بمرور الوقت ، تزداد حاجة البشرية للطاقة . وبمرور الوقت تزداد مشاكل البشرية تعقيداً بسبب من النزاعات والحروب حول مصادر الطاقة . وبمرور الوقت تزداد مشاكل البشرية تعقيداً نتيجة التلوث جراء استخدام مصادر الطاقة الاحفورية القابلة للنضوب. نسي الانسان أو تن
بمرور الوقت ، تزداد حاجة البشرية للطاقة . وبمرور الوقت تزداد مشاكل البشرية تعقيداً بسبب من النزاعات والحروب حول مصادر الطاقة . وبمرور الوقت تزداد مشاكل البشرية تعقيداً نتيجة التلوث جراء استخدام مصادر الطاقة الاحفورية القابلة للنضوب. نسي الانسان أو تناسى أن هناك مصادر طبيعية للطاقة متوفرة للجميع لاحاجة للعراك حولها ، ولا يؤدي استخدامها الى التلوث كما انها غير قابلة للنضوب وفي مقدمة هذه المصادر هي الشمس التي سنتناول هنا موضوع التعامل مع حرارتها غير المباشرة المخزونة في المياه والهواء والتربة والمواد كافة وتطويعها للاستخدام.
عرض وطلب
تكمن المشكلة الكبرى في التعامل مع الطاقات الطبيعية كالشمس، في العرض والطلب . فحين يكون طلبنا على الحرارة ملحّاً( فصل الشتاء) يكون عرض الشمس ضعيفاً وبالعكس، وحين لاتبقى حاجة للطلب ( فصل الصيف) يزداد عرض الشمس بشكل استثنائي ، لذلك يتحتم علينا ،أن أردنا تحقيق التوازن بين العرض والطلب، أن نفكر بطريقة تمكننا من خزن الفائض عن الحاجة من الطاقة الحرارية في الصيف والنهار لاستخدامه في الفصول الباردة والليل .
تشكل الطاقة الحرارية نحو أكثر من (50%) من أشكال الطاقة المستخدمة في أوربا كالطاقة الحركية في المواصلات والكهربائية في الصناعة، والاستخدامات الخدمية . و تصرف كمية كبيرة من الطاقة الحرارية لتدفئة الفضاءات السكنية والمدنية وتدفئة المياه في الاستخدام المنزلي ، واذا ما اخذنا بنظر الاعتبار الكميات الهائلة من الطاقة الكهربائية المستخدمة للتبريد في بلداننا الحارة وإمكانية الاستعاضة عن هذه الطاقة او الحد منها باستخدام تكنولوجيا الخزن الحراري (Thermal Energy Storage)اتضحت لنا أهمية هذه التكنولوجيا في تأمين الطاقة المستدامة والحد من التلوث البيئي.
طرق خزن الطاقة الحرارية
تتطور أساليب خزن الحرارة باستمرار وسنعرض هنا لأهمها:
الخزن الحراري المحسوس
و مثال ذلك خزن الطاقة الحرارية في الماء بالإفادة من سعته الحرارية العالية .تعتمد عملية خزن الطاقة الحرارية على خواص الوسط المستخدم للخزن ، فالماء مثلاً وسط خازن جيد للحرارة ، فهل يشكل الماء حلاً عمليا لمشكلة الخزن الحراري في استخدامات التدفئة في المباني؟
لنأخذ مثالاً عمليا : تعتمد قدرة الوسط على خزن الطاقة الحرارية على حرارته النوعية ويتميز الماء بقابلية عالية لاستيعاب الحرارة تبلغ ( kWh/m3 -676) في درجة حرارة الغرفة. يحتاج البيت المصمم بإشراف مختص وبعوازل حرارية من الحد المتوسط في المعدل الى ما مقداره ( GJ70) للتدفئة في الشتاء ،إذا افترضنا أن أيام الشتاء تمدنا بنصف هذا المقدار من الطاقة يتوجب علينا أن نحصل على الباقي من فصل الصيف أو الربيع أي أن نخزن(GJ35) .إذا ما فكرنا بخزن هذه الكمية من الحرارة على شكل ماء بدرجة حرارة (45) مئوية سنحتاج الى حجم مقداره ) 140 متر مكعب . وكنتيجة لاستخدام العوازل الحرارية والتحكم بكميات الحرارة المتسربة جراء التهوية يمكن التقليل من كمية الطاقة المذكورة وبالتالي حجم الماء الخازن للحرارة الى (36) مترا مكعبا، لكن هذا الحجم يبقى غير عملي في التصاميم الهندسية، ما يتطلب البحث عن بدائل لأوساط خازنة أفضل تمكننا من خزن كمية كبيرة من الحرارة تكفي كل الاحتياج المنزلي السنوي.
ورغم أن تكنولوجيا الخزن الحراري خلال السنوات القليلة الماضية تطور تطوراً سريعاً وطرحت في السوق أنظمة متعددة تحاول أن توسع من الطاقة الاستيعابية للماء ، لكن اتجاهات التطور تميل الى استحداث وسائل جديدة لاتعتمد على أسس " الخزن الحراري المحسوس"
الخزن الحراري التكنولوجي في عمق الأرض
بعد أبحاث متواصلة ، توصل المختصون الأوروبيون الى مدى زمني لخزن الطاقة الحرارية يقارب الستة أشهر، حيث يقوم المبادل الحرارى (Heat Exchanger) باستخدام الأرض كمصدر او مصرف للحرارة حيث يقوم بنقل الطاقة الحرارية من أو الى جوف الأرض. ومثلما يصح ذلك على الشمس يصح أيضا على برد الشتاء المطلوب في الصيف. فكل من الحرارة والبرودة يمكن خزنهما في عمق بين 45 الى 100 متر في مجمعين (aquifers) يبعدان عن بعضهما مسافة (100) الى (150) مترا. في فصل الصيف تسحب الحرارة الزائدة لتخزن في إحدى الخزانين أما في الشتاء فتسحب هذه الحرارة المخزونة للاستخدام وترحل "البرودة" لتخزن في الخزان الثاني.
الخزن الحراري الصناعي في عمق الأرض
الإسفلت كجامع للحرارة
يجمع الإسفلت كمية كبيرة جداً من الحرارة خاصة في الصيف بحيث تؤدي أشعة الشمس المركزة في كثير من الأحيان في البلدان الحارة الى تشوه الطبقة الإسفلتية وتموجها خاصة قرب إشارات توقف المرور . وتتم الإفادة من خاصية الإسفلت في امتصاص الحرارة بسحب هذه الحرارة وخزنها واستخدامها للتدفئة ، لذلك تعمل هذه التقنية بذات الوقت بمثابة إجراء حماية للأسفلت من الحرارة العالية.
الإسفلت كجامع للحرارة
وتعتمد هذه التقنية على ذات الأسلوب السابق ذكره وهو إيجاد خزانين عموديين تحت عمق 100 متر تقريباً معزولين حرارياً أحدهما لخزن الحرارة وآخر لخزن البرودة و يقوم المبادل الحراري بتنظيم عملية التبادل الحراري لتجهيز البناية بالمطلوب.
طريقة تنفيذ أنابيب جمع الحرارة
الخزن الحراري في الخرسانة
تستخدم هذه التقنية للإفادة من السعة الحرارية العالية للخرسانة حيث تمرر أنابيب في قلب الخرسانة أثناء مرحلة الصب لتستخدم في مرحلة الاستعمال لتجميع الحرارة الزائدة في فصل الصيف وخزنها في فضاء معزول ثم إعادتها الى السطح الخرساني عند الحاجة.عندئذ ستنتقل الحرارة من الأرض الخرسانية أو السطح الى الفضاء الداخلي بطريقتي الإشعاع والحمل.
الحرارة الكامنة للانصهار
سنجهز كتلة من الجليد حرارته دون درجة الصفرالمئوي بمسخن ومحرار، بعد مرور التيار وتجهيز الطاقة سترتفع درجة الحرارة الى الصفر. حين يبدأ الجليد بالتحول الى ماء ستبقى قراءة المحرار ثابتة حتى اكتمال تحول كل الجليد، ثم تبدأ قراءة المحرار بالارتفاع حتى يبدأ الماء بالغليان ولفترة طويلة. وحتى يتحول كل الماء الى بخار يبدأ بعدها ارتفاع درجة الحرارة من جديد.
ان الطاقة المجهزة لتحويل الجليد الى ماء تسمى الحرارة الكامنة للانصهار Latent heat
وهي طاقة مخفية لأنها لم تظهر بقراءة المحرار حيث لم تتغير القراءة اثناء التحويل. . تستخدم الطاقة التي لم تظهر على مقياس الحرارة عند التحول الطوري لدفع الجزيئات المتجاورة عن بعضها وتغيير طورها، فهي طاقة مخزونة يمكن التحكم بها واستخدامها لاحقاً.
الإفادة من الطاقة الكامنة بعد تغير حالة المادة واستخدام المواد بعد تغير الطور(Phase Change Materials (PCM)
تعتمد هذه الطريقة على الإفادة من تغير الطور الفيزيائي للمادة. يصحب تحول المادة من حالة فيزيائية الى اخرى كما تقدم طرح واكتساب حراري من هذه المادة أو لها. يسترجع كم الحرارة عند انتقال المادة من طور المادة الى آخر. أن كم الحرارة المتحررة من انصهار كمية من الماء المتجمد يكفي لتسخين كمية الماء هذه ورفع حرارته من 0 مئوي الى 80 مئوي. ولأن درجة حرارة المادة عند تغيير الطور لاتتغير ، تسمى هذه الطريقة بالخزن الحراري الكامن Latent heat storage.
تنتمي أغلب مواد PCM الى واحدة من ثلاث أصناف :
البارافينات، الحوامض الشحمية، الأملاح
تمتاز البارافينات ( المواد الشمعية) والحوامض الشحمية بسهولة الاستخدام وهي مواد غير سامة ولا تسبب الصدأ، وتمتاز بضآلة معامل التوصيل الحراري .
وتفوق الأملاح مثل كلوريد الصوديوم المواد المذكورة آنفا بخواصها لكنها تستلزم إيلاء اهتمام خاص لمشكلة الصدأ.ويتركز الكسب الأساس المستحصل من هذه التكنولوجيا في الكمية الكبيرة من الحرارة المخزونة ، يكفي أن نتصور أن انصهار كمية من الثلج يأخذ من المحيط كمية من الحرارة تساوي الحرارة اللازمة لتسخين نفس الكمية من الماء ورفع حرارته من درجة 0 الى 80 مئوي.
الكسب في كمية العازل
مجالات الاستخدام الحالية
تستخدم هذه المواد حالياً في مكافحة الزيادة الحرارية في المحولات الكهربائية او رقائق الكومبيوتر حيث تحول الطاقة الحرارية الى مخزون يستخدم لاحقا في الأوقات الباردة.
أما في الأبنية والمنشآت المدنية فتستخدم هذه المواد لزيادة الكم الحراري المخزون في المواد. تطلى مواد البناء كالكونكريت او الجبس بمادة البارافين ذات درجة الانصهار المقارب لـ25 مئوي ، ما أن تتجاوز درجة الحرارة الداخلية هذه الدرجة حتى تنصهر المواد الشمعية فتسحب الحرارة الزائدة لكي تطرح الى الفضاء ليلا. بهذا الحل يمكن استخدام مواد إنشاء أقل سمكاً وكثافة وبأقل مواد عازلة لتأمين الحرارة المطلوبة داخل الفضاء الداخلي.
*مهندس إنشاءات بيئية وفقاً لمفهوم التنمية المستدامة ، هولندا
جميع التعليقات 3
علي بداي
الأصدقاء الأعزاء طارت الصور من هذا المقال وبقيت عناوينها موجودة بشكل مربك ...لا أدري لماذا لكني مضطر للإعتذار من القراء رغم ان الخطأ ليس مني ..
SA3EED SALEM
مقال شيق ..لكني أعتقد إن فيه شيء من عدم الدقه . من ألممكن تخزين الطاقه الحراريه في المواد بالاستفادة من خاصية السعه الحراريه، فما هي صفة المواد التي سنستعملها لخزن البروده ؟ أن كم الحرارة المتحررة من انصهار كمية من الماء المتجمد يكفي لتسخين .. هذه العبا
علي بداي
الأعزاء جميعاً، معروف ان الحرارة الكامنة latent heat هو مقدار الحرارة الذي تمتصه او تحرره المادة عند انتقالها من طور من إلى أخرعند درجة حرارية ثابتة أو مقدارٍ من الضغط ثابت. عندما يتحوّل الجليد إلى ماء يأخذ الحرارة من الوسط ويتحول الى طور آخر هو الطو