الحرارة الجوفية

الحرارة الجوفية  Geothermal Energy

تأتي الكلمة من Geo    اليونانية وتعني الأرض، ومن الكلمة therm  التي تعني الحرارة. ولذا فهي بالعربية الحرارة الأرضية أو الحرارة الجوفية. تأتي الحرارة الجوفية من تصلب الأرض من الغبار والغاز منذ حوالي 4 بليون عام. وقد تصل درجة حرارة جوف الأرض عند 4000 ميل في عمق الأرض إلى حوالي 9000 فهرنهايت. وتأتي الحرارة أيضا من تفكك العناصر المشعة الموجودة في الصخور. ويمكن الاستفادة من الحرارة مباشرة أو بتوليد أنواع أخرى من الطاقة بدون تلويث البيئة.⁽²⁵⁾

تتدفق الحرارة من نواة الأرض باستمرار إلى الخارج. وهي تنتقل إلى الطبقة المحيطة بالنواة والتي تدعى الغطاء. وعندما تصبح درجة الحرارة والضغط عاليين جداً، تذوب بعض  صخور الغطاء وتشكل الماغما (الصهارة). وبما أن الصهارة أخف من الصخور المحيطة بها فإنها ترتفع ببطء نحو الأعلى إلى القشرة الأرضية حاملة الحرارة من الأسفل.  وقد تصل الصهارة إلى سطح الأرض، حيث تسمى بالحمم البركانية التي تنبعث من البراكين. ولكنها في معظم الأحيان تبقى تحت قشرة الأرض، وتقوم بتسخين الصخور والمياه الجوفية القريبة إلى درجة قد تصل إلى 700 فهرنهايت. وقد يتغلغل بعض هذه المياه إلى سطح الأرض عبر الشقوق والتصدعات، ليشكل ينابيع المياه المعدنية الحارة. لكن معظمه يبقى في جوف الأرض محصوراً بين الصخور، حيث يدعى هذا التجمع الطبيعي للمياه الساخنة بـ (خزان الحرارة الجوفية).

تحفر آبار أحيانا بعمق 3 كم، وينطلق الماء والبخار بشكل طبيعي أو بواسطة المضخات إلى السطح. وإذا كانت الحرارة بحدود 120-370 م° فيمكن توليد الكهرباء، بينما تستخدم الخزانات الأقل عمقا وبحرارة 21-149م° لتسخين المساكن أو البيوت الزجاجية أو تربية الأسماك أو للاستجمام. وتولد الطاقة بدون حرق الوقود وبالتالي بدون إصدار غازات الدفيئة.

 تزود الطاقة الحرارية الجوفية حوالي 10000 ميغا وات في العالم في حوالي 35 دولة. وتولد الولايات المتحدة 2850 ميغا وات، وتشكل 2% من الكهرباء في أوتا و6% في كاليفورنيا و10% في نيفادا الشمالية. وهي تشكل ضعف الطاقة المولدة من الشمس والرياح هناك.    

 تصنف الحرارة الجوفية على أنها متجددة من قبل وكالة حماية البيئة الأمريكية EPA  حيث تمتد لعقود وربما لقرون. ويمكن للحرارة الجوفية المركبة في العالم أن تزود طاقة تعادل 10 محطات طاقة نووية. وهي صديقة للبيئة إلا أن بعض المياه الجوفية تطلق غاز كبريت الهيدروجينH₂S  الذي يمكن إزاحته بطرق خاصة. وتحتوي المياه الجوفية أيضا على ثنائي أكسيد الكربون، غير أن ما يطلق منه أقل من 4 % من محطة وقود أحفوري. وتحتوي المياه المعدنية الحارة على معادن وأملاح أعلى من خزانات المياه الجوفية الباردة ولذا تغلف الأنابيب بطبقة عازلة لحمايتها من التسرب إلى المياه الجوفية. وتقام المحطات فوق الخزانات الجوفية ولا تحتاج إلى بقعة واسعة من الأرض ولا تؤثر على جمالية المنطقة.

لقد تطور استخدام الطاقة الجوفية منذ السبعينات من حيث الحفر ومشاكل محطات الطاقة. وقد حلت مشاكل تتعلق بالتقشر والترسب والتآكل بالمعالجة الأولية للمياه الجوفية. وقد طورت  طرق لإزاحة السيليكا من خزانات تحتوي على نسب عالية من السيليكا. وفي بعض المحطات تستخدم السيليكا في صناعة الاسمنت، كما يسترجع الكبريت ويباع. وهناك محطات تسترجع التوتياء من هذه المياه المعدنية. ونتيجة لذلك فقد انخفضت الكلفة بمقدار 25%. و لا يزال البحث العلمي مستمراً لتحسين العملية.⁽²⁶⁾

من غير الممكن زيادة الحرارة، ولكن يمكن زيادة نفوذية الصخر، وكذلك زيادة كميات المياه. ويمكن للخزانات  المصنوعة من الإنسان أن تزوده بـ10% من الكهرباء عام 2020. وكمثال على زيادة كميات المياه هو خزان جيسر في كاليفورنيا حيث يحقن الخزان بمياه معالجة من محطة الصرف الصحي القريبة. وبذلك تزداد كمية الكهرباء، و تحل مشكلة التخلص من المياه المعالجة. ويمكن تحسين النفوذية بحقن مياه حارة تحت ضغط مرتفع في الخزان، ليقوم بتفتيت الصخور. وتستخدم أيضاً المضخات الحرارية الجوفية لتدفئة البيوت. وتستخدم هذه التقانة درجة الحرارة الثابتة بين 7-13 م° في الأرض بضخ مائع ينقل الحرارة إلى المسكن لتدفئته في الشتاء، وتبريده في الصيف. ويمكن لهذه التقانة أن تخفض استهلاك الكهرباء بـ30-60%. وهناك أكثر من 300000 مضخة حرارية في الولايات المتحدة وسويسرا. وهي من أكثر التقانات كفاءة كما قيمتها  وكالة حماية البيئة الأمريكية  للتدفئة والتبريد.

طاقة الهيدروجين  وخلايا الوقود Fuel Cells      

كما ذكر سابقاً، فإن هناك ميلاً تاريخياً لاستخدام وقود أغنى بالهيدروجين من الكربون. ويمكن أن يكون غاز الهيدروجين هو الحامل النهائي للطاقة، إذ يمكن تخزينه ونقله من مكان لآخر وإعادة استخدامه لتوليد الطاقة. وتستخدم طاقة الهيدروجين حاليا لدفع الصواريخ، ولكنها يمكن أن تستخدم مستقبلاً لتحريك وسائط النقل أو لتوليد الكهرباء. ويؤدي حرق الهيدروجين إلى تشكيل الماء، الذي يمكن أن يحلل بواسطة الطاقة الكهربائية المستمدة من الطاقة الشمسية أو أية طاقة أخرى ليولد الهيدروجين. أي أن هذه الدورة يمكن تكرارها عدة مرات بدون أن يسبب ذلك أي تلوث للبيئة. يمكن توليد الهيدروجين بواسطة التحليل الكهربائي للماء، أو بتسخين جزيئات الماء إلى درجات عالية جداً من الحرارة (2500 م°). وتقوم النباتات بتحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين وأكسجين. ويتفاعل الهيدروجين مع ثنائي أكسيد الكربون ليشكل خلايا النبات، بينما يطلق الأكسجين إلى الجو. إن معرفة الآلية التي يقوم بها النبات مهمة لنا لاستخدام الطاقة الشمسية مباشرة في توليد الهيدروجين.⁽²⁷⁾

يستخدم الهيدروجين في توليد الكهرباء عن طريق خلايا الوقود. تتشكل الخلية من قطبين يحتويان على وسيط من معدن البلاتين. يرتبط القطبان من الخارج بدارة تنقل الكهرباء، كما أنهما يغمسان في محلول كهرليتي، ويفصل بينهما غشاء. يدخل الهيدروجين على شكل غاز إلى القطب الموجب حيث يتشرد بفعل الوسيط إلى شاردة الهيدروجين ويطلق الكتروناً. يسري الالكترون في الدارة الخارجية، بينما ينتقل البروتون عبر الغشاء إلى القطب السالب. على القطب السالب يتفاعل الأكسجين الداخل على شكل غاز، مع الالكترون ليشكل شاردة الماءات السالبة. تتفاعل شاردة الهيدروجين مع شاردة الماءات لتشكل الماء. وهذا هو الناتج الوحيد من العملية. وبذلك تعمل خلية الوقود عمل البطارية، لكنها تختلف عنها في أنها تقوم بتوليد الكهرباء بشكل مستمر، طالما كان هناك تزويد بالوقود الذي هو الهيدروجين و بالأكسجين. لقد استخدمت خلايا الوقود على نطاق واسع في توليد الكهرباء في المركبات الفضائية في الستينات. وقد أدى التطوير المستمر لها عن طريق خفض كمية المعدن الثمين من وسيط البلاتين، وتحسين مواصفاتها إلى إنقاص سعرها بشكل مستمر، منذ ذلك الحين. ويمكن للإنتاج الكبير والمستمر منها، إضافة إلى التحسينات الناجمة عن البحث والتطوير، أن تنقص الكلفة إلى 25$/ كيلو وات، مما يجعلها منافسا" قويا" في توليد الكهرباء أو تحريك السيارات. ⁽²⁸⁾