حول دعم الصحافة العلمية
إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.
ياعلى امتداد الواجهة البحرية لبروكلين، يبدو مبنى Riverie المكون من 34 طابقًا مثل أي مبنى شاهق آخر في أفق مدينة نيويورك المزدحم. ولكن تحت أساسها، توجد شبكة غير مرئية من الآبار تمتد لمئات الأقدام داخل الأرض للاستفادة من مخزون الأرض الطبيعي من الدفء. بدلاً من حرق الوقود الأحفوري، يعتمد نهر ريفيري على الطاقة الحرارية الأرضية؛ ويستخدم درجة الحرارة الثابتة تحت الأرض لتدفئة الشقق في الشتاء وتبريدها في الصيف. يعد المبنى جزءًا من موجة صغيرة ولكن متنامية من مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية الحضرية التي تعمل على تجديد كيفية عمل التدفئة والتبريد في المدن الكثيفة السكان.
يوجد 320 بئرًا أسفل موقع بناء ريفيري، ويقول المطور Lendlease إن هذا يجعله أكبر مبنى سكني للطاقة الحرارية الأرضية في ولاية نيويورك وأكبر نظام تبادل جيولوجي شاهق في البلاد. بدأ الناس بالانتقال إلى المبنى الشهر الماضي.
وعلى عكس محطات الطاقة الحرارية الأرضية العميقة التي تستغل أميالاً من الصخور الساخنة تحت سطح الأرض لتوليد الكهرباء، تعتمد الأنظمة الحضرية على تبادلات الطاقة الضحلة نسبياً. ويستخدمون مضخات حرارية أرضية المصدر، والتي تستفيد من درجات الحرارة المستقرة على عمق عشرات أو مئات الأقدام فقط تحت الأرض. في المدينة، تعمل أول 100 متر (328 قدمًا) من الأرض بمثابة إسفنجة حرارية، حيث تمتص الحرارة الناتجة عن النشاط البشري، وهو ما يسميه فيليب بلوم، أستاذ الجيولوجيا الهندسية في معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا، بالجزيرة الحرارية الحضرية تحت السطح. يقول بلوم: «عندما تنخفض إلى أقل من 100 متر، فإنك تتحول إلى التدرج الحراري الأرضي».
في نهر ريفيري، يتم دفن أنابيب على شكل حرف U تسمى الحلقات الأرضية تحت المبنى لتدوير خليط من الماء والبروبيلين جليكول، وهي مادة كيميائية صالحة للطعام تشبه مادة مضادة للتجمد وتمتص الحرارة من الأرض. تستخدم المضخة الموجودة داخل المبنى مادة التبريد لنقل تلك الحرارة ثم تمررها عبر ضاغط لتركيزها. يتم بعد ذلك توزيع الحرارة عبر الهواء الداخلي للمبنى. وفي الصيف، يتم عكس العملية، مما يؤدي إلى إرجاع الحرارة الزائدة إلى الأرض.
إن تركيب مثل هذا النظام للطاقة الحرارية الأرضية لتدفئة مبنى كبير مثل نهر ريفيري – الذي يضم 834 وحدة مستأجرة بالإضافة إلى المكاتب والمساحات المشتركة – يعد إنجازًا هندسيًا. تم تنفيذ الجزء الأكبر من العمل قبل وضع أساس المبنى، حيث كان فريق الطاقة الحرارية الأرضية أول من يصل إلى موقع البناء. استخدم أعضاء الفريق جهاز حفر دوار مزدوج لإنشاء الآبار. (على عكس المثقاب العادي الذي يقوم فقط بتدوير أنبوب الحفر الداخلي، تقوم الحفارة الدوارة المزدوجة بتدوير غلاف فولاذي خارجي وأنبوب الحفر الداخلي في نفس الوقت.) وقد منع هذا الصخور والمشبعة بالمياه وتربة الواجهة البحرية من الانهيار في الحفرة، مما يجعلها مستقيمة ومستقرة.
يقول ميج سبريجز، المدير الإداري للتطوير في Lendlease: “تم حفر الآبار على عمق 499 قدمًا في الأرض، أي أعمق من ارتفاع المبنى”. “أكملت كل منصة حفر ما يزيد قليلاً عن بئر واحد في اليوم.” يبلغ قطر الثقوب حوالي 4.5 بوصة وتفصل بينها 15 قدمًا.
يقول سبريجس إن الجيولوجيا تحت الأرض في موقع ريفيري تتكون إلى حد كبير من صخور الأساس، وهي “وسيلة مثالية للتبادل الحراري الفعال”. ونظرًا لقرب الموقع من النهر الشرقي، كان لا بد من حماية الثقوب من المياه الجوفية في التربة فوق الصخر. استخدم المهندسون غلافًا فولاذيًا لهذا الغرض، وتم تركيب أنابيب مصنوعة من البولي إيثيلين عالي الكثافة – وهي مادة مقاومة للتآكل مصممة للاستخدام طويل الأمد – في الثقوب المعززة.
ويقول سبريجس إن طول جميع الأنابيب يصل إلى حوالي 65 ميلًا، على الرغم من أن مساحة الموقع تبلغ 2.6 فدانًا فقط. تتصل هذه الأنابيب في النهاية بـ 1100 مضخة حرارية في جميع أنحاء المبنى.
بمجرد اكتماله تقريبًا، يصبح هذا النظام المعقد غير مرئي إلى الأبد عندما يتم وضع الأساس ومن ثم المبنى نفسه فوقه، مما لا يترك مجالًا للأخطاء. يقول تيم ويبر، المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي لشركة Diverso Energy، التي قامت ببناء مشاريع متعددة مماثلة لمشروع Riverie في تورونتو: “يعتمد نظام التدفئة والتبريد لديك بالكامل على (نظام الطاقة الحرارية الأرضية)، وهو مدفون تحت المبنى، لذا فإن الفشل ليس خيارًا”.
النجاح لا يقتصر فقط على تركيب نظام الطاقة الحرارية الأرضية بشكل صحيح؛ إدارتها لا تقل أهمية. يقول ويبر: «إذا لم تتم مراقبة وإدارة الحقل الحفري، فالأمر يتعلق بموعد ارتفاع درجة حرارته». “أنت أيضًا بحاجة إلى فرصة التخلص من الحرارة الزائدة للمساعدة في تحقيق التوازن في المبنى.” إحدى طرق موازنة درجة الحرارة هي استخدام الحرارة الزائدة في الصيف لتسخين مياه المبنى قبل أن تذهب إلى المرجل.
من الأعلى في عام 2023، كانت المساحة التي تبلغ مساحتها 2.6 فدان تمثل ضغطًا شديدًا على المهندسين، الذين اضطروا إلى تعبئة ما يقرب من 65 ميلًا من الأنابيب في المساحة المدمجة.
إسماعيل فردوس / بلومبرج عبر غيتي إيماجز
ونظرًا لأنه يقوم ببساطة بنقل الحرارة بدلاً من توليدها، فمن المتوقع أن يقلل مشروع Riverie من انبعاثات الكربون السنوية الناتجة عن التدفئة والتبريد بنسبة 53 بالمائة مقارنة بالمباني السكنية التقليدية. مع قيام الولايات والمدن بفرض حدود صارمة على انبعاثات المباني، وحظر الغاز، وأهداف صافية صفرية، أصبحت التقنيات التي يمكنها توفير هذا النوع من الحرارة الموثوقة ومنخفضة الكربون أكثر ضرورة.
إذًا ما الذي سيتطلبه المزيد من المدن لاستخدام الطاقة الحرارية الأرضية؟
على الرغم من انخفاض تكاليف التشغيل بمرور الوقت، إلا أن التكلفة الأولية المرتفعة لتركيب نظام الطاقة الحرارية الأرضية تمثل العائق الأكبر. بالنسبة لريفيري، يقول سبريجس: “كان هناك قسط مقدم أقل بقليل من 6% على إجمالي تكاليف البناء. وعلى مدار 25 عامًا، يتم تعويض هذه التكاليف من خلال انخفاض نفقات التشغيل السنوية والحماية من غرامات (الانبعاثات).”
لتجاوز حاجز رأس المال هذا بالكامل، نفذت شركة Diverso نموذج عمل “الطاقة كخدمة”: فالشركة لا تقوم فقط بحفر وصيانة أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية، بل تصبح أيضًا مزود التدفئة والتهوية وتكييف الهواء لسكان المبنى، الذين يدفعون للشركة سعرًا ثابتًا على مدار العام. يقول ويبر: “لا ينبغي اعتبار الطاقة الحرارية الأرضية قطعة من المعدات أو امتدادًا للمبنى”. “إنها البنية التحتية للطاقة، وجزء من نموذج الأعمال يتعامل معها على هذا النحو.”
يمكن أيضًا أن تشكل قواعد السماح وقوانين البناء عائقًا. وتحتاج المناطق التي ترغب في تمكين نشر الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق أوسع إلى وضع سياسات تفضي إلى هذه الأنظمة. يقول بلوم: “تحتاج المدن إلى استراتيجية إدارة حضرية لما تحت سطح الأرض”. “لديك هذه المساحة أسفل المدينة، ويرغب عدد أكبر من الأشخاص في استخدامها، لذلك تحتاج إلى تحسين المساحة لهذه الأنواع من الأنظمة.”
ويبر متفائل بأن المدن والشركات سوف ترقى إلى مستوى التحدي. ويقول: “إذا كانت المدينة جريئة بما يكفي لخلق مناخ عدواني وإزالة الكربون، فإن القطاع الخاص سوف يبتكر حلولاً تكنولوجية وتجارية للاستجابة”، مضيفًا أنه في تورونتو، أصبحت قائمة المطورين الذين لا يفكرون في الطاقة الحرارية الأرضية أصغر الآن من أولئك الذين يفكرون في الطاقة الحرارية الأرضية.
التعليقات