الأدوات التي ولدت من تكسير الوقود والطاقة الحرارية الأرضية

في وادي الميرمية المليء بتوربينات الرياح والألواح الشمسية في غرب ولاية يوتا، نظر تيم لاتيمر إلى جهاز مختلف تمامًا يعتقد أنه يمكن أن يكون بنفس القوة في مكافحة تغير المناخ – وربما أكثر.

لقد كانت منصة حفر، من بين كل الأشياء، تم زرعها من حقول النفط في داكوتا الشمالية. لكن منصة الطنين الهادئة لم تكن تبحث عن الوقود الأحفوري. كان يحفر من أجل الحرارة.

تعد شركة السيد لاتيمر، Fervo Energy، جزءًا من جهد طموح لإطلاق كميات هائلة من الطاقة الحرارية الأرضية من باطن الأرض الساخن، وهو مصدر للطاقة المتجددة التي يمكن أن تساعد في استبدال الوقود الأحفوري الذي يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الكوكب بشكل خطير.

قال السيد لاتيمر: «هناك مورد غير محدود فعليًا إذا تمكنا من الحصول عليه». “لا تستخدم الطاقة الحرارية الأرضية الكثير من الأراضي، ولا تنتج انبعاثات، ويمكن أن تكون مكملة لطاقة الرياح والطاقة الشمسية. كل من ينظر إليها يصبح مهووسًا بها.”

تعمل محطات الطاقة الحرارية الأرضية التقليدية، والتي كانت موجودة منذ عقود، من خلال الاستفادة من خزانات المياه الساخنة الطبيعية تحت الأرض لتشغيل التوربينات التي يمكنها توليد الكهرباء على مدار 24 ساعة في اليوم. ومع ذلك، فإن القليل من المواقع تتمتع بالظروف المناسبة لذلك، لذا فإن الطاقة الحرارية الأرضية تنتج فقط 0.4 بالمائة من الكهرباء في أمريكا حاليًا.

لكن الصخور الساخنة والجافة تقع تحت السطح في كل مكان على هذا الكوكب. وباستخدام تقنيات الحفر المتقدمة التي طورتها صناعة النفط والغاز، يعتقد بعض الخبراء أنه من الممكن الاستفادة من هذا المخزون الأكبر من الحرارة وإنشاء الطاقة الحرارية الأرضية في أي مكان تقريبًا. الإمكانات هائلة: وزارة الطاقة التقديرات هناك ما يكفي من الطاقة في تلك الصخور لتزويد البلاد بأكملها بالطاقة خمس مرات وقد حدث ذلك أطلقت دفعة كبيرة لتطوير تقنيات لحصاد تلك الحرارة.

لقد ظهرت العشرات من شركات الطاقة الحرارية الأرضية بأفكار.

تستخدم شركة Fervo تقنيات التكسير الهيدروليكي – المشابهة لتلك المستخدمة في النفط والغاز – لتكسير الصخور الجافة والساخنة وحقن المياه في الشقوق، مما يؤدي إلى إنشاء خزانات صناعية للطاقة الحرارية الأرضية. وتقوم شركة إيفور، وهي شركة كندية ناشئة، ببناء مشعات كبيرة تحت الأرض باستخدام أساليب الحفر الرائدة في الرمال النفطية في ألبرتا. ويحلم آخرون باستخدام البلازما أو موجات الطاقة للحفر بشكل أعمق والاستفادة من درجات الحرارة “شديدة الحرارة” التي يمكن أن توفر الطاقة النظيفة للآلاف من محطات الطاقة التي تعمل بالفحم عن طريق استبدال الفحم بالبخار.

ومع ذلك، لا تزال تلوح في الأفق عقبات أمام توسع الطاقة الحرارية الأرضية. ويشعر المستثمرون بالقلق من تكلفة ومخاطر مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية الجديدة. ويشعر البعض بالقلق بشأن استخدام المياه أو الزلازل الناجمة عن الحفر. السماح أمر صعب. وتحصل الطاقة الحرارية الأرضية على دعم فيدرالي أقل من التقنيات الأخرى.

ومع ذلك، فإن الاهتمام المتزايد بالطاقة الحرارية الأرضية مدفوع بحقيقة أن الولايات المتحدة أصبحت جيدة بشكل غير عادي في الحفر منذ العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. فقد دفعت الابتكارات مثل الحفر الأفقي والاستشعار المغناطيسي إنتاج النفط والغاز إلى مستويات قياسية، الأمر الذي أثار استياء أنصار حماية البيئة. ولكن هذه الابتكارات يمكن تكييفها مع الطاقة الحرارية الأرضية، حيث يمكن أن يشكل الحفر نصف تكلفة المشاريع.

قالت سيندي تاف، التي عملت في شركة شل لمدة 36 عاما قبل الانضمام إلى شركة سيج جيوسيستمز، وهي شركة ناشئة تعمل في مجال الطاقة الحرارية الأرضية في هيوستن: “الجميع يعلم عن انخفاض تكاليف طاقة الرياح والطاقة الشمسية”. “لكننا شهدنا أيضًا انخفاضًا حادًا في تكلفة التنقيب عن النفط والغاز خلال ثورة الصخر الزيتي. وإذا تمكنا من تحقيق ذلك في مجال الطاقة الحرارية الأرضية، فقد يكون النمو هائلاً».

إن ولايات مثل كاليفورنيا في حاجة ماسة بشكل متزايد إلى مصادر الطاقة النظيفة التي يمكن تشغيلها في جميع الأوقات. وبينما تنمو طاقة الرياح والطاقة الشمسية بسرعة، فإنها تعتمد على الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي كدعم احتياطي عندما تغرب الشمس وتتلاشى الرياح. ويشكل العثور على بديل للغاز تحديا مناخيا حادا، والطاقة الحرارية الأرضية هي واحدة من الخيارات القليلة المعقولة.

وقالت السيناتور ليزا موركوفسكي، الجمهورية من ألاسكا: “لقد تم التغاضي عن الطاقة الحرارية الأرضية تاريخياً”. في جلسة استماع. وأضافت: “لكن مع الابتكار، أعتقد أن الإمكانات موجودة، وهذا أمر استثنائي للغاية”.

التكسير من أجل طاقة نظيفة

بالقرب من مدينة ميلفورد بولاية يوتا، تقع محطة بلونديل للطاقة الحرارية الأرضية، وتحيط بها حفر الطين المغلي، وفتحات البخار المزعجة، والآثار الهيكلية لمنتجع الينابيع الساخنة. وتم بناء المحطة التي تبلغ طاقتها 38 ميجاوات عام 1984، وتنتج ما يكفي من الكهرباء لنحو 31 ألف منزل.

يعتمد مصنع بلونديل على البراكين القديمة والمراوغات الجيولوجية: تحت السطح مباشرةً توجد صخور ساخنة مسامية بشكل طبيعي تسمح للمياه الجوفية بالترشيح والتسخين بدرجة كافية لتوليد البخار لتوليد الكهرباء. لكن مثل هذه الظروف نادرة. وفي معظم أنحاء المنطقة، تكون الصخور الساخنة الموجودة تحت الأرض عبارة عن جرانيت صلب، ولا يمكن للمياه أن تتدفق بسهولة.

على بعد ثلاثة أميال شرقاً، يحاول فريقان استغلال ذلك الجرانيت الساخن. واحد هو يوتا فورج، وهو جهد بحثي بقيمة 220 مليون دولار بتمويل من وزارة الطاقة. أما الشركة الأخرى فهي شركة Fervo، وهي شركة ناشئة مقرها هيوستن.

كلاهما يستخدم طرق مماثلة: أولاً، قم بحفر بئرين على شكل حرف L العملاق، يمتدان لآلاف الأقدام إلى داخل الجرانيت الساخن قبل أن ينحني ويمتد لآلاف الأقدام أفقيًا. بعد ذلك، استخدم التكسير الهيدروليكي، الذي يتضمن متفجرات خاضعة للرقابة وسوائل عالية الضغط، لإنشاء سلسلة من الشقوق بين البئرين. أخيرًا، قم بحقن الماء في أحد البئر، حيث نأمل أن يهاجر عبر الشقوق، ويسخن إلى ما يزيد عن 300 درجة فهرنهايت ويخرج من البئر الآخر.

وهذه هي “الطاقة الحرارية الأرضية المعززة”، وقد عانى الناس من الصعوبات الهندسية منذ السبعينيات.

ولكن في يوليو، صياغة أعلن لقد نجحت في إرسال المياه بين بئرين. وبعد اسبوعين فيرفو أعلنت عن اختراقها الخاص: وجد اختبار لمدة 30 يومًا في ولاية نيفادا أن العملية يمكن أن تنتج حرارة كافية لإنتاج الكهرباء. وتقوم شركة Fervo الآن بحفر الآبار لإنشاء أول محطة طاقة تجارية بقدرة 400 ميجاوات في ولاية يوتا، بجوار موقع FORGE.

وقالت لورين بويد، رئيسة مكتب تقنيات الطاقة الحرارية الأرضية التابع لوزارة الطاقة، والتي تقدر أن الطاقة الحرارية الأرضية يمكن أن توفر الطاقة: “إن هذه إنجازات كبيرة، في إطار زمني أسرع مما توقعنا”. 12% من كهرباء أمريكا بحلول عام 2050 إذا تحسنت التكنولوجيا.

بدا السيد لاتيمر أقل مفاجأة. قبل تأسيس شركة Fervo في عام 2017، عمل كمهندس حفر في شركة BHP، وهي شركة للنفط والغاز. وهناك، أصبح مقتنعا بأن المحاولات السابقة لتعزيز الطاقة الحرارية الأرضية باءت بالفشل لأنها لم تستفد من ابتكارات النفط والغاز مثل الحفر الأفقي أو أجهزة استشعار الألياف الضوئية.

لم تخترع شركة Fervo العديد من الأدوات التي تستخدمها. وفي ولاية يوتا، تتولى شركة هيلمريش آند باين أعمال الحفر، وهي شركة كبرى تعمل في مجال النفط والغاز والتي قامت بتطوير الحقل منصة عالية التقنية مع البرامج وأجهزة الاستشعار التي تسمح للمشغلين بتوجيه لقم الحفر بدقة تحت الأرض. ستون بالمائة من موظفي Fervo جاءوا من قطاع النفط والغاز.

وقال لاتيمر: «إذا كان علينا أن نخترع هذه الأشياء بأنفسنا، فسيستغرق الأمر سنوات أو عقودًا». “تمثلت رؤيتنا الكبيرة في أن العاملين في مجال الطاقة الحرارية الأرضية لم يتحدثوا بما يكفي مع العاملين في مجال النفط والغاز”.

والجزء الصعب الآن هو جعل الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة ميسورة التكلفة. وزارة الطاقة تريد وستنخفض التكلفة إلى 45 دولارًا لكل ميجاوات/ساعة للانتشار على نطاق واسع. وقال لاتيمر إن تكاليف شركة فيرفو “أعلى بكثير”، على الرغم من أنه يعتقد أن عمليات الحفر المتكررة يمكن أن تخفض هذه التكاليف.

البحث في FORGE يمكن أن يساعد. الحفر بشكل أعمق وأكثر سخونة يمكن أن يجعل المشاريع أكثر فعالية من حيث التكلفة، لأن المزيد من الحرارة يعني المزيد من الطاقة. لكن معدات النفط والغاز الموجودة لم تكن مصممة لدرجات حرارة أعلى من 350 درجة، لذلك تقوم FORGE باختبار أدوات جديدة في الصخور الأكثر حرارة.

وقال جوزيف مور، عالم الجيولوجيا بجامعة يوتا الذي يقود FORGE: “لا يوجد أحد على استعداد لتحمل المخاطر التي يمكن أن نتحملها”.

وحذر الدكتور مور من أن تعزيز الطاقة الحرارية الأرضية يواجه تحديات أخرى. الجيولوجيا تحت الأرض معقدة، وهي كذلك من الصعب خلق الكسور التي تحافظ على الحرارة ولا تفقد الكثير من الماء مع مرور الوقت. ويجب على عمال الحفر تجنب إثارة الزلازل، وهي المشكلة التي ابتليت بها مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية في عام 2016 كوريا الجنوبية و سويسرا. تراقب FORGE عن كثب موقعها في ولاية يوتا بحثًا عن النشاط الزلزالي ولم تجد أي شيء مثير للقلق.

السماح أمر صعب. في حين أن الطاقة الحرارية الأرضية المعززة يمكن، من الناحية النظرية، أن تعمل في أي مكان، فإن أفضل الموارد موجودة في الأراضي الفيدرالية، حيث تستغرق المراجعات التنظيمية سنوات وسنوات غالبًا ما يكون الأمر أسهل للفوز برخصة التنقيب عن النفط والغاز بسبب الإعفاءات التي حصلت عليها شركات الوقود الأحفوري.

ومع ذلك، فإن الاهتمام آخذ في الارتفاع. تعاني كاليفورنيا من نقص الكهرباء واضطرت إلى ذلك مؤخرًا إطالة عمر ثلاث محطات غاز قديمة وملوثة. أمر المنظمون المرافق بإضافة 1000 ميجاوات من الكهرباء من مصادر نظيفة يمكن تشغيلها في جميع الأوقات لدعم تقلب إمدادات الرياح والطاقة الشمسية. أحد مزودي الكهرباء، تحالف الطاقة النظيفة، وافقت على الشراء 33 ميجاوات من محطة فيرفو بولاية يوتا.

وقال تيد بارداك، الرئيس التنفيذي لتحالف الطاقة النظيفة: “إذا تمكنا من العثور عليه، فلدينا شهية كبيرة جدًا للطاقة الحرارية الأرضية”. “نحن نضيف المزيد من الطاقة الشمسية كل عام خلال النهار ولدينا كمية كبيرة من البطاريات لتحويل الطاقة إلى المساء. ولكن ماذا نفعل في الليل؟ وهذا هو المكان الذي يمكن أن تساعد فيه الطاقة الحرارية الأرضية حقًا.

مشعات تحت الأرض والصخور شديدة السخونة

تواجه شركة Fervo منافسة شرسة على مستقبل الطاقة الحرارية الأرضية.

بديل واحد هو نظام “الحلقة المغلقة”.والتي تتضمن حفر أنابيب محكمة الغلق في الصخور الساخنة والجافة ومن ثم تدوير السائل عبر الأنابيب، مما يؤدي إلى إنشاء مشعاع عملاق. وهذا يتجنب عدم القدرة على التنبؤ بتدفق المياه عبر الصخور تحت الأرض ولا يتضمن التكسير الهيدروليكي، وهو أمر محظور في بعض المناطق. الجانب السلبي: حفر أكثر تعقيدًا.

قامت شركة Eavor، وهي شركة مقرها كالجاري، باختبار نظام الحلقة المغلقة في ألبرتا وهي كذلك وتقوم الآن ببناء أول محطة بقدرة 65 ميجاوات في ألمانيا.

وقال جون ريدفيرن، الرئيس التنفيذي لشركة إيفور: “إذا كان للطاقة الحرارية الأرضية أن تتوسع على نطاق واسع، فيجب أن تكون عملية قابلة للتكرار يمكنك القيام بها مرارا وتكرارا”. “نعتقد أن لدينا أفضل طريقة للقيام بذلك.”

وفي ولاية تكساس، تسعى شركة Sage Geosystems إلى البحث عن الآبار المكسورة التي تعمل كبطاريات. عندما يكون هناك فائض من الكهرباء على الشبكة، يتم ضخ المياه إلى البئر. وفي أوقات الحاجة، يؤدي الضغط والحرارة في الكسور إلى دفع الماء مرة أخرى إلى الأعلى، مما يوفر الطاقة.

إن الرؤية الأكثر جرأة للطاقة الحرارية الأرضية هي الحفر لمسافة ستة أميال أو أكثر تحت الأرض حيث تتجاوز درجات الحرارة 750 درجة فهرنهايت. عند هذه النقطة، يصل الماء إلى درجة فوق حرجة ويمكن أن يحمل طاقة أكبر بخمسة إلى عشرة أضعاف من البخار العادي. ويقول الخبراء إنه إذا نجح الأمر، فإن الطاقة الحرارية الأرضية “شديدة السخونة”. يمكن أن توفر طاقة نظيفة وفيرة ورخيصة الثمن في أى مكان.

وقال بروس هيل من فريق عمل الهواء النظيف، وهي مجموعة بيئية: “يجب أن يكون الهدف النهائي هو الوصول إلى المواد شديدة الحرارة”.

لكن الذهاب إلى هذا العمق يتطلب أدوات مستقبلية. شركة GA Drilling السلوفاكية تطوير مشاعل البلازما للحفر في درجات حرارة عالية. تريد شركة Quaise، وهي شركة ناشئة مقرها ماساتشوستس، استخدامها موجات ملليمتر – موجات ميكروويف عالية التردد – لسحق الصخور والوصول إلى أعماق تصل إلى 12 ميلاً.

وقال كارلوس أراك، الرئيس التنفيذي لشركة كويز: «هناك تحديات هندسية ضخمة.

وأضاف: “لكن تخيل لو كان بإمكانك الحفر بجوار مصنع للفحم والحصول على بخار ساخن بدرجة كافية لتشغيل توربينات ذلك المصنع. استبدال الفحم في آلاف محطات الفحم حول العالم. هذا هو مستوى الطاقة الحرارية الأرضية الذي نحاول إطلاقه.”

مصلحة النفط

تلعب الحكومة الفيدرالية دورًا رائدًا في رعاية تقنيات الطاقة الجديدة المحفوفة بالمخاطر. لكن المشرعين غالبا ما يتجاهلون الطاقة الحرارية الأرضية. ال مشروع قانون البنية التحتية الأخير وقدمت 9.5 مليار دولار للهيدروجين النظيف، و84 مليون دولار فقط للطاقة الحرارية الأرضية المتقدمة.

قال جيمي بيرد، مؤسس مشروع InnerSpace، وهي منظمة غير ربحية مقرها تكساس تعمل على ترويج الطاقة الحرارية الأرضية: “كان من الصعب على الطاقة الحرارية الأرضية أن تشق طريقها إلى المحادثة”.

أمضت بيرد سنوات وهي تحاول إثارة اهتمام شركات النفط والغاز بالطاقة الحرارية الأرضية. وهذا يحدث ببطء: شركة ديفون للطاقة استثمرت 10 ملايين دولار في فيرفو، في حين بي بي وشيفرون يدعمون إيفور. نابورز، مزود خدمات الحفر، لديه استثمرت في GA Drilling وQuise وSage.

وفي أوكلاهوما، كونسورتيوم من شركات النفط والغاز بقيادة بيكر هيوز أطلقت مؤخرا جهدا لاستكشاف تحويل الآبار المهجورة إلى محطات الطاقة الحرارية الأرضية.

وقال أجيت مينون، نائب رئيس الطاقة الحرارية الأرضية في بيكر هيوز: “من الناحية التاريخية، كانت التكاليف الأولية ومخاطر الطاقة الحرارية الأرضية تمثل تحديًا”. “لكننا نعتقد أن لها دورًا كبيرًا تلعبه. ولدينا عمال يتمتعون بالمهارات المناسبة والتكنولوجيا المناسبة. يمكنك أن ترى لماذا يبدو الأمر منطقيًا بالنسبة لنا.”