فريق بحث ألماني يطور مضخة حرارية عالية الكفاءة لتحويل الحرارة المهدرة من مصانع الورق إلى بخار صناعي

كشف المهندسون مؤخرًا عن مضخة حرارية قوية بقدرة 1.2 ميغاوات (MW) قادرة على تحويل الحرارة المهدرة خلال عملية إنتاج الورق إلى بخار صناعي بدرجة حرارة تقارب 248 فهرنهايت (120 مئوية). تم تصنيع هذه المضخة الحرارية من قبل فريق بحثي من معهد فراونهوفر للبنية التحتية للطاقة والتقنيات الجيولوجية (Fraunhofer IEG) وتم اختبارها في مصنع Felix Schoeller GmbH & Co. KG للورق الواقع في ولاية هيسن. تم إجراء هذه التجربة في إطار مشروع PUSH2HEAT الممول من الاتحاد الأوروبي.

يستفيد النظام من الحرارة التي كانت ستضيع لإنتاج البخار المطلوب للعملية الصناعية. وفقًا للمعهد، يمكن للنظام تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) بمقدار يصل إلى 600 طن سنويًا، ويساعد في تقليل الاعتماد على الغاز الطبيعي. قال مدير المشروع Reuven Paitazoglou: "تحتاج الشركات الصناعية إلى حلول تجمع بين حماية المناخ وأمان إمدادات الطاقة والقدرة التنافسية. تجعل مضخات الحرارة عالية الحرارة من الممكن الاستفادة اقتصاديًا من مصادر الطاقة التي لم تُستخدم سابقًا."

مبدأ عمل المضخة الحرارية

من الحرارة المهدرة إلى البخار، تعمل العمليات الصناعية عادةً في أنظمة بخار تحت ضغط عالٍ يتجاوز 212 فهرنهايت (100 مئوية). في معظم الحالات، يتطلب إنتاج هذا البخار حرق الوقود الأحفوري، وخاصة الغاز الطبيعي. من ناحية أخرى، يؤدي حرق الوقود الأحفوري إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون وغازات دفيئة أخرى، مما يساهم في تغير المناخ وتلوث الهواء. لمعالجة هذا التحدي، طور الفريق مضخة حرارية ذات درجتين قادرة على ترقية الحرارة المهدرة منخفضة الحرارة إلى بخار صناعي قابل للاستخدام. يلتقط النظام الحرارة الزائدة الناتجة عن إنتاج الورق، والتي تتراوح درجات حرارتها بين 86 و158 فهرنهايت (30 و70 مئوية)، ثم يقوم برفعها إلى حوالي 248 فهرنهايت.

خلال حوالي 300 ساعة من التشغيل في عام 2026، حققت المضخة متوسط إنتاج بخار يبلغ حوالي 700 كيلووات (kW). في الوقت نفسه، كان إنتاج البخار حوالي 1.2 طن في الساعة، مع ضغط يبلغ حوالي 2.3 بار. أبلغ الباحثون عن معامل أداء قدره 2.30، مما يعني أن الحرارة المفيدة التي يوفرها النظام تتجاوز ضعف الطاقة الكهربائية المطلوبة لتشغيله. إذا عمل النظام لمدة تتراوح بين 4,000 و5,000 ساعة، فإنه يمكن أن يتجنب انبعاثات تصل إلى 600 طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا، وهو ما يعادل تقليل حوالي 220 رطلاً (100 كيلوغرام) من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل ميغاوات ساعة (MWh) من الحرارة، مقارنة بإنتاج البخار باستخدام الغاز الطبيعي.

التطبيقات المحتملة للتقنية

تعد هذه التجربة جزءًا من مشروع PUSH2HEAT الممول من الاتحاد الأوروبي، الذي يستكشف طرق إعادة استخدام الحرارة المهدرة في الصناعة. على الرغم من أن المشروع يركز بشكل أساسي على إنتاج الورق والكيماويات، إلا أن هذه التقنية قد تجد أيضًا تطبيقات في صناعة الأدوية والأغذية. قام معهد فراونهوفر IEG بتنسيق الجوانب العلمية للاختبار، وقدم نظام مراقبة لتقييم أدائه. قام الفريق بدراسة كيفية دمج المضخة في العمليات الإنتاجية الحالية وشبكات البخار. وأكد Paitazoglou على أهمية توسيع تطبيق هذه التقنية، حيث قال في بيان صحفي: "تعتبر المصنع التجريبي في ويسنبرغ أساسًا هامًا لاستخدام هذه التقنية في تطبيقات صناعية أخرى مستقبلًا."

ستبدأ الاختبارات عند الحمل الكامل في سبتمبر 2026، حيث يخطط الفريق لتقييم النظام في ظروف صناعية حقيقية لمدة عام، ويتوقع إجراء تحسينات إضافية قبل انتهاء المشروع في عام 2027.

آفاق مستقبل تقنية المضخات الحرارية عالية الكفاءة

إن تطوير هذه التقنية لمضخة حرارية عالية الكفاءة لا يساهم فقط في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الإنتاج الصناعي، بل يقلل أيضًا من الاعتماد على الوقود الأحفوري التقليدي، مما يتماشى مع الطلب العالمي الحالي على التنمية المستدامة. مع تزايد تأثير تغير المناخ، تحتاج الصناعة إلى البحث عن حلول بديلة للطاقة. إن التطبيق الناجح لهذه التقنية لا يقتصر على صناعة الورق والكيماويات، بل قد يلعب أيضًا دورًا هامًا في مجالات أخرى مثل صناعة الأدوية والأغذية، مما يعزز التحول الأخضر في الصناعة.