إعادة توجيه الطاقة الحرارية: التحكم في مناخ المنزل، مواقف السيارات، والحوسبة

قد يصل سوق تخزين الطاقة الحرارية العالمي إلى US$8 billion في 2030 من حجم US$4.4 billion في 2022، وهو معدل نمو سنوي مركب (CAGR) يقارب 7.7٪. الطلب المتزايد على التخزين يشير إلى استخدام مستمر متزايد للطاقة الحرارية. 

لكن ما هي الطاقة الحرارية بالضبط، وكيف نخزنها؟ سنغوص أعمق في الفقرات القادمة للوصول إلى جوهر هذه الأسئلة لرؤية كيف تُنشئ الطاقة الحرارية نماذج استخدام طاقة فعّالة لاحتياجات عالمنا الحديث.

الموجز التاريخي للطاقة الحرارية

تعود تاريخ التعرف على الطاقة الحرارية وإمكاناتها إلى عام 1847. الفضل يعود إلى الفيزيائي والرياضياتي الإنجليزي العالمي الشهرة جيمس بريسكوت جول.

ببساطة، اكتشف جول العلاقة بين الحرارة والطاقة الميكانيكية ليصل في النهاية إلى قانون حفظ الطاقة، المعروف أيضًا بالقانون الأول للديناميكا الحرارية. ينص القانون على أن الطاقة يمكن تحويلها من شكل إلى آخر ولكن لا يمكن خلقها أو تدميرها.

كيف وصل العالم جول إلى هذا الاستنتاج الثوري كان تجربة مثيرة يمكن أن تساعدنا على فهم طبيعة ما نعرفه اليوم كطاقة حرارية.

في تجربته، قاس جول كمية العمل التي يجب أن يقوم بها محرك كهربائي لرفع درجة حرارة حجم معين من الماء بمقدار درجة واحدة. كما قاس الزيادة في درجة حرارة الماء عندما مر عبر أسطوانة مثقوبة والحرارة المتولدة عند ضغط غاز.

خلال بحثه، اكتشف أن كمية الطاقة الميكانيكية المطبقة على السائل كانت دائمًا مساوية للطاقة الحرارية المتولدة، مما يشير إلى أن إعادة توجيه الطاقة ممكنة من شكل إلى آخر.

بمعنى أوسع، قدمت التجربة الكثير عن كوننا ونظام الطاقة في الكون. أظهرت، والأهم من ذلك، أن إجمالي الطاقة في الكون يبقى ثابتًا، مع تحويل شكل واحد من الطاقة إلى شكل آخر.

أدت اكتشافات جول إلى ولادة فرع كامل من الدراسة يُعرف بالديناميكا الحرارية. لقد رأينا القانون الأول من هذا النموذج بالفعل. لديه ثلاثة قوانين أخرى. هذه القوانين الأربعة الأساسية تحدد معالم الديناميكا الحرارية التي تتعامل مع الحرارة والعمل ودرجة الحرارة وكيف تؤثر تفاعلاتها على مفاهيم الطاقة والإشعاع والخصائص الفيزيائية للمادة.

من الضروري فهم الديناميكا الحرارية إذا أردنا استيعاب إمكانات الطاقة الحرارية والطرق التي يمكن أن تساعد بها عملياتنا. في جوهرها، تشرح الديناميكا الحرارية كيف تتحول الطاقة الحرارية إلى أشكال أخرى والعكس. تأتي الطاقة الحرارية من الحرارة الناتجة عن حركة الجسيمات داخل جسم ما. كلما زادت سرعة الحركة، زادت الحرارة المتولدة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم للطاقة المتجددة.

العلم وراء توليد الطاقة الحرارية: التوصيل، الحمل، الإشعاع

تولد الجسيمات أو الجزيئات المتحركة الحرارة. ولكن هناك على الأقل ثلاث طرق يمكن من خلالها لهذه الحركات توليد الحرارة.

في عملية التوصيل، تُولد الحرارة من حركة الجسيمات المكوّنة دون تحرك الجسم. مثال واقعي لتوليد الحرارة عبر التوصيل هو ارتفاع درجة حرارة ملعقة من الفولاذ المقاوم للصدأ عندما تُوضع داخل وعاء الطهي لفترة من الوقت بينما لا يزال الوعاء يُسخّن من الأسفل.

عملية الحمل هي حيث يحدث نقل الطاقة بين سطح صلب وسائل أو غاز متحرك. تسخين الماء بوضعه داخل مقلاة وتطبيق الحرارة مباشرة على المقلاة هو مثال على عملية الحمل لنقل الطاقة.

أخيرًا، في عملية الإشعاع، لتبادل الحرارة أو الطاقة الحرارية، لا تحتاج جسمان أو مادة إلى أن تكونا على اتصال ببعضهما. مثال نموذجي لهذه العملية هو إذابة الثلج بوضع مصباح متوهج بالقرب منه. رغم أن المصباح والثلج لا يلمسان بعضهما، إلا أن الثلج يذوب.

بينما هذه الطرق وراء توليد الطاقة الحرارية غير مرئية للعين البشرية ولا يمكن إدراكها إلا من خلال ملاحظتها في تجلياتها الخارجية أو الفيزيائية، فإن أمثلة الطاقة الحرارية غالبًا ما تكون سهلة التعرف عليها أثناء تفاعلنا مع الكثير منها.

على سبيل المثال، الإشعاع الشمسي يسخّن غلافنا الجوي، ونحن نشعر بالحرارة نتيجة لذلك. بالمثل، هناك أيضًا الطاقة الجوفية، وهي حرارة شديدة التدفق باستمرار من أعماق الأرض. تحلل العناصر المشعة الموجودة في الصخور هو المصدر الرئيسي لهذا النوع من الحرارة. ثم هناك سطح مياه البحر، الذي يمتلك قدرة هائلة لتخزين الطاقة الحرارية بسبب تعرضه مباشرة لأشعة الشمس لفترة طويلة. خلايا الوقود أيضًا تساعد في استغلال الطاقة المتولدة من الطاقة الحرارية.

إعادة توجيه الطاقة الحرارية: الجهود حول العالم

من حيث المبدأ، تتحول الطاقة من شكل إلى آخر. لذا فإن إعادة توجيه الطاقة تتماشى مع مبادئ علمنا الطبيعي. إنها طريقة فعّالة لاستغلال الإمكانات الحقيقية للطاقة بتجاوز تطبيقها الفوري. سنستعرض بعض أمثلة إعادة توجيه الطاقة الحرارية.

الطاقة الحرارية المتولدة في مواقف السيارات تحت الأرض لتسخين المياه الجوفية

قامت فريق من الباحثين من جامعة مارتن لوثر هاله-فيتنبرغ (MLU)، ومعهد كارلسروه للتقنية، وجامعة بازل بإجراء دراسة متعمقة على 31 موقفًا للسيارات تحت الأرض في مدن بألمانيا، النمسا، وسويسرا.

في ستة من هذه المواقع، قاموا أيضًا بقياس درجة حرارة المياه الجوفية القريبة. من خلال ملفات الحرارة التي أعدوها، توصلوا إلى استنتاج أن مواقف السيارات تحت الأرض تسخّن المياه الجوفية باستمرار طوال العام. من المهم ملاحظة أن هذه الحرارة تنبع أساسًا من محركات السيارات المتوقفة.

ماكسيميليان نوثن، عالم جيولوجيا من MLU، شرح، “مواقف السيارات العامة تحت الأرض تسهم أكثر في تسخين المياه الجوفية مقارنة بالمواقف الخاصة، لأنها غالبًا ما تكون أعمق وتُركن فيها السيارات لفترات أقصر.”

أشار الباحثون أيضًا إلى إمكانية إعادة توجيه هذه الطاقة الحرارية. على سبيل المثال، يمكن للطاقة السنوية المتولدة من مواقف السيارات تحت الأرض في برلين، التي تقارب 0.65 بيتاجول، نظريًا أن تزود ما يقرب من 14,660 منزلًا بالحرارة.

إعادة توجيه حرارة الأجهزة الإلكترونية

هذه الدراسة جاءت من الفيزيائيين العاملين في جامعة مارتن لوثر هاله-فيتنبرغ (MLU) وجامعة جنوب الصين المركزية في الصين. تقترح الدراسة جدوى استخدام الحرارة المتولدة في الأجهزة التقنية للحوسبة. كل ما يلزم هو دمج مواد معينة.

تسخّن الأجهزة الإلكترونية بسبب التيار الكهربائي المتدفّق عبرها. تتبدد هذه الحرارة وتفقد في العملية. وفقًا للدكتور جمال بيراكدار، أستاذ الفيزياء في MLU، “لعدة عقود، يبحث الناس عن طرق لإعادة استخدام هذه الطاقة الضائعة في الإلكترونيات.”

تقترح الطريقة الجديدة لإعادة توجيه الحرارة استخدام شرائط مغناطيسية غير موصلة بدلاً من الدوائر الإلكترونية التقليدية بالتعاون مع فواصل معدنية عادية. “تقنيتنا يمكن أن تسهم في توفير الطاقة في تقنية المعلومات من خلال الاستفادة الجيدة من الحرارة الفائضة،” يوضح بيراكدار.

بطاريات الملح لتخزين الحرارة

هذا البحث هو تطور حديث حيث أن كاتبة الرسالة، الباحثة في الدكتوراه بجامعة رادبورد ليان بليفلينس، على وشك الدفاع عن بحثها حول فائدة الملح لتخزين الحرارة. الملح المقصود ليس النوع الشائع على المائدة بل أنواع مثل كلوريد السترونتيوم.

جوهر دراسة بليفلينس هو بطارية الملح، المصممة لتخزين هيدرات الملح والملح المحتوي على ماء في شكل بلوري. إعادة شحن هذه البطارية يتضمن تسخين الملح، مما يطرد الماء من البلورات.

“عندما تحتاج إلى الحرارة، تضيف بخار الماء إلى البلورات، وتُطلق الحرارة مرة أخرى,” تختتم بليفلينس.

مع هذه الأوراق البحثية التي تُظهر جوًا مزدهرًا للابتكار في هذا المجال، تساعد بعض الحلول على إعادة توجيه الطاقة الحرارية على نطاق مؤسسي. سنناقش بعض مزودي الحلول في الفقرات التالية.

مزودي حلول إعادة توجيه الطاقة: النطاق المؤسسي

#1. Calefa

Calefa هي شركة فنلندية تقدم حلولًا جاهزة لإعادة تدوير الحرارة. تشمل عروضها محطة مضخة حرارية AmbiHeat المعيارية. تستخدم مصادر الطاقة المحيطة وأنظمة التجديد لإعادة تدوير الحرارة الضائعة. بما أننا ذكرنا مضخات الحرارة كحل، فمن المناسب شرح باختصار لماذا تُعتبر خيارًا رئيسيًا للتحكم في مناخ المنزل.

مضخات الحرارة هي أجهزة تحكم مناخية متعددة الوظائف تنقل الحرارة من موقع إلى آخر. لا تُولد حرارة، بل تنقلها فقط، مما يجعلها خيارًا فعالًا في استهلاك الطاقة لتدفئة أو تبريد المنزل. في الشتاء، تستخرج هذه المضخات الحرارة من الخارج وتنقلها إلى الداخل. في الصيف، يحدث العكس.

وفقًا لـ البيانات المنشورة من قبل المنظمة، Calefa، خلال العشر سنوات الماضية، قامت بتسليم ما يقرب من 200 نظام طاقة يستخدم الحرارة الضائعة أو الطاقة المحيطة. ساعدت في توفير أكثر من US$34 مليون من الناحية المالية، ما يقرب من 650,000 ميغاواط ساعة من الطاقة، وأكثر من 142 مليون كيلوجرام من ثاني أكسيد الكربون في الانبعاثات المخفضة.

#2. Heata

Heata، شركة ناشئة مبتكرة مقرها المملكة المتحدة، جاءت بفكرة استخدام الحرارة المتولدة من الحواسيب لتوفير ماء ساخن مجاني. انطلقت الشركة كمشروع مشروع ابتكار مع British Gas، لمساعدة الأشخاص الذين يعيشون في نقص الوقود أو فقر الوقود.

قاموا بفحص مجال البلوك تشين وتعرفوا على كميات الطاقة الكبيرة التي يستخدمها عمال مناجم البيتكوين وكذلك كميات الحرارة الضائعة الكبيرة التي ينتجونها في العملية. لإعادة توجيه هذه الحرارة، غمر فريق Heata جهاز التعدين في زيت معدني وربطه بمشع لتجربة جدوى فكرتهم.

بعد أن وجدوا أن الفكرة قابلة للتنفيذ، أدخلوا أسطوانات ماء ساخن حيث يكون الطلب ثابتًا إلى حد ما طوال العام. كما انتقلوا من تعدين البيتكوين إلى الحوسبة العامة لدعم جهود خفض الكربون في هذه الصناعة.

تأسست في عام 2017 ومقرها في غودالمينغ، ساري، المملكة المتحدة، Heata تمكّن الشركات من تقليل بصمتها الكربونية وتوفر للأسر ما يصل إلى £450 سنويًا على فواتير الطاقة. جمعت الشركة تمويلًا أوليًا بقيمة مليون جنيه إسترليني في أكتوبر من هذا العام.

إعادة توجيه حرارة مراكز البيانات

لاحظ المنتدى الاقتصادي العالمي شركات التكنولوجيا التي تستفيد من مراكز بياناتها – التي تحتضن خوادمها – لتسخين المنازل وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. تسهّل عدة مبادرات هذه العملية، ووفقًا لـ International Data Corporation، قد يصل حجم سوق تسخين مراكز البيانات إلى US$2.5 billion بحلول عام 2025.

Stockholm Data Parks هي إحدى المبادرات في السويد التي تساعد على تدفئة المنازل من خلال استغلال الحرارة الضائعة التي تولدها مراكز بيانات ستوكهولم. بطموح كبير، تخطط المبادرة لتلبية 10٪ من احتياجات التدفئة الكاملة لستوكهولم بهذه الطريقة بحلول عام 2035. ومع تكرار هذا الإمكان على نطاق أوسع، يشير معهد التفكير Energy Innovation إلى أن أكبر مراكز البيانات يمكنها توليد أكثر من 100 ميجاواط من الطاقة، وهو ما يكفي لتزويد 80,000 منزل.
Switch Datacenters هي شركة أخرى مقرها هولندا قامت بتقليل اعتمادها على الغاز الطبيعي، مستبدلة وحدات مولدات الغاز بتدفئة مراكز البيانات. وفقًا للمدير التنفيذي للشركة، من الممكن توصيل ما يصل إلى 97٪ من حرارة الخوادم إلى المنازل والمكاتب عبر هذا النظام.

المستقبل: عملاق التكنولوجيا العالمي مايكروسوفت يخطو الخطوة

تعاونت مايكروسوفت مع Fortum، شركة فنلندية، لتسخين آلاف المنازل في هلسنكي، ومع إثبات فاعلية التعاون، تتوقع Fortum أن يساعد حلها في تدفئة 40٪ من منازل هلسنكي.

مع تعزيز التزامهما بالاستدامة، قررت مايكروسوفت الآن تشغيل مركزَي بيانات جديدين في هلسنكي باستخدام الطاقة المتجددة، وهو قرار من المتوقع أن يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية بمقدار 400,000 طن.

ومع ذلك، هذه المبادرة البيئية ليست سوى جانب واحد من تأثير مايكروسوفت العالمي. الشركة، المشهورة عالميًا، أبلغت عن US$211 billion من الإيرادات في السنة المالية 2023 ودخل تشغيلي يزيد عن US$88 billion. إن مشاركة مايكروسوفت في جهود إعادة توجيه الطاقة الحرارية لا تبرز فقط التزامها بالاستدامة بل تمنح هذه الجهود رؤية ومرونة كبيرة.

الآن، بالعودة إلى القانون الأول للديناميكا الحرارية مرة أخرى. تُستغل الطاقة بأفضل شكل عندما تُوجه الجهود إلى تحويلها من شكل إلى آخر. إعادة توجيه الطاقة الحرارية خطوة فعّالة نحو ذلك. لا يوجد سبب يمنعها من تحقيق نمو كبير في الاعتماد في السنوات القادمة.