوفر اتجاهات أعمال جديدة ومستدامة لسلاسل التوريد الحالية مثل الحفر والتكسير.

من منظور السلسلة الصناعية، سيؤدي التوسع في استخدام الطاقة الحرارية الأرضية إلى ظهور قطاعات جديدة مثل تصنيع المعدات الجديدة، وخدمات المواقع، والاستكشاف الجيولوجي، وتعزيز تدريب الكوادر الهندسية. فيما يتعلق بخفض الكربون، فإن انبعاثات الطاقة الحرارية الأرضية على مدار دورة حياتها الكاملة منخفضة للغاية، ومساحتها الأرضية أصغر بكثير من حقول الرياح والطاقة الشمسية، مما يساعد على تحقيق أهداف إزالة الكربون مع حماية موارد الأراضي.

التحديات المطروحة: اختبارات متعددة من الجانب التقني إلى الجانب المؤسسي

على الرغم من الآفاق المشرقة، لا يزال الانتشار العالمي للجيل القادم من الطاقة الحرارية الأرضية يواجه العديد من العقبات.

القيود المتعلقة بالموارد والموقع الجغرافي: على الرغم من أن موارد الصخور الجافة الساخنة أغنى بكثير من الأنظمة الحرارية المائية، إلا أنها ليست متاحة في كل مكان. تتطلب تقنية EGS ظروفًا معينة لنفاذية الصخور، ومعظم الموارد فائقة الحرارة تقع في أعماق الأرض، مما يصعب الوصول إليه بمعدات الحفر الحالية.

ضغوط التكلفة والتمويل: الاستثمارات الأولية في الاستكشاف والحفر ضخمة وتنطوي على مخاطر عالية. وعلى الرغم من معدلات التعلم الممتازة، فإن علاوة المخاطر في أسواق رأس المال قد تؤخر تنفيذ المشاريع. ويتطلب تمويل مشاريع التسويق المبكر دعمًا من البنوك التنموية ومؤسسات الاستثمار الأخضر.

عدم اليقين في السياسات والتنظيم: لم تنشئ العديد من الدول بعد أطرًا تنظيمية لموارد الطاقة الحرارية الأرضية العميقة، بما في ذلك حقوق ملكية الفضاء الجوفي، والمعايير البيئية، والمسؤولية عن مخاطر الزلازل. وتُظهر بعض الدول الأوروبية حساسية عالية تجاه مخاطر الزلازل الناجمة عن التكسير، مما قد يحد من انتشار تقنية EGS، وبالمقابل يوفر نافذة سياسات للأنظمة المغلقة الحلقة.الأثر على الموارد المائية والبيئة: تتطلب عملية التكسير في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسّنة (EGS) كميات كبيرة من المياه، مما قد يؤدي إلى منافسة على الموارد المائية في المناطق القاحلة. علاوة على ذلك، فإن خطر الزلازل المستحثّة منخفض للغاية، لكنه يتطلب مراقبة صارمة وتواصلاً مع الجمهور.

درجة النضج التكنولوجي: لا تزال المتانة طويلة الأمد للأنظمة المغلقة الحلقة، وأداء المواد أسفل البئر في درجات الحرارة المرتفعة، وكفاءة الحفر واسع النطاق، بحاجة إلى مزيد من التحقق. أما الطاقة الحرارية الأرضية فوق الحرجة فما زالت في المرحلة المخبرية، وهي بعيدة عن التسويق التجاري.

التطلع إلى المستقبل: متغير جديد في مشهد الطاقة العالمي

ستشكل السنوات الخمس إلى العشر القادمة نافذة حاسمة لانتقال الجيل التالي من الطاقة الحرارية الأرضية من المرحلة التجريبية إلى التوسع على نطاق واسع. إذا انخفضت تكلفة أنظمة EGS كما هو متوقع إلى أقل من 80 دولارًا لكل ميجاواط/ساعة، فستتعزز قدرتها التنافسية بشكل ملحوظ، خاصة في المناطق التي تكون فيها موارد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح غير مستقرة أو الأراضي شحيحة. أما الأنظمة المغلقة الحلقة فقد تحقق اختراقًا أوليًا في سوق التدفئة الإقليمية في أوروبا، لتشكّل بذلك سوقًا متخصصة مغلقة الحلقة.

من حيث اتجاهات الاستثمار، تدخل شركات خدمات النفط والغاز الكبرى مجال الطاقة الحرارية الأرضية مستفيدةً من ميزتها في تكنولوجيا الحفر، ومن المتوقع أن تحاكي منحنى انخفاض التكاليف الذي شهدته ثورة الصخر الزيتي. وسيلعب الدعم من الأموال العامة (مثل وزارة الطاقة الأمريكية) والبنوك الإنمائية متعددة الأطراف دورًا محوريًا في تقليل مخاطر المشاريع المبكرة. وتوصي أبحاث "كارنيجي" الدول بتحسين رسم خرائط الموارد، وتبسيط إجراءات التصاريح، وإنشاء آليات لتقاسم المخاطر، وتعزيز نقل التكنولوجيا عبر الشراكات الدولية، تمامًا كما فعلت أيسلندا في نقل المعرفة إلى كينيا.

بحلول عام 2040، من المتوقع أن يصبح الجيل التالي من الطاقة الحرارية الأرضية مصدرًا نظيفًا للطاقة الأساسية لا يمكن تجاهله في هيكل الكهرباء العالمي. وقد أدرجت وكالة الطاقة الدولية (IEA) وغيرها من المؤسسات المتعددة الأطراف الطاقة الحرارية الأرضية في سيناريوهات الحياد الصفري طويلة الأجل، وستستمر قيمة خاصية "الكهرباء الخالية من الكربون على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع" في الارتفاع في أنظمة الكهرباء التي تتزايد فيها نسبة طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وعلى الرغم من صعوبة تحقيق توسع أسي مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية، فإن الطاقة الحرارية الأرضية، بخصائصها الفريدة، ستعوّض أوجه القصور في الطاقة المتجددة وتصبح حجر أساس حاسمًا في تحول الطاقة.

على المدى القصير، قد تصبح دول مثل أستراليا ورومانيا وكولومبيا وفيتنام نقاط الاختراق التالية؛ وعلى المدى الطويل، مع نضج تقنية الطاقة الحرارية الأرضية فوق الحرجة، سيتوسع نطاق التغطية العالمية للطاقة الحرارية الأرضية بشكل أكبر. الثورة العميقة في عالم الطاقة تحدث بهدوء تحت الأرض.