تقنية المضخات الحرارية عالية الحرارة تختبر عند 320 درجة فهرنهايت مما يساعد المصانع على تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري

أجرى علماء من معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE) في ألمانيا هذه الدراسة. طور فريق البحث جهاز اختبار مختبري جديد لفحص المضخات الحرارية القادرة على توفير بخار العمليات والماء الساخن المضغوط في درجات حرارة عالية.

مواجهة تحدي إزالة الكربون من الصناعة

يهدف هذا العمل إلى معالجة مشكلة إزالة الكربون من الصناعة، وهو تحدٍ رئيسي للمصانع التي لا تزال تعتمد على الوقود الأحفوري لتوفير كميات كبيرة من الطاقة الحرارية. أشارت الدكتورة أورسولا فيتشتات (Ursula Wittstadt)، كبيرة المهندسين ومديرة مشروع FernWP في المعهد، إلى أن المضخات الحرارية عالية الحرارة يمكن أن توفر بديلاً. وأكدت على إمكانات هذه التكنولوجيا قائلة: «من خلال جهاز الاختبار الخاص بنا، نستطيع قياس هذه التفاعلات، مما يضع الأساس لمزيد من تطوير المكونات والأنظمة الكاملة.»

صُمم جهاز الاختبار الجديد في إطار مشروع بحثي FernWP، بهدف استكشاف كيفية استبدال المضخات الحرارية للفحم في التدفئة المركزية والصناعية. يمكن للباحثين استخدام هذه المنشأة لقياس أداء المضخات الحرارية عند درجات تصل إلى 320 درجة فهرنهايت (نحو 160 درجة مئوية)، وفحص استجابة النظام لمصادر الحرارة المتغيرة، والأحمال، وأوضاع التشغيل. ووضحت فيتشتات المزيد: «بالنسبة للتطبيقات الصناعية، فإن درجة الحرارة القصوى القابلة للتحقيق وحدها ليست العامل الحاسم.» ويركز موقع اختبار المعهد على دراسة المضخات الحرارية القادرة على إنتاج البخار عند 320 درجة فهرنهايت.

وفقاً لفيتشتات، يجب أن تنتج المضخات الحرارية عالية الحرارة بخار العمليات أو الماء الساخن المضغوط بشكل موثوق وفعال عند تغير ظروف التشغيل.

في هذا المشروع، اختبر الفريق مضخة حرارية تستخدم البيوتان كمادة تبريد. ونظراً لكون البيوتان قابلاً للاشتعال، فقد درسوا أيضاً متطلبات السلامة والتركيب. يمكن للبيانات المجمعة من جهاز الاختبار أن تمكّن المصنعين من تصميم مضخات حرارية ومبادلات حرارية مناسبة لدرجات الحرارة العالية، والأحمال الثقيلة، والظروف المتغيرة. وفي الوقت نفسه، يخطط معهد فراونهوفر ISE لتطوير منشأة اختبار السلامة بشكل أكبر، لوضع مفاهيم سلامة للمواد المبردة في المضخات الحرارية الكبيرة وعالية الحرارة.

مراقبة تشغيل المضخات الحرارية الكبيرة

بالإضافة إلى الاختبارات المختبرية، يراقب معهد فراونهوفر ISE منذ عام 2023 تشغيل خمس مضخات حرارية كبيرة في شبكات التدفئة المركزية. اكتشف الباحثون أنه عندما تُصمم مكونات هذه المضخات، وأنظمة التحكم، والتكامل الهيدروليكي، واستراتيجيات التشغيل بشكل سليم، فإنها قادرة على العمل بشكل موثوق والوصول إلى أدائها المستهدف. كشف أكسل أوليفا (Axel Oliva)، مدير مشروع Reallabor GroßWP في معهد فراونهوفر ISE، أن نتائج المراقبة أظهرت أن المضخات الحرارية الكبيرة تؤدي بشكل جيد في الظروف الفعلية، وتصل إلى أدائها المستهدف.

ومع ذلك، يعتمد هذا الأداء إلى حد كبير على الظروف المحيطة. وأشار إلى أنه عندما تنخفض درجة حرارة الماء أو أثناء التشغيل بحمولة جزئية، تقل الحرارة الناتجة عن الأنظمة التي تستخلص الحرارة من الماء الجاري، كما ينخفض الإنتاج عندما تنخفض درجة حرارة المصدر إلى نحو 43 درجة فهرنهايت (نحو 6 درجات مئوية) أو أقل.

يُعد مصنع الطاقة في مانهايم جزءاً من بحث مختبر المعيشة للمضخات الحرارية الكبيرة. وأكد أوليفا في البيان الصحفي: «نرى أيضاً أن تشغيل مضخة حرارية في نظام مصنع طاقة متكامل يتطلب فهماً جيداً لمرافق مصنع الطاقة الحالية، وشبكة التدفئة المركزية، وتركيبات العملاء.» ووفقاً لفريق البحث، أصبح المشغلون يشغلون المضخات الحرارية بشكل متزايد بناءً على طلب التدفئة اليومي وأسعار الطاقة. وهذا يعني أن هذه الأنظمة يجب أن تبدأ وتتوقف بشكل أكثر تكراراً، مع الحفاظ على الموثوقية. سيستخدم الفريق هذه البيانات لنمذجة تفاعلات المضخات الحرارية الكبيرة مع أنظمة الكهرباء والتدفئة، مما قد يُظهر كيفية تشغيل المضخات الحرارية بكفاءة أكبر وتقليل استخدام الوقود الأحفوري.