الفولاذ المقاوم للصدأ يدفع مستقبل الطاقة الحرارية الأرضية

مع توقع مضاعفة قدرة توليد الطاقة الحرارية الأرضية بحلول عام 2040، يبرز الفولاذ المقاوم للصدأ كمفتاح للتغلب على أعظم تحدياته

في السباق العالمي نحو مستقبل طاقة أنظف وأكثر أمانًا، تكتسب الطاقة الحرارية الأرضية زخمًا متزايدًا. فبينما غالبًا ما تخطف الألواح الشمسية وتوربينات الرياح الأضواء، تزداد أهمية الطاقة الحرارية الأرضية - المستمدة من الحرارة الداخلية للأرض - كحل موثوق ومنخفض الانبعاثات وقابل للتطوير. وبفضل الابتكارات في تقنيات الحفر، وتغير الأولويات الجيوسياسية، وخيارات المواد الأكثر ذكاءً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، لم تعد الطاقة الحرارية الأرضية سوقًا متخصصة، بل أصبحت حجر الزاوية في التحول الأخضر.

بفضل سنوات خبرتنا الطويلة وخبرتنا في البحث والتطوير في مجال الفولاذ المقاوم للصدأ، نُركز الآن على استكشاف كيفية دعم المواد المتقدمة للتقنيات الناشئة. تُعدّ الطاقة الحرارية الأرضية من أبرز المجالات الواعدة حاليًا.

الإمكانات غير المستغلة للطاقة الحرارية الأرضية
تستغل الطاقة الحرارية الأرضية الحرارة الطبيعية المخزنة تحت سطح الأرض. ويمكن استخدام هذه الطاقة الحرارية لتوليد الكهرباء أو توفير التدفئة المباشرة للمنازل والمباني والعمليات الصناعية.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من محطات الطاقة الحرارية الأرضية:

• محطات البخار الجاف، والتي تستخدم البخار الموجود تحت الأرض بشكل مباشر لتشغيل التوربينات.

• محطات البخار الفوري، والتي تستخرج الماء الساخن تحت ضغط مرتفع والذي يتبخر بسرعة إلى بخار عندما ينخفض ​​الضغط.

• محطات الدورة الثنائية، والتي تستخدم الحرارة الجوفية لتبخير سائل ثانوي ذو نقطة غليان أقل، والذي يقوم بعد ذلك بتحريك التوربين.

تعتبر محطات الطاقة ذات الدورة الثنائية مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها يمكن أن تعمل في درجات حرارة منخفضة، مما يجعل الطاقة الحرارية الأرضية ممكنة في المزيد من المناطق.

وفقًا لوكالة الطاقة الدولية (IEA)، من المتوقع أن تنمو قدرة توليد الطاقة الحرارية الأرضية عالميًا بسرعة من 16 جيجاواط حاليًا. وفي ظل السياسات الحالية، من المتوقع أن يتجاوز توليد الطاقة الحرارية الأرضية 22 جيجاواط بحلول عام 2030، وأن يصل إلى أكثر من 40 جيجاواط بحلول عام 2040. ويعود هذا التطور الكبير إلى الابتكار التكنولوجي والحاجة الملحة إلى إزالة الكربون من أنظمة الطاقة.

الاستثمار التراكمي في الطاقة الحرارية الأرضية، 2025-2050:

ما الذي يحرك زخم الطاقة الحرارية الأرضية؟
لقد حدثت العديد من التطورات الأخيرة والتي ساهمت في تسريع نمو الطاقة الحرارية الأرضية.

تُخفّض الابتكارات في تقنيات الحفر في قطاع النفط والغاز تكلفة آبار الطاقة الحرارية الأرضية الجديدة، بينما تُبشّر التقنيات الناشئة، مثل حفر البلازما، بإحداث ثورة في هذا القطاع. إضافةً إلى ذلك، يُمكن لأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المُحسّنة إنشاء خزانات اصطناعية في الصخور الجافة الساخنة، مما يُتيح إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية في مناطق كانت تُعتبر غير مُناسبة سابقًا.

من أهمّ دوافع نموّ الطاقة الحرارية الأرضية الدعمُ المتزايد من الحكومات والمؤسسات الدولية حول العالم. ويُدرك صانعو السياسات أنّ الطاقة الحرارية الأرضية تُعدّ موردًا استراتيجيًا للانتقال إلى أنظمة طاقة نظيفة وآمنة ومرنة.

في الاتحاد الأوروبي، حدد قانون الصناعة الصفرية الطاقة الحرارية الأرضية كتقنية أساسية لتحقيق أهداف التحول الأخضر. ويهدف القانون إلى تبسيط إجراءات الموافقة، وتخفيف الأعباء الإدارية، وتوجيه التمويل إلى البنية التحتية للطاقة النظيفة، بما في ذلك مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية.

وتخطط حكومات فرنسا وألمانيا وهولندا لإطلاق أكثر من 200 محطة للتدفئة الحرارية الأرضية بحلول عام 2030. وعلاوة على ذلك، يجري التخطيط أو البدء في تنفيذ العديد من المشاريع في مختلف أنحاء أوروبا.

في أوروبا، لا تتجاوز درجات حرارة المحلول الملحي لنقل الحرارة 100 درجة مئوية عادةً، وتُستخدم معظم محطات الطاقة الحرارية الأرضية للتدفئة المركزية. ومع ذلك، سجّل عام 2023 رقمًا قياسيًا للمرة الثانية على التوالي في مبيعات مضخات الحرارة الحرارية الأرضية، بزيادة قدرها 11.7% مقارنةً بعام 2022. والجدير بالذكر أنه حتى درجات الحرارة المنخفضة التي تصل إلى 80 درجة مئوية يمكن استخدامها لتوليد الطاقة عبر دورات ثنائية، تُعرف أيضًا بدورات رانكين العضوية (ORC).

في الولايات المتحدة، يحظى دعم الطاقة الحرارية الأرضية بتأييد واسع من الحزبين. وتشير دائرة أبحاث الكونغرس إلى أن أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المُحسّنة (EGS) قادرة على تلبية ما يصل إلى 12% من الطلب الأمريكي على الكهرباء بحلول عام 2050. كما أطلقت وزارة الطاقة الأمريكية مبادرة بقيمة 84 مليون دولار لتمويل مشاريع تجريبية لأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المُحسّنة، كجزء من قانون البنية التحتية المشترك بين الحزبين. تهدف هذه المشاريع إلى عرض تطبيقات أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المُحسّنة في مختلف البيئات الجيولوجية، والنهوض بالطاقة الحرارية الأرضية كمصدر طاقة موثوق وخالٍ من الكربون.

دفع المشهد الجيوسياسي، وخاصةً الحرب في أوكرانيا وأزمة الطاقة في أوروبا، الدول الأوروبية إلى اللجوء إلى الطاقة الحرارية الأرضية كحلٍّ لتقلبات أسواق الوقود العالمية. وعلى عكس النفط والغاز، اللذين يتأثران بالتوترات الجيوسياسية وتقلبات الأسعار، تتميز الطاقة الحرارية الأرضية بطابعها المحلي. فبمجرد بناء محطة حرارية أرضية، يمكنها توفير طاقة مستقرة ومنخفضة التكلفة لعقود، دون أن تتأثر بتقلبات السوق العالمية.

دور الطاقة الحرارية الأرضية في التحول الأخضر
بخلاف الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، لا تعتمد الطاقة الحرارية الأرضية على الظروف الجوية. في الواقع، تتميز محطات الطاقة الحرارية الأرضية بمعدل استخدام يتجاوز 75% من قدرتها الإنتاجية، مقارنةً بأقل من 30% لطاقة الرياح وأقل من 15% للطاقة الشمسية. هذا يجعل الطاقة الحرارية الأرضية قيّمة للغاية كمصدر طاقة أساسي، إذ توفر كهرباء مستقرة على مدار الساعة لتلبية الطلب المستمر.

من حيث الأثر البيئي، تُصدر محطات الطاقة الحرارية الأرضية غازات دفيئة أقل بكثير من محطات الوقود الأحفوري. ووفقًا لحسابات المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، فإن متوسط ​​انبعاثات دورة حياة الطاقة الحرارية الأرضية يُضاهي انبعاثات مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، وهو أقل بكثير من انبعاثات الوقود الأحفوري.

• الفحم: 1,001 غرام من ثاني أكسيد الكربون المكافئ/كيلوواط ساعة

• الغاز الطبيعي: 486 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون المكافئ/كيلوواط ساعة

• الطاقة الشمسية الكهروضوئية: 43 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون المكافئ/كيلوواط ساعة

• الطاقة الحرارية الأرضية: 37 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون المكافئ/كيلوواط ساعة

• الرياح: 13 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون المكافئ/كيلوواط ساعة

إلى جانب الفوائد البيئية، تُعزز الطاقة الحرارية الأرضية أمن الطاقة. فبصفتها مصدرًا محليًا لا يعتمد على الوقود المستورد، تُقلل الطاقة من التعرض لتقلبات سوق الطاقة العالمية والمخاطر الجيوسياسية. بمجرد تشغيلها، يُمكن لمحطة الطاقة الحرارية الأرضية توليد الكهرباء لعقود مع الحد الأدنى من الصيانة، وبصمة بيئية أصغر مقارنةً بمنشآت الطاقة الأخرى، واستقرار التكلفة على المدى الطويل.

بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لبعض حقول الطاقة الحرارية الأرضية، مثل بحر سالتون وصدع الراين العلوي، أن تُسهم في تخزين الطاقة. ويمكن استخراج الليثيوم عالي التركيز من المحاليل الملحية الحرارية الأرضية من هذه المناطق لإنتاج البطاريات.

مزايا الفولاذ المقاوم للصدأ
تتميز البيئات الحرارية الأرضية بتأثيراتها العدوانية، إذ غالبًا ما تحتوي السوائل المستخرجة منها على تركيزات عالية من الكلوريدات وكبريتيد الهيدروجين وعناصر تآكلية أخرى. لذلك، يُعد اختيار المواد أمرًا بالغ الأهمية لضمان السلامة والفعالية من حيث التكلفة وطول العمر.

بالمقارنة مع الفولاذ الكربوني، لا يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة فائقة للتآكل فحسب، بل يقلل أيضًا من خطر ترسب أيونات المعادن الثقيلة - وهي ظاهرة تُعرف باسم "تقشر المعادن الثقيلة"، وهي شائعة بشكل خاص في تكوين روتليجند في هولندا وشمال ألمانيا. ويعود ذلك إلى الطبقة الخاملة على أسطح الفولاذ المقاوم للصدأ، التي تمنع انتقال الإلكترونات بين الفولاذ وأيونات المعادن، مما يُعيق الترسب.

تتضمن التطبيقات الرئيسية للفولاذ المقاوم للصدأ في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية ما يلي:

• المبادلات الحرارية: في محطات الدورة الثنائية، تنقل هذه المبادلات الحرارة بكفاءة من المحلول الملحي الجوفي الحراري إلى سائل ثانوي. تتميز الفولاذ المقاوم للصدأ، مثل دوبلكس 2205، بمقاومة ممتازة للتآكل وموصلية حرارية.

• الأنابيب: تُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ لنقل السوائل الحرارية الأرضية، مما يضمن المتانة ويقلل تكاليف الصيانة. تُعدّ حلول الأنابيب المبطنة ميكانيكيًا خيارًا اقتصاديًا.

• أغلفة الآبار: تحمي الآبار الحرارية الأرضية العميقة من الانهيار والتلوث. يُعد الفولاذ المقاوم للصدأ أساسيًا في البيئات عالية الكلوريد، إذ يتحمل الإجهاد الحراري والميكانيكي الشديد.

• الخزانات والصمامات: تُستخدم لتخزين المواد الكيميائية ومناولة السوائل عالية الضغط ودرجة الحرارة. تُقلل متانة الفولاذ المقاوم للصدأ من خطر التسربات والأعطال. كما يُقلل استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج من وزن الخزانات ويخفض التكاليف الأولية مقارنةً بالفولاذ الكربوني المطلي.

• أوعية الضغط أو المفاعلات لاستخراج الليثيوم: تتطلب عملية تركيز كلوريد الليثيوم وتحويله إلى كربونات الليثيوم تحت درجات حرارة وضغوط عالية سبائك شديدة المقاومة للتآكل مثل 2507 أو Sanicro 35.

الفولاذ المقاوم للصدأ ليس مجرد خيار مادي، بل هو التزامٌ بمستقبل الطاقة الحرارية الأرضية. الاستثمار في المواد المناسبة اليوم يضمن تسخير طاقة الأرض بأمان وكفاءة للأجيال القادمة. إن رحلة بناء مستقبل طاقة مستدام لا تقتصر على تبني تقنيات جديدة فحسب، بل تشمل أيضًا اتخاذ خيارات أكثر ذكاءً ومرونة في المواد التي نثق في أنها ستساهم في بناء هذا المستقبل.