حرارة العملية

تشير حرارة العمليات إلى تطبيق الحرارة أثناء العمليات الصناعية . ^{[ 1 ]} يُستخدم شكل من أشكال حرارة العمليات في تصنيع العديد من المنتجات الشائعة، من الخرسانة إلى الزجاج إلى الفولاذ إلى الورق . وعند توفر منتجات ثانوية أو نفايات من العملية الصناعية ككل، تُستخدم غالبًا لتوفير حرارة العمليات. ومن الأمثلة على ذلك السائل الأسود في صناعة الورق أو تفل قصب السكر في معالجة قصب السكر.

يشمل التسخين الصناعي مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك غلي الماء، والطهي، والتقطير ، والتلدين، والتشكيل. ^{[ 2 ]} تتفاوت درجة الحرارة المطلوبة للعملية بشكل كبير، حيث تتطلب حوالي نصف العمليات الصناعية درجات حرارة تشغيل أعلى من 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) . لا يمكن عادةً توفير هذه العمليات ذات درجات الحرارة العالية إلا من مصادر مخصصة مثل الغاز الطبيعي أو الفحم ، على الرغم من شيوع التسخين المسبق من مصادر أخرى لتقليل استهلاك الوقود. أما العمليات التي تعمل عند درجات حرارة أقل من المتوسط ، فيمكنها الاستفادة من مجموعة أوسع من المصادر، بما في ذلك الحرارة المهدرة من عمليات أخرى في نفس العملية الصناعية. من الناحية النظرية، يُعد التسخين المقاوم مصدرًا محتملاً للحرارة الصناعية، ولكن على الرغم من أنه يحول ما يقرب من 100% من الكهرباء المُزوَّدة إلى حرارة، فمن الواضح أنه أقل كفاءة من حرق الوقود في محطة توليد الطاقة الحرارية لإنتاج الكهرباء ثم استخدامها في التسخين الصناعي، مقارنةً باستخدام الوقود مباشرةً. لذا، لا يُستخدم هذا المصدر للحرارة إلا في حال توفر الكهرباء من مصادر غير حرارية (مثل الطاقة الكهرومائية ) بأسعار زهيدة ووفرة. تتميز المضخات الحرارية ، الشائعة الاستخدام في تدفئة المنازل وتسخين المياه وغيرها من تطبيقات التدفئة التي تقل درجة حرارتها عن 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت)، بكفاءة كارنو منخفضة للغاية عند فروق درجات الحرارة الكبيرة بين طرفي العملية "الساخن" و"البارد"، مما يجعلها غير مجدية. بعض العمليات، مثل التحليل الكهربائي للأملاح المنصهرة ، توفر الحرارة اللازمة للعملية باستخدام نفس الكهرباء المستخدمة للحفاظ على استمرار التفاعل الماص للحرارة .    

يُوصَف الحر عادةً بـ"درجة"، حيث تتميز درجات الحرارة الأعلى بدرجة "أعلى". وذلك لأن الحرارة تنتقل بطبيعتها من الساخن إلى البارد، وبالتالي يُمكن دائمًا استخدام مصدر حرارة ذي درجة حرارة عالية لتطبيقات ذات درجات حرارة منخفضة، ولكن ليس العكس. ولأن إنتاج الحرارة ذات الدرجة العالية أكثر صعوبة وتكلفة، ولأن المواد ذات مقاومة حرارية محدودة، تُبذل جهود لخفض درجات حرارة التشغيل قدر الإمكان باستخدام المحفزات والمواد المساعدة على الصهر . في تفاعلات التوازن ، حيث تُعد درجة الحرارة أحد العوامل المؤثرة في التوازن، يُمكن تقليل متطلبات درجة الحرارة عن طريق إزالة النواتج المطلوبة في عملية مستمرة . على سبيل المثال، إذا كان تفاعل التوازن بين AB وCD ينتج عنه AC وBD، وكان من الممكن إزاحة التوازن نحو اليمين بزيادة درجة الحرارة، فإن الإزالة المستمرة لـAC أو BD من التفاعل تُسهم في تقليل متطلبات درجة الحرارة (انظر مبدأ لو شاتيليه ). ومع ذلك، توجد حدود لذلك، لأن سرعة التفاعل تعتمد أيضًا على درجة الحرارة. يمكن أن تعمل المحفزات على زيادة سرعة التفاعل عند أي درجة حرارة معينة، لكنها بحكم تعريفها لا تغير حالة التوازن.

بحسب وزارة الطاقة الأمريكية ، شكّلت حرارة العمليات الصناعية في عام 2018 ما يقارب 50% من استهلاك الطاقة في قطاع التصنيع، فضلاً عن 30% من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، وهي المصدر الأهم لاستهلاك الطاقة في القطاع الصناعي عموماً. ^{[ 1 ]} وعليه، تُبذل جهود حثيثة لإدخال أشكال جديدة من مصادر حرارة العمليات الصناعية المحايدة للكربون أو على الأقل منخفضة الكربون.

تُستخدم بعض النفايات، بما في ذلك إطارات السيارات المستعملة ، كوقود بديل أو تُخلط مع الوقود التقليدي بنسب مناسبة. ^{[ 3 ]} وقد استُخدمت عدة مفاعلات نووية لإنتاج الحرارة اللازمة للعمليات الصناعية بالإضافة إلى الكهرباء، وكان اثنان منها يعملان حتى عام 2012. ^{[ 4 ]} وتشمل مصادر الطاقة الأخرى المحتملة منخفضة الكربون الكتلة الحيوية ، والتي تُستخدم بالفعل على نطاق واسع في الصناعة، بينما لا تزال الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية المركزة في طور التجربة حتى عام 2024.

وفرت المفاعلات النووية الحرارة اللازمة للعمليات الصناعية في مناسبات عديدة، إلا أن ذلك لم يتحقق على نطاق واسع. وقد زودت عدة مفاعلات من طراز كاندو البخار للاستخدام الصناعي حتى عام 1998. ^{[ 4 ]} إحدى المشكلات المتعلقة باستخدام الطاقة النووية لتوفير الحرارة اللازمة للعمليات الصناعية هي أن مفاعلات الماء المضغوط ، الشائعة الاستخدام لتوليد الطاقة الكهربائية، تعمل عند درجة حرارة أقل بكثير من 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) ^{[ 5 ]} ، بينما تعمل مفاعلات الماء المغلي عند درجات حرارة أقل، حوالي 285 درجة مئوية (545 درجة فهرنهايت) . ^{[ 6 ]}    

قد تكون تصاميم المفاعلات الأخرى، ولا سيما مفاعلات الغاز عالية الحرارة (HTGR)، أكثر ملاءمة لتوليد الحرارة اللازمة للعمليات الصناعية. وقد صُممت مفاعلات الغاز المتقدمة ، التي شُيدت في المملكة المتحدة ، بحيث تصل درجة حرارة مخرج سائل التبريد فيها إلى 610 درجة مئوية (1130 درجة فهرنهايت) كهدف تصميمي صريح لزيادة الكفاءة الحرارية. واختار المنتدى الدولي للجيل الرابع مفهوم مفاعل درجة الحرارة العالية جدًا ، وهو تطوير لتصاميم مفاعلات الغاز عالية الحرارة (HTGR) يعمل بدرجة حرارة أعلى، لمزيد من التطوير كجزء من أنظمة الطاقة النووية المستقبلية. وتحظى تصاميم المفاعلات المعيارية الصغيرة باهتمام خاص ، إذ يمكن بناؤها في الموقع لتوليد الحرارة اللازمة للعمليات الصناعية. ويتميز مفاعل HTR-PM الصيني ، وهو مفاعل غاز _{عالي الحرارة} (HTGR) بقدرة 250 ميغاواط حراري ، بدرجة حرارة مخرج تبلغ 750 درجة مئوية (1380 درجة فهرنهايت) . ^{[ 7 ]} وحتى عام 2024، كان هذا المفاعل المعياري الصغير الوحيد عالي الحرارة الذي لا يزال قيد التشغيل.     

تُطوّر شركة X-energy ، وهي شركة أمريكية متخصصة في تطوير المفاعلات النووية، مفاعلات HTGR معيارية لتوليد الحرارة اللازمة للعمليات الصناعية. وتتعاون الشركة مع شركة داو كيميكال لاستبدال محطة التوليد المشترك للطاقة التي تعمل بالغاز الطبيعي في موقع سيدريفت التابع لشركة داو بمحطة طاقة نووية. ويخضع المشروع، المسمى محطة لونغ موت لتوليد الطاقة ، حاليًا للمراجعة من قبل هيئة التنظيم النووي الأمريكية اعتبارًا من عام 2026. ^{[ 8 ]}

في عام 2026، افتتحت وزارة الطاقة الذرية الهندية محطة تجريبية لإنتاج الهيدروجين في مفاعل الاختبار السريع للمولدات في كالباكام . وتُعد هذه المحطة الأولى من نوعها التي تستخدم حرارة العمليات النووية لإنتاج الهيدروجين. ^{[ 9 ] [ 10 ]} تستخدم المحطة التجريبية دورة كيميائية حرارية جديدة للنحاس والكلور، تتطلب حرارة تتراوح بين 450 درجة مئوية (842 درجة فهرنهايت) و 550 درجة مئوية (1022 درجة فهرنهايت) . ويُعد هذا النطاق الحراري أنسب لدرجات حرارة مخرجات المفاعلات النووية الحالية مقارنةً بالدورات الأخرى التي تتطلب درجات حرارة تتجاوز 800 درجة مئوية (1470 درجة فهرنهايت) . ^{[ 10 ]}      

وبالمثل، غالباً ما تتميز مصادر الحرارة الجوفية بدرجات حرارة منخفضة نسبياً، وقد تتطلب أحياناً دورات ثنائية لتوليد الكهرباء. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

يُعدّ استبدال الوقود الأحفوري المستخدم حاليًا بوقود مُشتق من تقنية تحويل الطاقة إلى مواد أخرى ( Power to X ) حلاً مؤقتًا لإزالة الكربون، ولكنه ينطوي على زيادة في التكاليف (مع تجاهل تسعير الكربون ) وانخفاض في كفاءة دورة الطاقة . ورغم أن هذا النهج يتميز بإمكانية استخدامه مع التقنيات الحالية مع تعديلات طفيفة أو بدون أي تعديلات، إلا أنه أقل كفاءة حتى من التسخين المقاوم، نظرًا لأن العمليات الكيميائية اللازمة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى وقود اصطناعي أقل كفاءة من التسخين المقاوم. مع ذلك، في العمليات التي يوفر فيها الوقود الحرارة ووظيفة كيميائية في آنٍ واحد (مثل استخدام فحم الكوك كعامل مُختزل في صناعة الصلب)، قد يكون وقود Power to X البديل الوحيد المُجدي منخفض الكربون لبعض الوقت. وغالبًا ما يُقترح الهيدروجين المُستخلص عبر عمليات مثل التحليل الكهربائي للماء كبديل لمصادر الحرارة الحالية في العمليات الصناعية. يُستخدم الهيدروجين على نطاق واسع في الصناعة اليوم، ولكنه يُستخرج في الغالب من الوقود الأحفوري عبر عمليات مثل إعادة تشكيل البخار اعتبارًا من عام 2022. ونظرًا لأن بعض العمليات المقترحة لإنتاج الهيدروجين، مثل دورة الكبريت واليود، تتطلب درجات حرارة عالية، فإن جدواها في توليد الهيدروجين كوقود لحرارة العمليات، بدلاً من الاستخدام المباشر للحرارة اللازمة للعملية، تبدو موضع شك.

• توليدانو، إيلان (16 مايو 2016). "التسخين في عمليات التصنيع 101" . المعالجة .
• "الحرارة المتجددة في العمليات الصناعية" . وكالة حماية البيئة . 28 أكتوبر 2014. مؤرشف من الأصل في 14 مايو 2015.