فن استرجاع حرارة النفايات: تسخير الطاقة من أجل مستقبل مستدام

في عالم يركز بشكل متزايد على الاستدامة وكفاءة الطاقة، تكتسب فكرة استرجاع حرارة النفايات (WHR) زخمًا كبيرًا. يتضمن WHR التقاط وإعادة استخدام الحرارة التي سيتم إطلاقها في البيئة كمنتج ثانوي للعمليات الصناعية أو توليد الطاقة أو الأنشطة الأخرى. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الحرارة المستعادة لأغراض مختلفة، مثل توليد الكهرباء أو تدفئة المباني أو تشغيل العمليات الصناعية الأخرى. يتعمق منشور المدونة هذا في مبادئ وتقنيات وتطبيقات WHR عالميًا، مستكشفًا إمكاناتها لتحويل الصناعات والمساهمة في مستقبل طاقة أكثر استدامة.

ما هي حرارة النفايات؟

حرارة النفايات هي طاقة حرارية يتم توليدها أثناء عملية لا يتم استخدامها مباشرة في تلك العملية ويتم إطلاقها عادةً في الغلاف الجوي أو وسيط تبريد (مثل الماء). إنها ظاهرة منتشرة في جميع القطاعات، بما في ذلك:

• التصنيع الصناعي: تولد عمليات مثل صناعة الصلب وإنتاج الأسمنت وتصنيع الزجاج والمعالجة الكيميائية كميات كبيرة من حرارة النفايات. على سبيل المثال، يمكن أن تصل غازات العادم من فرن الأسمنت إلى درجات حرارة تزيد عن 300 درجة مئوية.
• توليد الطاقة: تطلق محطات الطاقة التقليدية (الفحم والغاز الطبيعي والنووية) جزءًا كبيرًا من مدخلات الطاقة كحرارة مهدرة من خلال أنظمة التبريد الخاصة بها.
• النقل: تشتت محركات الاحتراق الداخلي في المركبات نسبة كبيرة من طاقة الوقود كحرارة من خلال غازات العادم وأنظمة التبريد.
• المباني التجارية: غالبًا ما ترفض أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) الحرارة إلى البيئة، خاصة في المناخات التي تهيمن عليها عمليات التبريد. تولد مراكز البيانات أيضًا حرارة نفايات كبيرة.

كمية حرارة النفايات كبيرة. على مستوى العالم، يُقدر أن نسبة كبيرة من إجمالي الطاقة المستهلكة تفقد في النهاية كحرارة مهدرة. يوفر استرجاع حتى جزء بسيط من هذه الطاقة المهدرة إمكانات هائلة لتقليل استهلاك الطاقة وخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحسين الكفاءة العامة.

مبادئ استرجاع حرارة النفايات

يعتمد المبدأ الأساسي لـ WHR على قوانين الديناميكا الحرارية. لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها، ولكن يمكن تحويلها فقط. لذلك، تمثل حرارة النفايات موردًا قيمًا للطاقة يمكن تسخيره وإعادة استخدامه. تعتمد فعالية أنظمة WHR على عدة عوامل:

• درجة الحرارة: يسهل عمومًا استرجاع حرارة النفايات ذات درجة الحرارة المرتفعة واستخدامها بشكل أكثر فعالية من حيث التكلفة.
• معدل التدفق: تعد كمية حرارة النفايات المتاحة (المتعلقة بمعدل تدفق الوسيط الحامل للحرارة) عاملاً حاسمًا.
• المسافة: يؤثر قرب مصدر حرارة النفايات من المستخدمين أو التطبيقات المحتملة على تكلفة النقل والبنية التحتية.
• توافر الوقت: يعتبر اتساق ومدة توافر حرارة النفايات مهمين لتصميم أنظمة WHR فعالة وموثوقة. قد تتطلب مصادر حرارة النفايات المتقطعة أو الموسمية حلول تخزين.
• التركيب: يمكن أن يؤثر تكوين دفق حرارة النفايات (مثل غازات المداخن) على نوع تقنية WHR التي يمكن استخدامها وقد تتطلب معالجة مسبقة لإزالة الملوثات.

تقنيات استرجاع حرارة النفايات

تتوفر تقنيات مختلفة لاسترجاع حرارة النفايات واستخدامها، كل منها مناسب لتطبيقات معينة ونطاقات درجات حرارة معينة. فيما يلي بعض من الأكثر شيوعًا:

المبادلات الحرارية

المبادلات الحرارية هي التقنية الأكثر أساسية والأكثر استخدامًا لـ WHR. إنها تنقل الحرارة من سائل إلى آخر دون خلط مباشر. تشمل الأنواع الشائعة:

• المبادلات الحرارية ذات الأنابيب والغطاء: هذه قوية ومتعددة الاستخدامات، ومناسبة لتطبيقات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية.
• المبادلات الحرارية ذات الألواح: توفر هذه كفاءة عالية لنقل الحرارة ومناسبة للسوائل النظيفة.
• سخانات الهواء المسبق: تستخدم في الغلايات والأفران لاستعادة الحرارة من غازات العادم وتسخين هواء الاحتراق الوارد مسبقًا، مما يحسن الكفاءة.
• غلايات حرارة النفايات: تولد هذه البخار من حرارة النفايات، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لتوليد الطاقة أو تسخين العمليات.

مثال: تستخدم مصنع الصلب مبادلًا حراريًا من نوع الغلاف والأنبوب لاستعادة الحرارة من غازات العادم من أفرانها لتسخين الهواء الوارد مسبقًا للاحتراق، مما يقلل من استهلاك الوقود.

دورة رانكين العضوية (ORC)

تعتبر أنظمة ORC مناسبة بشكل خاص لاستعادة الحرارة من مصادر درجة الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة (80 درجة مئوية إلى 350 درجة مئوية). وهي تستخدم سائلًا عضويًا بنقطة غليان أقل من الماء لتوليد الكهرباء. يتم تبخير السائل العضوي بواسطة حرارة النفايات، مما يؤدي إلى تشغيل توربين متصل بمولد.

مثال: تستخدم محطة الطاقة الحرارية الأرضية في أيسلندا تقنية ORC لتوليد الكهرباء من موارد الطاقة الحرارية الأرضية ذات درجة الحرارة المنخفضة نسبيًا. يؤدي الماء الساخن من المصدر الحراري الأرضي إلى تبخير سائل عضوي، مما يؤدي إلى تشغيل توربين لإنتاج الكهرباء.

مضخات الحرارة

تنقل مضخات الحرارة الحرارة من مصدر منخفض الحرارة إلى مصرف عالي الحرارة. في حين أنها تتطلب طاقة للتشغيل، إلا أنها يمكن أن تعمل على ترقية حرارة النفايات منخفضة الدرجة إلى درجة حرارة قابلة للاستخدام. يمكن استخدام مضخات الحرارة لكل من تطبيقات التدفئة والتبريد.

مثال: يستخدم نظام التدفئة المركزية في السويد مضخة حرارة كبيرة لاستعادة حرارة النفايات من محطة معالجة مياه الصرف الصحي وتوفير التدفئة للمباني السكنية القريبة.

التوليد المشترك (الحرارة والطاقة مجتمعة - CHP)

يتضمن التوليد المشترك الإنتاج المتزامن للكهرباء والحرارة من مصدر وقود واحد. تعتبر أنظمة CHP فعالة للغاية لأنها تستخدم كلاً من الكهرباء المتولدة وحرارة النفايات الناتجة أثناء عملية التوليد. غالبًا ما تستخدم أنظمة CHP في المرافق الصناعية والمستشفيات والجامعات.

مثال: تعمل جامعة في كندا بنظام CHP يستخدم الغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء ويلتقط حرارة النفايات لتوفير التدفئة والتبريد لمباني الحرم الجامعي. هذا يقلل من اعتماد الجامعة على الشبكة ويقلل من البصمة الكربونية.

مولدات الطاقة الكهربائية الحرارية (TEGs)

تحول TEGs الحرارة مباشرة إلى كهرباء باستخدام تأثير Seebeck. في حين أن TEGs تتمتع بكفاءة أقل مقارنة بتقنيات WHR الأخرى، إلا أنها مضغوطة وموثوقة ويمكن استخدامها في التطبيقات البعيدة أو صغيرة النطاق. إنها مناسبة بشكل خاص لتحويل حرارة النفايات من أنظمة العادم أو العمليات الصناعية ذات درجة الحرارة العالية مباشرة إلى كهرباء.

مثال: يستكشف بعض مصنعي السيارات استخدام TEGs لاستعادة حرارة النفايات من أنظمة عادم المركبات وتوليد الكهرباء لتشغيل الأنظمة المساعدة، مما يحسن كفاءة استهلاك الوقود.

تقنيات أخرى

تشمل تقنيات WHR الأخرى:

• مبردات الامتصاص: تستخدم حرارة النفايات لإنتاج مياه مبردة لتطبيقات التبريد.
• الاستخدام المباشر: استخدام حرارة النفايات مباشرة لتسخين العمليات أو التسخين المسبق أو تطبيقات التجفيف.
• تخزين الحرارة: تخزين حرارة النفايات للاستخدام لاحقًا، ومعالجة مشكلة توافر حرارة النفايات المتقطعة.

التطبيقات العالمية لاسترجاع حرارة النفايات

يتم تطبيق تقنيات WHR عبر مجموعة واسعة من الصناعات والمناطق حول العالم.

• القطاع الصناعي: في ألمانيا، تستخدم العديد من المرافق الصناعية أنظمة WHR لتقليل استهلاك الطاقة وتحسين القدرة التنافسية. على سبيل المثال، نفذت صناعة الصلب تقنيات WHR المتقدمة لاستعادة الحرارة من العمليات المختلفة، مما يساهم بشكل كبير في توفير الطاقة.
• توليد الطاقة: تعد محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة، والتي تستخدم كلاً من التوربينات الغازية والتوربينات البخارية، مثالاً رئيسيًا على WHR في توليد الطاقة. يتم استخدام حرارة العادم من التوربينات الغازية لتوليد البخار، مما يؤدي إلى تشغيل توربين بخاري، مما يزيد من الكفاءة الإجمالية للمصنع.
• التدفئة المركزية: تمتلك المدن في الدنمارك ودول أخرى من الدول الاسكندنافية شبكات تدفئة مركزية واسعة تستخدم حرارة النفايات من محطات الطاقة والمرافق الصناعية ومحطات حرق النفايات لتوفير التدفئة للمنازل والشركات.
• النقل: يتم بذل جهود البحث والتطوير لتحسين تقنيات WHR للمركبات، بما في ذلك مولدات الطاقة الكهربائية الحرارية وأنظمة دورة رانكين.
• قطاع البناء: تُستخدم مضخات الحرارة الأرضية في المباني حول العالم لاستعادة الحرارة من الأرض وتوفير التدفئة والتبريد.

فوائد استرجاع حرارة النفايات

فوائد WHR عديدة وواسعة النطاق:

• زيادة كفاءة الطاقة: يقلل WHR من كمية الطاقة الأولية المطلوبة لتلبية متطلبات الطاقة.
• خفض تكاليف الطاقة: يترجم انخفاض استهلاك الطاقة إلى فواتير طاقة أقل للشركات والمستهلكين.
• انخفاض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري: من خلال تقليل الحاجة إلى الوقود الأحفوري، يساعد WHR في التخفيف من تغير المناخ.
• تحسين جودة الهواء: يؤدي تقليل حرق الوقود الأحفوري إلى انخفاض انبعاثات ملوثات الهواء.
• تعزيز استخدام الموارد: يعزز WHR الاستخدام الفعال للموارد ويقلل من النفايات.
• زيادة القدرة التنافسية: يمكن أن يؤدي انخفاض تكاليف الطاقة إلى تحسين القدرة التنافسية للصناعات.
• أمن الطاقة: يمكن أن يقلل WHR الاعتماد على مصادر الطاقة المستوردة.
• النمو الاقتصادي: يمكن أن يؤدي تطوير ونشر تقنيات WHR إلى خلق وظائف جديدة وتحفيز النمو الاقتصادي.

التحديات والفرص

في حين أن WHR يوفر إمكانات كبيرة، إلا أن هناك أيضًا تحديات أمام اعتماده على نطاق واسع:

• ارتفاع تكاليف الاستثمار الأولية: يمكن أن تكون التكلفة الأولية لتطبيق أنظمة WHR عائقًا، خاصة بالنسبة للمؤسسات الصغيرة والمتوسطة الحجم (SMEs).
• التعقيد التقني: يمكن أن يكون تصميم وتنفيذ أنظمة WHR فعالة أمرًا صعبًا من الناحية الفنية.
• قيود المساحة: تتطلب بعض تقنيات WHR مساحة كبيرة، والتي قد تكون قيدًا في المرافق القائمة.
• الجدوى الاقتصادية: تعتمد الجدوى الاقتصادية لمشاريع WHR على عوامل مثل أسعار الطاقة والحوافز الحكومية وتوافر التمويل.
• قلة الوعي: لا يزال هناك نقص في الوعي بين بعض الشركات وواضعي السياسات حول الفوائد المحتملة لـ WHR.

ومع ذلك، يمكن التغلب على هذه التحديات من خلال:

• الحوافز الحكومية: يمكن أن يساعد توفير الحوافز المالية مثل الإعفاءات الضريبية والمنح والإعانات في تقليل تكاليف الاستثمار الأولية لمشاريع WHR.
• التطورات التكنولوجية: تؤدي جهود البحث والتطوير الجارية إلى تقنيات WHR أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
• حملات التوعية العامة: يمكن أن يساعد رفع مستوى الوعي حول فوائد WHR في تعزيز اعتماده.
• التعاون والشراكات: يمكن أن يساعد التعاون بين الشركات والباحثين وصناع السياسات في تسريع نشر تقنيات WHR.
• تدقيق الطاقة: يمكن أن يساعد إجراء عمليات تدقيق الطاقة لتحديد فرص WHR الشركات على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن استثمارات كفاءة الطاقة.

مستقبل استرجاع حرارة النفايات

مستقبل WHR واعد. نظرًا لأن أسعار الطاقة تستمر في الارتفاع وتتزايد المخاوف بشأن تغير المناخ، فمن المتوقع أن ينمو الطلب على تقنيات WHR بشكل كبير. هناك العديد من الاتجاهات التي تشكل مستقبل WHR:

• التكامل مع الشبكات الذكية: يمكن دمج أنظمة WHR مع الشبكات الذكية لتوفير إمدادات طاقة مرنة وموثوقة.
• تطوير المواد المتقدمة: يؤدي تطوير المواد المتقدمة ذات الخصائص المحسنة لنقل الحرارة إلى أنظمة WHR أكثر كفاءة.
• تصغير تقنيات WHR: يمكّن تصغير تقنيات WHR استخدامها في التطبيقات الأصغر حجمًا، مثل المباني السكنية والمركبات.
• التركيز على استرجاع الحرارة منخفضة الدرجة: يتم التركيز بشكل متزايد على تطوير التقنيات لاستعادة الحرارة من المصادر منخفضة الحرارة، والتي غالبًا ما تكون وفيرة ولكن من الصعب استخدامها.
• الرقمنة وإنترنت الأشياء (IoT): يمكّن استخدام التقنيات الرقمية وإنترنت الأشياء (IoT) المراقبة والتحكم عن بعد في أنظمة WHR، مما يحسن كفاءتها وموثوقيتها.

خاتمة

يمثل استرجاع حرارة النفايات فرصة كبيرة لتحسين كفاءة الطاقة وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وخلق مستقبل طاقة أكثر استدامة. من خلال تسخير الطاقة التي يتم إهدارها حاليًا، يمكننا تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري وخفض تكاليف الطاقة وتحسين البيئة. في حين أن التحديات لا تزال قائمة، فإن التقدم التكنولوجي المستمر والسياسات الحكومية الداعمة وزيادة الوعي العام تمهد الطريق للاعتماد الواسع النطاق لتقنيات WHR عبر مجموعة متنوعة من الصناعات والقطاعات. إن تبني فن استرجاع حرارة النفايات ليس مجرد ضرورة بيئية، بل هو استراتيجية اقتصادية ذكية يمكن أن تفيد الشركات والمجتمعات والكوكب ككل. بينما نسعى جاهدين من أجل عالم أكثر استدامة، سيلعب استرجاع حرارة النفايات بلا شك دورًا حاسمًا في تشكيل مشهد الطاقة لدينا.