Table of Contents
وتشهد الساحة العالمية للطاقة تحولا عميقا، حيث أن الحاجة الملحة إلى التخفيف من تغير المناخ تدفع إلى البحث عن تكنولوجيات مستدامة لا يمكن استخدام الطاقة فيها، وتدرك البحوث الدينامية الحرارية في قلب هذا التحول، وتوفر المبادئ الأساسية التي تحكم تحويل الطاقة، والحد من الكفاءة، وتصميم النظم، وبدون فهم عميق لدورات الحرارة، ونقل الحرارة، والسلوك المادي في ظل ظروف متطرفة، فإن تطوير نظم الطاقة النظيفة في المستقبل سيظل بعيدا عن المتناول.
أساسيات الديناميكية الحرارية في تحويل الطاقة
ويعد التحليل الحراري ضروريا لتقييم وتحسين أداء أي نظام لتوليد الطاقة، وتحدد قوانين الديناميكا الحرارية أقصى قدر ممكن من الكفاءة لمحركات الحرارة، وسلوك سوائل العمل، والقيود المفروضة من جراء عدم الرجعية، وفي تكنولوجيات الطاقة الصفرية الانبعاثات، تسترشد هذه المبادئ بتصميم دورات تقلل من حرارة النفايات وتزيد من إنتاج العمل المفيد إلى أقصى حد.
دور القانون الثاني
ويدخل القانون الثاني لعلم الديناميكا الحرارية مفهوم الطاقة، وهو مقياس للعمل المفيد للغاية الذي يمكن استخراجه من مصدر للطاقة، ويحدد تحليل الطاقة أين تحدث الخسائر في نظام ما، ويمكِّن المهندسين من تحقيق تحسينات، فعلى سبيل المثال، في محطة توليد الطاقة مجتمعة، يمكن تخفيض الخسائر الناجمة عن زيادة القدرة على التعافي من حرارة المولدات الكهربائية عن طريق تحقيق الحد الأمثل من درجات الحرارة وتصميم متغيرات الحرارة.
الحد من الكفاءة وسلسلة كارنو
وتضع دورة كارنوت الحد الأقصى النظري للكفاءة بالنسبة لمحرك حراري يعمل بين خزانين درجة الحرارة، وفي الممارسة العملية، تقصر الدورات الحقيقية بسبب عدم الرجعيات مثل الاحتكاك، والخسائر الحرارية، والخصائص غير المائلة، وبالنسبة لتكنولوجيات الطاقة الصفرية، فإن سد الفجوة بين الكفاءة الفعلية وكفاءة كارنو هو هدف بحثي رئيسي، وتزيد السلف في المواد ذات الحرارة العالية وسوائل العمل الجديدة بنسبة مئوية.
الاتجاهات الحالية في البحوث الدينامية الحرارية
وتتميز البحوث الدينامية الحرارية اليوم بنُهج متعددة التخصصات تختلط بالفيزياء وعلوم المواد والنمذجة الحسابية، وقد تحول التركيز من التحسينات التدريجية إلى مفاهيم تحولية يمكن أن تتيح فئات جديدة تماما من نظم الطاقة الصفرية الانبعاثات.
الموصلات الخارقة للطبيعة
ويجري إدماج الموصلات الخارقة العاملة بدرجات حرارة النيتروجين السائلة (نحو 77 كاف) في الجيل القادم من مولدات الطاقة ونظم النقل، وفي سياقات عدم الانبعاث، يمكن للموصلات الخارقة ذات الحرارة العالية أن تقلل من الخسائر المقاومة في المولدات والمحركات، وأن تحسن كفاءة النظام عموما، فعلى سبيل المثال، يؤدي مفهوم التوربين الريحي المباشر باستخدام مولدات البيوت العاملة في الهواء إلى إزالة مجموعة الأدوات، مما يؤدي إلى الحد من خسائر في مجال البحث عن طريق الميكانيكي وتحسين كثافة الطاقة.
مبادلات حرارية متقدمة
وتعاني مبادلات الحرارة من تكاثر في نظم الطاقة، وتؤثر كفاءتها تأثيرا مباشرا على الأداء العام للنباتات، وتستكشف البحوث الحالية مبادلات الحرارة المدمجة باستخدام التصنيع المضاف، مما يتيح إجراء قياسات جغرافية معقدة تؤدي إلى الحد الأمثل من نقل الحرارة وانخفاض الضغط، ويمكن تصميم مبادلات الحرارة الدقيقة، مثلا، على أن تكون سوائل عالية الضغط مثل ثاني أكسيد الكربون، مما يحقق الفعالية الحرارية التي تتجاوز 95 في المائة مع انخفاض كبير في حجم المفاعلات النووية ووزنها.
عجلات العمل
ويؤثر اختيار سوائل العمل تأثيراً عميقاً على كفاءة الدورة والسلامة والأثر البيئي، إذ أن السوائل التقليدية مثل المياه والبخار لها قيود من حيث مدى الحرارة والخصائص الدينامية الحرارية، ويحقق الباحثون في السوائل الخارقة الأهمية مثل ثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية (مثلاً، التلوين، والخماسي) بل وحتى الفلورية - في تصميم دورة ثاني أكسيد الكربون المخففة إلى السائل المحدد().
النمذجة الحاسوبية والتعلم في مجال الآلات
وقد تقدم النموذج الحراري من محاكاة الدورة البسيطة إلى ديناميات السوائل المحوسبة العالية التكوين وتحليل العناصر النهائية، مما يتيح للباحثين التنبؤ بالأداء، وتحديد الاختناقات، والارتقاء بتشكيلات النظم إلى المستوى الأمثل قبل بناء نماذج أولية.
التكنولوجيات الناشئة وإمكانياتها
وهناك عدة تكنولوجيات للطاقة الصفرية تعمل على التداول التجاري، ويعتمد كل منها على عمليات انطلاق في البحوث الدينامية الحرارية، وتبرز الفروع التالية أكثر السبل واعدة.
إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق المركبات الحرارية الكيميائية
(أ) إن إنتاج الهيدروجين بدون انبعاثات الكربون هو عامل تمكيني رئيسي لتطهير القطاعات التي يصعب الوصول إليها مثل صناعة الفولاذ وإنتاج الأمونيا والنقل الثقيل، وفي حين أن الكهرباء هي أكثر الطرق شيوعاً، فإن تقسيم المياه الحرارية باستخدام الحرارة العالية من المفاعلات الشمسية أو النووية المركزة يوفران إمكانية زيادة الكفاءة وانخفاض التكلفة.
المفاعلات النووية التالية
(أ) المفاعلات النووية المتقدمة، بما في ذلك المفاعلات النموذجية الصغيرة، وتصميمات الجيل الرابع، والوعد بالسلامة المتأصلة، والكفاءة العالية، والنفايات المخفضة؛ ومن منظور الحرارة، يعمل العديد من هذه المفاعلات في درجات حرارة أعلى من المفاعلات التقليدية للمياه الخفيفة، مما يتيح دورات تحويل الطاقة ذات الكفاءة القصوى، أو في شكل ملح مميت، أو في درجة حرارة عالية من الحرارة.
Enhanced Geothermal Systems (EGS)
الطاقة الحرارية الأرضية منخفضة وموثوقة، لكن الموارد المائية التقليدية تقتصر على مناطق جيولوجية معينة، وتهدف النظم الحرارية الأرضية المعززة إلى إنشاء خزانات صناعية من خلال كسر حرارة وعمق الصخور الجاف، والبحوث الحرارية حاسمة الأهمية لتحقيق أقصى قدر من استخراج الحرارة: يجب تصميم شبكة الكسور لتعظيم منطقة النقل الحراري مع التقليل إلى أدنى حد من انخفاض الضغط وفقدان المياه.
تخزين الطاقة الحرارية المتقدمة
وتحتاج مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية والريحية إلى تخزين مطابق للعرض مع الطلب، كما أن تخزين الطاقة الحرارية أو البارد للاستخدام في وقت لاحق، الذي كثيرا ما يكون مدمجا مع نظام CSP أو حرارة النفايات الصناعية، وتركز البحوث المتعلقة بالأشعة الحرارية على مواد ذات كثافة عالية من الطاقة واستقرارها على العديد من دورات الشحن/الشحن.
التحديات والفرص
وعلى الرغم من التقدم المحرز، يجب التغلب على العديد من العقبات التقنية والاقتصادية لإضفاء الطابع التجاري على تكنولوجيات الطاقة الصفرية هذه.
التكاليف الأولية المرتفعة
وكثيرا ما تتطلب التكنولوجيات الجديدة استثمارات رأسمالية كبيرة في المصانع الإيضاحية، ومرافق التصنيع، وسلاسل الإمداد، مثلا، تكلفة بناء أول نوع من أنواع العلاقات بين الجنسين أو مصنع كبير للهيدروجين الأخضر يمكن أن تبلغ عدة بلايين دولار، مما يثني الاستثمار الخاص، ولكن مع أن زيادات النشر، فإن منحنى التعلم تؤدي دورا في التكاليف، ويمكن للحكومات أن تؤدي دورا من خلال ضمانات القروض، والتعريفات التغذوية، وجذب لرأس المال.
مدة المواد في ظروف قصوى
فالدورة الحرارية العالية، والشديدة الضغط، والبيئات التآكلية التي توجد في نظم الطاقة المتقدمة تتطلب مواد يمكن أن تصمد أمام هذه الظروف لعقود، وعلى سبيل المثال، فإن المواد الأساسية التي تُعدُّ مادة ذات قدرة عالية، وتشتمل على حمضات شديدة التآكل في درجات الحرارة العالية، بينما تُعرِّض المفاعلات القادمة المواد المتسارعة إلى إشعاع النيوترونات المكثف، وغالبا ما تتحلل السبيكات الحالية من خلال التكسيدات المزروعة أو المكبوتات.
Scaling Laboratory Innovations to Commercial Levels
وقد ثبتت وجود العديد من المفاهيم الواعدة على نطاق المختبرات، ولكنها لم تتحول إلى النطاق التجريبي أو التجاري بسبب مشاكل هندسية غير متوقعة، وقد لا يؤدي مبادلات الحرارة التي تعمل في جهاز اختبارات بنفس الطريقة عندما يرتفع حجمها بمعامل قدره 100؛ ويمكن أن تتغير ديناميات السوائل ونقل الحرارة تغيرا جذريا، وتساعد نهج التصميم النموذجي على إتاحة التوسع التدريجي، ولكن تكامل النظم لا يزال يشكل تحديا كبيرا.
فرص التعاون المتعدد التخصصات
وتعقيد نظم الطاقة الصفرية الانبعاثات يتطلب خبرة في مجال الديناميات الحرارية، وعلوم المواد، والهندسة الكهربائية، والاقتصاد، والسياسات العامة، إذ أن الأفرقة المتعددة التخصصات أكثر استعدادا لمواجهة التحديات مثل تحسين النظم، وتحليل دورة الحياة، والتقييم التقني، وينبغي للمؤتمرات ومبادرات البحث المشتركة، مثل [الجهود التعاونية المبذولة في مجال إنتاج الطاقة المتجددة] [الأفكار المتعددة الأطراف في مجال الطاقة المتجددة] [تشجع على إقامة شراكات.]
دعم السياسات والاستثمار
والسياسات الحكومية هي أداة قوية للتعجيل بالانتقال، إذ أن تسعير الكربون ومعايير الحافظة المتجددة والإعانات المقدمة لتكنولوجيات المراحل المبكرة تهيئ الظروف السوقية التي تخدم القدرة الصفرية على الانبعاثات، وتضع برامج الاستثمار العالمي في إطار برنامج التنمية المستدامة للبحوث الدينامية الحرارية، ولا سيما في الجامعات والمختبرات الوطنية، وتولد المعرفة الأساسية التي تدعم الابتكار التجاري.
"الطريق الأمامي"
وسيشكل مسار البحوث الدينامية الحرارية في المستقبل التكامل والرقمنة والسعي إلى تحقيق الكفاءة بلا هوادة، ومن المرجح أن تسود عدة اتجاهات في العقد القادم.
دمج المصادر المتعددة المتجددة
وبدلاً من الاعتماد على تكنولوجيا واحدة، ستجمع نظم الطاقة الكهربائية في المستقبل التي لا تستخدم في الانبعاثات بين الطاقة الشمسية والريحية والحرارية الأرضية والنووية إلى جانب إدارة التخزين والجانب الطلبي، وستصبح دورات الحرارة التي يمكن إرسالها بصورة مرنة - مثلاً الغاز الشمسي الطبيعي المختلط (مع احتجاز الكربون) أو النظم المتجددة النووية - أكثر قابلية للتأثر مع الحفاظ على الانبعاثات المنخفضة.
دور التوائم الرقمية ومنظمة العفو الدولية
ويمكن بالفعل نشر التوأم الرقمي - الفيطاريات للنظم المادية التي يمكن استخدامها في الرصد والتعظيم في الوقت الحقيقي في محطات توليد الطاقة، وبالنسبة للتكنولوجيات التي لا توجد فيها انبعاثات، يمكن للتوأم الرقمي أن يحفز الأداء الديناميكي الحراري تحت حمولات مختلفة، وظروف الطقس، وتدهورها.
المواد المكتشفة عن طريق التعلم في مجال الآلات
وتعجل النُهج التي تحركها البيانات باكتشاف مواد جديدة لتطبيقات عالية التمرين، وحفازات للدورات الحرارية الكيميائية، وسوائل نقل الحرارة المتقدمة، وبتدريب شبكات الجموع على الممتلكات المادية المعروفة، يمكن للباحثين التنبؤ بأداء الملايين من المركبات الافتراضية في السليكو، مما يقلل بشدة من الجهد التجريبي، وهذا المجال يبشر بالتغلب على القيود المادية التي تؤخر حاليا العديد من التكنولوجيات الصفرية الانبعاثات.
مواصلة التركيز على خفض التكاليف
وفي نهاية المطاف، يتوقف نجاح تكنولوجيات الطاقة الصفرية على قدرتها التنافسية الاقتصادية، ويسهم البحث الديناميكي الحراري في تحديد أكثر الطرق كفاءة، ولكن خفض التكاليف يتطلب أيضا الابتكار الصناعي، وتحقيق الاستخدام الأمثل لسلسلة الإمداد، والتعلم من النشر، فمع ظهور المزيد من المشاريع على الإنترنت، ستنخفض التكاليف، مما يجعل القوة النظيفة خيارا غير مقصود، ويجب على واضعي السياسات والصناعة التعاون من أجل إنشاء دورة نشطة للاستثمار والبحث والنشر.
وفي الختام، فإن البحث في مجال الديناميات الحرارية ليس مجرد بحث أكاديمي وإنما ضرورة عملية لهندسة مستقبل للطاقة الصفرية، بل إن التحديات كبيرة، ولكن الفرص أكبر، إذ إن الباحثين، بدفعهم إلى الحد من الكفاءة والمواد وتكامل النظم، يهيئون الأساس لنظام الطاقة المستدامة الذي يمكن أن يُهيّئ الكوكب دون المساس بالبيئة، وسيؤدي استمرار الاستثمار في البحوث الأساسية التي تجريها تجارة الموارد، إلى جانب الدعم القوي في مجال السياسات.