دور الديناميكا الحرارية في تطوير دورات الطاقة الصفرية للمدن المقبلة

The Foundations of Thermodynamics in Energy Conversion

وتضع قوانين الديناميات الحرارية الحدود والإمكانيات الأساسية لتحويل الحرارة إلى عمل، وهي عملية في صميم توليد الطاقة الحرارية، ويضع القانون الأول، حفظ الطاقة، ويصف توازن الطاقة في أي دورة، بينما يستحدث القانون الثاني مفهوم التطهير، ويحدد أقصى قدر من الكفاءة النظرية - كفاءة كارنو - التي لا يمكن تجاوزها، ويسمح فهم هذه المبادئ للمهندسين بتحديد ما يحدث من خسائر وتطورات نظرية.

ويوفر التحليل النابع من القانون الثاني أداة قوية لتحديد أوجه القصور في دورات الطاقة، وعلى عكس تحليل الطاقة الذي لا يتتبع سوى الكمية، فإن تحليل الطاقة الخارجية ينظر في نوعية الطاقة أو توافرها، ويكشف تماما عن المكان الذي تدمر فيه إمكانيات العمل المفيدة، وبالنسبة لدورات الطاقة الصفرية، فإن الحد من تدمير الطاقة الخارجية هو الراجحة، حيث أن كل وحدة من وحدات الوقود التي لا تتحول إلى عمل تمثل كل من عوامل تحديد درجات الحرارة الاقتصادية وأدوات البرمجيات البيئية.

وتُفضَّل الخصائص الدينامية الحرارية لسوائل العمل - القدرة الحرارية المحددة، ونقطة الغليان، ودرجة الحرارة الحرجة والضغط، والكثافة، والخصائص - هيكل دورة الديكتاتورية - بالنسبة لمصادر الحرارة المنخفضة الحرارة مثل ألوان الحرارة الأرضية أو حرارة النفايات الصناعية، والسوائل ذات النقاط المغلية المنخفضة، مثل الأمونيا أو بعض المواد الهيدروكربونية.

فآليات نقل الحرارة - السلوك، والتكفير، والإشعاع - تتفاعل مع تصميم دورة الحرارة لتشكل أداء مبادلات الحرارة، والمكونات، ومبردات التبريد، وتسمح مبادلات الحرارة في الاتفاق مع تحسين الهندسة السطحية بتقليل الفوارق في درجات الحرارة وانخفاض الضغط، وتعزيز كفاءة الدورة، وفي دورات عدم الانبعاثات، حيث تؤدي كل نقطة مئوية من نقاط الكفاءة إلى خفض استهلاك الوقود والانبعاثات، وتعظيم نقل الحرارة إلى غير اختياري.

سلاسل القوى التقليدية والحدود البيئية الخاصة بها

إن دورة الراكين، وهي مجموعة من محطات الفحم والطاقة النووية لما يزيد على قرن، تعمل بتغليب المياه إلى البخار، وتوسيعها من خلال توربين، وتثبيتها إلى السائل، وإعادة إنتاجها إلى المغلي، وعلى الرغم من عقود من الاستخدام الأمثل، فإن دورة كربون الراكين التي تستهلك كميات كبيرة من الطاقة لا تزال تواجه قيودا أساسية في مجال الحرارة: فالسخان المرتفع في الماء يعني وجود طاقة محدودة بالنسبة إلى التغيير التدريجي.

إن دورة برايتون، التي تستخدم في التوربينات الغازية الطبيعية ومحركات الطائرات، تضغط الهواء، وقود المضخات، توسع الغاز الساخن من خلال توربين، وتستنفده، وتحتاج محطات التدوير الحديثة - دورة تمزق بذور برايتون مقترنة بدورة من العادم الرنكينتين - إلى تحقيق الكفاءة حتى 63 في المائة، مما يجعل الغاز الطبيعي أكثر الخيارات نظافة للوقود الأحفوري(2).

وتعاني كلتا الدورتين التقليديتين من تدمير كبير للطاقة في عملية الاحتراق نفسها، حيث تحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية عالية الحرارة، ولكن مع توليد كبير من الطاقة الشمسية، مما يحد من عدم قابلية التراجع إلى أقصى حد من استخراج العمل بغض النظر عن التحسينات في التصميم في المجرى السفلي، وتهدف دورات الانبعاثات الصفرية إلى التحايل على هذا الحد باستخدام مصادر الحرارة المتجددة - الطاقة الحرارية الحرارية، والحرارية، والنووية - أو باستخدام سائل النووية غير القابلة للاختراقية.

إن الأنظمة البيئية تشديد على الصعيد العالمي، مما يؤدي إلى التخلص التدريجي من محطات الفحم غير المأهولة، وحفز توليد الكربون المنخفض، ونظام الاتحاد الأوروبي لتجارة الانبعاثات، وخطة الطاقة النظيفة التابعة لوكالة حماية البيئة الأمريكية، ٢,٠، والسياسات المماثلة في الصين والهند تجبر المرافق على إعادة استخدام النباتات القائمة باحتجاز الكربون أو استبدالها ببدائل غير قابلة للانبعاثات، وينسجم الابتكار في مجال الحرارة مع المسار الوحيد الذي يتم تطويره في الوقت الراهن.

Thermodynamic Innovations Driving Zero-Emission Cycles

دورة الرنكين العضوية

(ب) خلية (الرانكين) العضوية تحل محل الماء بسوائل عمل عضوية - عادةً الهيدروكربون، أو الثلاجة، أو زيت السيليكون - التي لديها نقطة تغلي أقل وكتلة جزائية أعلى، وهذا يسمح للشركة بتوليد الطاقة من مصادر الحرارة عند درجة حرارة منخفضة تصل إلى 80-150 درجة مئوية، حيث تكون دورة التبريد التقليدية التي تتراوح بين الحرارة والثديوية غير عملية.

إن كفاءة نظم أوركا تتوقف بشدة على اختيار سائل العمل وتشكيلة الدورة، إذ أن دورات التوليد البسيطة التي تنطوي على ضغط واحد من المبردات تحقق عادة نسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة من الكفاءة بالنسبة للمصادر المنخفضة الحرارة، بينما تؤدي التشكيلات الأكثر تقدما - مثل أور سي، حيث يؤدي التبادل الحرفي الداخلي إلى تسخين السائل قبل التبخر - إلى زيادة الكفاءة إلى 25 في المائة أو أعلى.

وتتحقق إمكانات التشغيل الصفري للشركة عندما يكون مصدر الحرارة نفسه خاليا من الكربون، فعلى سبيل المثال، تنتج محطات الترميز الحرارية الأرضية الكهرباء التي لا توجد فيها أي عملية احتراق وتقلل من انبعاثات دورة الحياة - أي ما يقرب من 15 إلى 50 غراما من ثاني أكسيد الكربون/كواه، مقارنة بـ 800 إلى 000 1 غم من الفحم، وتستخدم نظم التكتل الحرارية العجلات الشائكة أو أجهزة التفريغ الحرارية فرصة لإرسال الحراري.

مركبات ثاني أكسيد الكربون

أما دورة ثاني أكسيد الكربون الفائقة الأهمية فتعمل بثاني أكسيد الكربون فوق نقطة حرجة )٣١ درجة مئوية، ٧,٤ درجة مئوية(، حيث يوجد السوائل كثافة واحدة مماثلة لنسبة مئوية من ثاني أكسيد الكربون ونسبة مئوية معتدلة من ثاني أكسيد الكربون، وهي نسبة مئوية من الطاقة الكهربائية التي تزيد على درجة الحرارة المتوسطة، وهي ٤٥ في المائة، ويمكن أن تكون أعلى درجة حرارة متجانسة من درجة الحرارة القصوى)٢(.

وتوجد عدة تشكيلات لدورة، حيث أن أكثرها شيوعا هو دورة الاستجمام البسيطة، ودورة التلقيح، ودورة التبريد الجزئية، وتقسم دورة التراكم ثاني أكسيد الكربون إلى مسارين - أحدهما يمر عبر مضغط رئيسي، بينما يتعدى الآخر على المبرد ويضغط بشكل منفصل - لتجنب مشكلة درجة الحرارة العالية التي ترتفع فيها درجة الحرارة.

(ب) بالإضافة إلى ذلك، فإن دورة ثاني أكسيد الكربون تكون مناسبة في الأصل لتوليد الطاقة الصفرية، لأنها يمكن أن تقترن بأي مصدر حراري خال من الكربون، أما بالنسبة إلى الطاقة الشمسية المركزة، فإن دورة ثاني أكسيد الكربون تحل محل دورة البخار التقليدية، مما يتيح زيادة الكفاءة وانخفاض استهلاك المياه - وهي ميزة حرجة في المناطق القاحلة التي كثيرا ما يتم فيها تحديد موقع المفاعلات النووية المتقدمة، مثل مفاعلات الصوم - المزودة بمفاعلات الفلورة.

المجمّع والمختلط

وتدمج الدورات المجمَّعة دورتين أو أكثر من دورات الديناميكية الحرارية لاستخلاص الطاقة عبر نطاق درجات الحرارة الأوسع، مما يعزز الكفاءة العامة، والمثال الأكثر نضجاً هو الاضطرابات الغازية المشتركة، حيث تستنفد دورة برايتون الحرارة من 500 إلى 600 درجة مئوية إلى دورة من دورة مياه الأمطار في الرنكينتين، وتتحقق فيها أوجه الكفاءة العامة فوق 60 في المائة.

وتمضي الدورات الهجينة خطوة أبعد من ذلك بدمج مصادر الطاقة المختلفة في إطار وحيد حراري، فعلى سبيل المثال، قد يستخدم نظام هجين شمسي دورة ثاني أكسيد الكربون الفائقة الأهمية كتلة طاقة أولية، مع وجود مضخة للغاز الطبيعي أو الهيدروجين توفر حرارة تكميلية للحفاظ على درجة الحرارة في التربين عندما يكون الإشعاع الشمسي غير كاف، والميزة العالية للتكامل الحراري هي أن نظام القدرة على إحداث تغيير

فالدورات الهجينة على نطاق المقاطعات هي مفهوم ناشئ للمدن المقبلة، حيث تُستولى على حرارة النفايات من العمليات الصناعية أو مراكز البيانات أو الكهرباء وتُرفع عن طريق المضخات الحرارية أو التدفئة المقاومة لتقود وحدة موزعة أو وحدة كربون ثاني أكسيد الكربون، وهذا النهج، المعروف باسم " التعدين الحرفي في المدن " ، يُحوّل المدينة نفسها إلى مصدر حراري منخفض الجودة، مما يقلل الحاجة إلى توليد مخزون مكرس ويخفض من نماذج الكربون في المنطقة بأكملها.

العلوم المادية وتحديات التكامل

إن دورات الحرارة المتقدمة تدفع حدود درجة الحرارة والضغط والتآكل والمواد المتطلبة التي يمكن أن تنجو من ظروف متطرفة دون فشل كارثي، وفي دورات ثاني أكسيد الكربون الفائقة الأهمية، فإن سائل العمل متصلب بدرجة كبيرة عند درجات الحرارة المرتفعة، ولا سيما في وجود الرطوبة أو الاضطرابات، كما أن المواد الخارقة القائمة على النيكل، مثل الاضطرابات الحرارية الفوقية الحادية الحادية الصنعية والمسموعة 282.

إن أداء مبادلات الحرارة هو اختناقات حرجة، إذ أن جهاز الاستصلاح في دورة من نوع ثاني أكسيد الكربون يتعامل مع تفاوت كبير في درجة الحرارة - من حوالي 100 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية - بينما يعمل بضغوط تزيد على 20 درجة مئوية.

إن تكامل النظام - عملية ربط دورة الحرارة بالمصدر الحراري، ونظام التبريد، والشبكة الكهربائية - تستحدث تحديات إضافية، ويتسبب التدوير الحراري أثناء بدء التشغيل وإغلاقه في الإفراط في الإشتعال الميكانيكي في الرصيف والسفن، ولا سيما عندما تتجاوز درجات الحرارة 100 درجة مئوية في الساعة، ويجب أن يدير نظام المراقبة حلقات تفاعل متعددة - مخزون من المواد الحرارية، وتدفق المياه المبردة -

إن توافر المياه هو قيد غالباً ما يُنهب لدورات الطاقة، خاصة في المناطق الحضرية القاحلة، دورات البخار التقليدية تتطلب كميات كبيرة من مياه التبريد، عادة ما تكون 2-3 لتر لكل كيلوواط متولدة، ويمكن أن تؤدي دورات ثاني أكسيد الكربون، بمتطلبات التبريد البسيطة، إلى خفض استهلاك المياه بنسبة 80-90 في المائة مقارنة ببدائل البخار، والتبريد الجاف (استخدام الهواء بدلاً من الماء) إلى حظر

إدماج الطاقة المتجددة في المركبات الحرارية

إن تداخل الطاقة الشمسية والريحية هو أكبر عقبة أمام شبكة متجددة تماما، فالدورات الحرارية التي توفر تخزين الطاقة الحرارية توفر حلا: عندما يتجاوز توليد الطاقة المتجددة الطلب، يمكن استخدام الكهرباء الفائضة لتدفئة متوسط التخزين - الملح المتحرك، أو الطوبتين الصلبتين، أو مواد التغير التدريجي - التي تؤدي في وقت لاحق إلى دورة الطاقة الكهربائية عند بلوغ درجة الحرارة 80 في المائة أو نموات الطاقة الشمسية().

وتوفر الطاقة الحرارية الأرضية مصدرا ثابتا ومرسلا للحرارة يقترن بطبيعة الحال بدورات أوركستروم وثاني أكسيد الكربون، ويمكن أن تؤدي النظم الحرارية الأرضية المعززة التي تستخدم كسور الهيدروليكي لخلق قابلية للتأثر في تكوينات الصخور الجافة الساخنة إلى توسيع نطاق الطاق الجغرافي للطاقة الحرارية إلى حد كبير، ويكمن التحدي الديناميكي في إدارة انخفاض درجة الحرارة على مدى عمر البئر الحراري - الذي يتطلب عادة ٥-١٥ في المائة في العقد.

إن استعادة حرارة النفايات من العمليات الصناعية - صنع الصلب، وإنتاج الأسمنت، وصنع المواد الكيميائية - تمثل فرصة كبيرة غير مستغلة لتوليد الطاقة الصفرية الانبعاثات، وعلى الصعيد العالمي، تمثل حرارة النفايات الصناعية نحو 20 إلى 50 في المائة من مجموع مدخلات الطاقة الصناعية، ومعظمها في درجات حرارة تقل عن 200 درجة مئوية حيث تبرز نظم أوركود، ويمكن أن تولد المرافق الكهرباء من مخرج ثانوي يُشترى، عن طريق تركيب وحدات من مصادر الطاقة المتجددة.

الاعتبارات الاقتصادية والسياساتية المتعلقة بالنشر الحضري

إن التكلفة المرتدة للكهرباء من دورات الحرارة الصفرية التي تدوم الانبعاثات يجب أن تتنافس مع توليد الأحفوريات التقليدية ومع تكنولوجيات أخرى متجددة مثل الطاقة الشمسية والريح، وتتراوح التقديرات الحالية لنظم أوكسيد الكربون بين 0.08 و0.15 دولار لكل كيلوواط، وذلك حسب درجة الحرارة في المصدر الحراري وحجم النظام، في حين يتوقع أن تصل دورات ثاني أكسيد الكربون إلى 0.06 إلى 0.10 دولار لكل كيلوواط بمجرد تحقيق حجم التصنيع.

إن معظم المناطق الحضرية التي ترتفع فيها الحرارة إلى نصفها، وتزيد فيها كثافة الطاقة الكهربائية في المناطق الحضرية وتزيد فيها كثافة الطاقة فيها بنسبة تتراوح بين ٥ و ١٠ أضعاف، وتزيد فيها نسبة الطاقة الكهربائية في المناطق الحضرية وتزيد فيها نسبة الطاقة الكهربائية التي ترتفع فيها إلى ٥٠ في المائة.

إن تطوير القوى العاملة هو حاجز كثيرا ما يُنظر إليه، إذ تتطلب دورات الدينامية الحرارية مهندسين وتقنيين مهرة يفهمون الديناميكا الحرارية المتقدمة، وعلوم المواد، ونظم الرقابة، وتمويل المشاريع، ويجب على الجامعات والكليات التقنية تحديث المناهج الدراسية لتشمل السوائل الخارقة الأهمية، وتصميم أورك، وتكامل التخزين الحراري، في حين أن الرابطات الصناعية يمكنها أن تيسر برامج التدريب الداخلي والتلمذة الصناعية المتقدمة.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

ومن المرجح أن ينطوي الجيل القادم من دورات الطاقة الصفرية على سوائل عمل لا تكون مجرد مركبات واحدة بل خلائط مصممة خصيصا لمصادر حرارية محددة وظروف مائية، كما أن مكونات السيولة الأيونية - وهي ملح في درجة حرارة الغرف - قد تؤدي إلى ضغط بخار شبه صفري، مما يزيل مخاطر فقدان التبخر، ويمكن تسخينها إلى درجات حرارة عالية دون تحلل.

فالتوائم الرقمية - أي نماذج افتراضية لدورات قياس الحرارة الطبيعية التي تتضمن بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي - تتيح الصيانة التنبؤية والتفاؤل الدينامي الذي كان مستحيلا في السابق، ويمكن للتوائم الرقمية أن تبقي الدورة على أعلى مستوى من الكفاءة حتى مع تغير الظروف السائدة في المكوِّنة أو في ظروف جديدة.

فتقنيات التصنيع المتقدمة، بما في ذلك الطباعة 3D للمكونات المعدنية، تفتح درجات جديدة من الحرية في تصميم الدورات، ويمكن أن تؤدي نصلات توربين مع قنوات التبريد الداخلية التي تتبع الشكل الدقيق للشحن، ومبادلات الحرارة ذات الهياكل ذات التكتل الأمثل لنقل الحرارة والقوة الهيكلية، كما أن أجهزة الاستجمام المدمجة ذات شبكات قنوات الكسور عملية جميعها مع التصنيع المضاف، وهذه القياسات المعقدة سوف تكون مستحيلة أو باهظة التكلفة مع إضافة مضافة.

إن الرؤية الطويلة الأجل لدورات الحرارة الصفرية في المدن المقبلة هي شبكة الإنترنت للطاقة - وهي شبكة من الجيل الموزع والتخزين والشحن التي يديرها برنامج أذكى - وفي هذه الرؤية، فإن كل مبنى له نظام حراري مسطح يسهم في شبكة محلية، وكل مصنع له تغذية في مجال استعادة الحرارة في نظام أوركستري متعدد الوسائط، وكل لغة مدمجة في مركز البيانات

خاتمة

إن الديناميات الحرارية تظل الأساس العلمي الذي لا غنى عنه لتطوير دورات الطاقة الصفرية التي تحتاجها المدن المقبلة لتحقيق أهداف المناخ وضمان أمن الطاقة، ومن الحدود الأساسية التي يحددها القانون الثاني إلى الخيارات العملية لسوائل العمل وتشكيل الدورة، فإن المبادئ الدينامية الحرارية تسترشد بالمهندسين في تصميمات تزيد من الكفاءة وتخفض الانبعاثات وتخفض من التكلفة.