الحرارة المهدرة

تُعرَّف الكفاءة الكهربائية لمحطات الطاقة الحرارية بأنها النسبة بين الطاقة المُدخلة والطاقة المُخرجة. وعادةً ما تكون 33% فقط عند إغفال فائدة الطاقة الحرارية المُخرجة لتدفئة المباني. ^{[ 10 ]} تُظهر الصور أبراج التبريد ، التي تُمكّن محطات الطاقة من الحفاظ على الجانب المنخفض من فرق درجة الحرارة الضروري لتحويل فروق الحرارة إلى أشكال أخرى من الطاقة. ويمكن بدلاً من ذلك الاستفادة من الحرارة المُهدرة أو "المُفقودة" التي تُفقد في البيئة.

تُعد العمليات الصناعية، مثل تكرير النفط وصناعة الصلب وصناعة الزجاج، مصادر رئيسية للحرارة المهدرة. ^{[ 11 ]}

تُستعاد الحرارة المهدرة بشكل متكرر في إنتاج البخار. ففي العديد من المنشآت الصناعية وأنظمة توليد الطاقة، تحتوي غازات العادم ذات درجة الحرارة العالية الناتجة عن التوربينات الغازية ومحركات الاحتراق الداخلي والأفران الصناعية وغيرها من العمليات الحرارية على طاقة متبقية كافية لتوليد البخار من خلال التبادل الحراري. وتقوم أجهزة مثل غلايات استعادة الحرارة المهدرة ومولدات البخار لاستعادة الحرارة (HRSGs) بنقل الطاقة الحرارية من تيارات العادم إلى الماء، مما ينتج البخار دون احتراق وقود زائد. ^{[ 12 ]}

في محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة ، تُوجَّه الحرارة المنبعثة من التوربين الغازي إلى مولد بخار لاستعادة الحرارة، حيث تُنتج البخار اللازم لتشغيل توربين بخاري ثانوي ، مما يزيد من كفاءة المحطة الإجمالية. وتُستخدم أنظمة مماثلة في أنظمة الدفع البحري، ومصافي النفط، ومصانع الكيماويات، ومصانع الصلب، حيث تُحوِّل غلايات غاز العادم الحرارة المهدرة إلى بخار صناعي.

يمكن استخدام البخار المُستعاد لتوليد الكهرباء، والعمليات الصناعية، والتدفئة المركزية، أو غيرها من التطبيقات الحرارية. يُحسّن استعادة الحرارة المهدرة لتوليد البخار كفاءة الطاقة الإجمالية ويقلل من استهلاك الوقود والانبعاثات المصاحبة له.

على الرغم من صغر حجمها من حيث الطاقة، إلا أن التخلص من الحرارة المهدرة من الرقائق الإلكترونية والمكونات الإلكترونية الأخرى يمثل تحديًا هندسيًا كبيرًا. وهذا يستلزم استخدام المراوح والمشتتات الحرارية وغيرها للتخلص من الحرارة.

فعلى سبيل المثال، تستخدم مراكز البيانات مكونات إلكترونية تستهلك الكهرباء للحوسبة والتخزين والشبكات. ويشرح المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS) أن مركز البيانات يشبه المقاوم، وأن معظم الطاقة التي يستهلكها تتحول إلى حرارة، مما يستلزم أنظمة تبريد. ^{[ 13 ]}

ينتج البشر، مثل جميع الحيوانات، الحرارة نتيجة لعملية التمثيل الغذائي . في الظروف الدافئة، تتجاوز هذه الحرارة المستوى المطلوب للحفاظ على التوازن الداخلي في الحيوانات ذوات الدم الحار ، ويتم التخلص منها عن طريق طرق تنظيم الحرارة المختلفة مثل التعرق واللهاث . ^{[ 14 ]}

توجد العديد من الطرق المختلفة لتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء، وقد وُجدت التقنيات اللازمة لذلك منذ عدة عقود.

يتمثل أحد الأساليب الراسخة في استخدام جهاز كهروحراري ، ^{[ 15 ]} حيث يؤدي التغير في درجة الحرارة عبر مادة أشباه الموصلات إلى توليد جهد كهربائي من خلال ظاهرة تُعرف باسم تأثير سيبك .

ثمة نهج ذو صلة يتمثل في استخدام الخلايا الكهروكيميائية الحرارية ، حيث يؤدي اختلاف درجة الحرارة إلى توليد تيار كهربائي في الخلية الكهروكيميائية. ^{[ 16 ]}

تُعدّ دورة رانكين العضوية ، التي تُقدّمها شركات مثل أورمات ، نهجًا معروفًا جدًا، حيث تُستخدم مادة عضوية كسائل عامل بدلًا من الماء. وتكمن فائدة هذه العملية في قدرتها على تبديد الحرارة عند درجات حرارة أقل لإنتاج الكهرباء مقارنةً بدورة البخار التقليدية. ^{[ 17 ]} ومن الأمثلة على استخدام دورة رانكين البخارية محرك الإعصار لاستعادة الحرارة المهدرة .

يُقلل استخدام نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة (CHP) من هدر الحرارة الناتجة عن المنتجات الثانوية . وتنشأ القيود المفروضة على استخدام هذه الحرارة بشكل أساسي من تحديات التكلفة الهندسية وكفاءة استغلال فروق درجات الحرارة الطفيفة لتوليد أشكال أخرى من الطاقة. تشمل التطبيقات التي تستخدم الحرارة المهدرة تدفئة حمامات السباحة ومصانع الورق . في بعض الحالات، يمكن أيضًا إنتاج التبريد باستخدام ثلاجات الامتصاص ، على سبيل المثال، وفي هذه الحالة يُطلق عليه التوليد الثلاثي أو نظام التوليد المشترك للتبريد والحرارة والطاقة (CCHP).

يمكن استخدام الحرارة المهدرة في التدفئة المركزية . وبحسب درجة حرارة الحرارة المهدرة ونظام التدفئة المركزية، يلزم استخدام مضخة حرارية للوصول إلى درجات الحرارة المطلوبة. تُعدّ هذه المضخات طريقة سهلة واقتصادية لاستخدام الحرارة المهدرة في أنظمة التدفئة المركزية الباردة ، إذ تعمل هذه الأنظمة عند درجات حرارة محيطة، وبالتالي يمكن استخدام حتى الحرارة المهدرة منخفضة الجودة دون الحاجة إلى مضخة حرارية في موقع الإنتاج. ^{[ 18 ]} وتُعتبر الدنمارك رائدة في مجال استعادة الحرارة المهدرة، حيث تعيد المدن استخدام الحرارة الزائدة من مصادر متنوعة، بما في ذلك مصانع الإسمنت وحتى المحارق، وتُعيد توجيهها إلى شبكة التدفئة المركزية. ^{[ 19 ]}

يمكن استغلال الحرارة المهدرة لتسخين السوائل والأجسام الداخلة قبل تسخينها بدرجة عالية. على سبيل المثال، يمكن للماء الخارج أن ينقل حرارته المهدرة إلى الماء الداخل في مبادل حراري قبل تسخينه في المنازل أو محطات توليد الطاقة .

يُعدّ تأثير الحرارة البشرية المنشأ ضئيلاً على درجات الحرارة في المناطق الريفية، ويزداد أهميةً في المناطق الحضرية المكتظة. ^{[ 23 ]} وهي أحد العوامل المساهمة في ظاهرة الجزر الحرارية الحضرية . أما التأثيرات الأخرى التي يتسبب بها الإنسان (مثل تغيرات البياض ، أو فقدان التبريد التبخيري) والتي قد تُسهم في ظاهرة الجزر الحرارية الحضرية، فلا تُعتبر حرارة بشرية المنشأ وفقًا لهذا التعريف.

يُعدّ الحرارة الناتجة عن الأنشطة البشرية مساهماً أقل بكثير في ظاهرة الاحتباس الحراري مقارنةً بالغازات الدفيئة . ^{[ 24 ]} في عام 2005، لم تتجاوز نسبة تدفق الحرارة المهدرة الناتجة عن الأنشطة البشرية على مستوى العالم 1% من إجمالي تدفق الطاقة الناتج عن الغازات الدفيئة. ولا يتوزع تدفق الحرارة بالتساوي، إذ تختلف مستوياته من منطقة لأخرى، وتزداد بشكل ملحوظ في بعض المناطق الحضرية. فعلى سبيل المثال، بلغ التأثير الحراري العالمي الناتج عن الحرارة المهدرة في عام 2005 ما مقداره 0.028 واط/م² ^، بينما بلغ +0.39 و+0.68 واط/م² ^في الولايات المتحدة القارية وأوروبا الغربية على التوالي. ^{[ 25 ]}

على الرغم من ثبوت تأثير الحرارة المهدرة على المناخات الإقليمية، ^{[ 26 ]} إلا أن تأثيرها على المناخ لا يُحسب عادةً في أحدث نماذج محاكاة المناخ العالمي. تُظهر تجارب مناخ التوازن ارتفاعًا ملحوظًا إحصائيًا في درجة حرارة سطح الأرض على نطاق قاري (0.4-0.9  درجة مئوية) في سيناريو واحد لانبعاثات الحرارة البشرية المنشأ لعام 2100، ولكن ليس في التقديرات الحالية أو لعام 2040. ^{[ 25 ]} تُظهر تقديرات بسيطة على نطاق عالمي، بمعدلات نمو مختلفة للحرارة البشرية المنشأ ^{[ 27 ]} والتي تم تحديثها مؤخرًا ^{[ 28 ]} ، مساهمات ملحوظة في الاحتباس الحراري العالمي خلال القرون اللاحقة. على سبيل المثال، أدى معدل نمو سنوي قدره 2% للحرارة المهدرة إلى زيادة قدرها 3 درجات كحد أدنى لعام 2300. وقد تم تأكيد ذلك من خلال حسابات نموذجية أكثر دقة. ^{[ 29 ]}

أظهرت ورقة علمية صدرت عام 2008 أنه إذا استمرت انبعاثات الحرارة الناتجة عن الأنشطة البشرية في الارتفاع بالمعدل الحالي، فستصبح مصدراً للاحترار بقوة انبعاثات غازات الدفيئة في القرن الحادي والعشرين. ^{[ 30 ]}