يتم تقديم هذه المقالة الدعائية إليك بواسطة COMSOL.
عندما نحاول دراسة الطبيعة بموضوعية ، غالبًا ما يتم تذكيرنا بكيفية تأثير القوى الطبيعية علينا شخصيًا. يمكننا الجلوس على المكتب والنظر في الحرارة بأشكالها المختلفة ، ولكن قد يتشتت انتباهنا إذا كانت أصابع قدمنا باردة! عندما نرفع درجة الحرارة في منازلنا وأماكن عملنا ، يجب أن نوازن بين حاجتنا الشخصية للدفء والتأثير العالمي لحرق الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز والفحم والكتلة الحيوية. يواجه تغير المناخ البشري المنشأ البشرية بتحدي: كيف يمكننا أن نحافظ على الدفء الآن بينما نحاول منع عالمنا من الحرارة الزائدة في المستقبل؟
إنه سؤال شاق تحاول شركة ناشئة تدعى Polar Night Energy ، في دولة فنلندا الصغيرة والباردة (الشكل 1) ، الإجابة. في منطقة معروفة بليالي الشتاء الطويلة المظلمة ، تقوم Polar Night Energy ببناء نظام في مدينة تامبيري يمكنه تدفئة المباني باستخدام الطاقة الشمسية المخزنة – طوال النهار وطوال الليل وطوال الشتاء. التناقضات الظاهرة لا تنتهي عند هذا الحد. في عصر حلول التكنولوجيا النظيفة المعقدة ، التي غالبًا ما تكون مصنوعة من مواد نادرة وباهظة الثمن ، يتكون نظام تخزين وتوزيع الحرارة في Polar Night Energy من قنوات بسيطة ومضخات وصمامات ورمل. يُظهر النظام الجديد إمكانية معالجة المشكلات العالمية بطريقة مريضة ومدروسة ومتوافقة مع حجم الإنسان.
بلد صغير مع احتياجات تدفئة كبيرة
تتطلب المشاكل الكبيرة حلولاً كبيرة ، وربما لا توجد مشكلة أكبر في القرن الحادي والعشرين من مشكلة تغير المناخ. لمواجهة هذا التحدي ، تستثمر العديد من الحكومات والمنظمات في التكنولوجيا الجديدة للمساعدة في تقليل استخدام الوقود الأحفوري. ركزت هذه المبادرات إلى حد كبير على توليد الطاقة الكهربائية المتجددة وتوزيعها وتخزينها.
يقول تومي إيرونين ، الرئيس التنفيذي لشركة Polar Night Energy: “عندما تسأل الناس عن الطاقة النظيفة ، فإنهم يفكرون في الكهرباء”. لكن علينا أيضًا خفض الانبعاثات الناتجة عن التدفئة. من الانبعاثات المتعلقة بالطاقة في فنلندا ، يأتي 82 في المائة من تدفئة المباني المنزلية (المرجع 1). يقول إيرونن: “نريد استبدال كل ذلك إذا أردنا أن يكون لدينا أي أمل في تحقيق أهدافنا المناخية العالمية”.
فكر على الصعيد العالمي ، الحرارة محليًا
إن روح “فكر عالميًا ، واعمل محليًا” ، وهي شعار مرتبط بفترة الستينيات ، لا تزال حية مع فريق المبتكرين في Polar Night Energy. بدأت رحلتهم بسؤال طرحه مؤسساها ، Tommi Eronen و Markku Ylönen ، عندما كانا زميلين في الجامعة: “هل من الممكن بناء مجتمع هيبي مكتفي ذاتيًا من حيث الطاقة وفعالًا من حيث التكلفة للمهندسين الذين يستخدمون الطاقة الشمسية فقط؟” بعد التخرج ، أصبح المشروع الذي أطلقوا عليه اسم “Hippie Commune” هو Polar Night Energy ، مع Eronen كرئيس تنفيذي و Ylönen كمدير تنفيذي للتكنولوجيا.
أدى ما بدأ كمشروع طلابي مرح (ولكنه جاد) إلى إنشاء محطة تجريبية بقدرة 3 ميجاوات / 100 كيلو وات في مدينة تامبيري الفنلندية ، والتي بدأت العمل خلال شتاء 2020-2021. يستخدم النظام الكهرباء لتسخين الهواء ، والذي يتم بعد ذلك تعميمه من خلال مبادل يقوم بتسخين المياه وتوزيعه على العديد من المباني في منطقة هايدانرانتا بالمدينة (الشكل 2).
داخل النظام ، تعمل عناصر التسخين المقاومة التي تعمل بالكهرباء على تسخين الهواء إلى أكثر من 600 درجة مئوية. يتم تدوير الهواء الساخن عبر شبكة من الأنابيب داخل وعاء تخزين حراري مملوء بالرمل. ثم يتدفق الهواء الساخن مرة أخرى من الوعاء إلى مبادل حراري ، حيث يقوم بتسخين المياه التي يتم تدويرها بعد ذلك من خلال أنظمة تدفئة المبنى. تضمن سعة تخزين الرمال الحرارية أنه حتى عندما تكون العناصر المقاومة باردة ، يظل الهواء المتداول ساخنًا بدرجة كافية لإبقاء الماء (والمباني) دافئة.
لدينا فقط الأنابيب والصمامات والمروحة وعنصر التسخين الكهربائي. لا يوجد شيء مميز هنا! ” يقول إيرون ضاحكًا.
بطارية للحرارة مصنوعة من الرمال
نُقل عن المهندس الكيميائي الشهير دونالد سادواي قوله: “إذا كنت تريد صنع بطارية رخيصة الثمن ، فعليك إخراجها من الأوساخ”. يواجه نظام Polar Night Energy نفس التحديات الأساسية مثل أي بنية تحتية أخرى للطاقة. يجب أن توفر القوة للناس عندما يحتاجون إليها ، وحيث يحتاجون إليها ، وبسعر معقول. هذا يعني أن تخزين الطاقة وتوزيعها لا يقل أهمية عن توليدها. تلبي البنية التحتية الحالية هذه التحديات بطرق مألوفة. بالنسبة للتدفئة القائمة على الاحتراق ، يتم تخزين أنواع الوقود مثل النفط والغاز ونقلها إلى حيث يمكن حرقها. تدعم الشبكة الكهربائية أيضًا التوزيع الفعال للطاقة وتستفيد من الطاقة المولدة من خلال الوسائل المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية. ومع ذلك ، فإن الطبيعة المتقطعة لضوء النهار والرياح القوية مشكلة مستعصية. هناك حاجة إلى تخزين الطاقة للحفاظ على إنتاج ثابت للطاقة في جميع أنحاء قمم ووديان المدخلات المتجددة. ولكن حتى مع التطورات الحديثة في تكنولوجيا البطاريات ، لا يزال تخزين الطاقة الكهربائية مكلفًا نسبيًا ، خاصة على النطاق المطلوب لتدفئة المباني. ماذا لو ، بدلاً من تخزين الكهرباء ، يمكن لـ “البطارية” تخزين الحرارة بدلاً من ذلك؟
الشكل 3. Markku Ylönen مع عينة تمثيلية لوسط تخزين الحرارة الرخيص من Polar Night Energy.
تقوم العديد من أنظمة التدفئة التقليدية بالفعل بتخزين وتوزيع الحرارة عن طريق الاحتفاظ بالمياه الدافئة وتعميمها. أدرك Eronen و Ylönen فوائد تخزين الحرارة القائمة على الماء بالإضافة إلى قيودها. يقول إيرونين: “يوجد قدر كبير من الحرارة يمكنك إضافته إلى الماء قبل أن يتحول إلى بخار”. “يمكن للبخار أن يوزع الحرارة بكفاءة ، ولكنه ليس فعالًا من حيث التكلفة للتخزين على نطاق واسع.” لتجنب عيوب تخزين الحرارة في الماء ، تحولوا بدلاً من ذلك إلى رمل – 42 طنًا متريًا منه! (الشكل 3) بعد أن تغرب الشمس ، يتم إطلاق حرارة الرمل المخزنة تدريجيًا مرة أخرى في تدفق الهواء المنتشر. هذا يحافظ على الهواء ساخنًا بدرجة كافية للحفاظ على درجات حرارة ثابتة في الماء الذي يتدفق عبر مشعات العملاء. وبهذه الطريقة ، تُمكِّن الرمال الطاقة الشمسية من تدفئة الناس ، حتى في أحلك الليالي الفنلندية وأبردها. يقول إيرونن: “يوفر الرمل أربعة أضعاف سعة تخزين الطاقة للمياه”. “الرمال فعالة وغير سامة وقابلة للحمل ورخيصة!”
“نحتاج إلى نمذجة تنبؤية للإجابة على أكبر عدد ممكن من الأسئلة ، قبل أن نلتزم بتجميع كل هذه المعدات – وكل هذه الرمال!”
—تومي إيرونن ، الرئيس التنفيذي لشركة Polar Night Energy
التحليل المتطور وراء حل بسيط
كفاءة التكلفة هي أساس عرض القيمة الخاص بـ Polar Night Energy. يقول إيرونن: “بمجرد أن قررنا متابعة هذه الفكرة ، كنا نحاول معرفة كيف تبدو الموارد المالية”. في سعيهم لفعل المزيد بموارد أقل ، اعتمدت Polar Night Energy منذ فترة طويلة على أدوات المحاكاة العددية. بدأ Eronen و Ylönen في استخدام برنامج COMSOL Multiphysics كطلاب ولا يزال جزءًا لا يتجزأ من عملية التصميم الخاصة بهم. على سبيل المثال ، يذكر إيرونن مواصفات نظام تخزين حراري موسع يخدم المزيد من المباني في تامبيري. حسب الفريق أن إمداد منطقة تضم 35 ألف شخص بالحرارة يتطلب أسطوانة تخزين مملوءة بالرمال يبلغ ارتفاعها 25 مترًا وقطرها 40 مترًا. كيف توصلوا إلى هذه الأبعاد؟ يوضح إيرونن: “من السهل حساب الكمية التقريبية للمواد المطلوبة ، لأننا نعرف مقدار الحرارة التي يمكننا تخزينها في متر مكعب من الرمال”. كان علينا أيضًا تحديد المساحة المطلوبة لنقل الحرارة بكفاءة بين الرمال ونظام تدوير الهواء لدينا (الشكل 4). هذا أصعب بكثير! استخدمنا COMSOL لنمذجة وتقييم خيارات التصميم المختلفة. ”
الشكل 4. Tommi Eronen (في المقدمة) و Ylönen يتفقدان مجاري وعاء تخزين الحرارة Polar Night Energy.
ساعد برنامج محاكاة Multiphysics في تشكيل تصميم المبادل الحراري Polar Night Energy (الأشكال 5-6). يقول Eronen ، “لقد بنينا نموذجًا معينًا لاستكشاف فكرة التصميم: ماذا لو أنشأنا نواة فائقة الحرارة من الرمال محاطة بقنوات تسخين حول المحيط؟” من خلال نمذجة تأثيرات تدفق السوائل ونقل الحرارة في برنامج COMSOL Multiphysics ، يمكن لفريق Polar Night Energy تحديد مزايا وعيوب التصميم النسبية. يقول إيرونن: “أكدت المحاكاة أن تصميم” النواة الساخنة “كان جيدًا في تخزين الحرارة لفترات طويلة جدًا من الوقت”. “ولكن بالنسبة لدورتنا التشغيلية المقصودة ، فمن المنطقي توزيع مجاري الهواء الساخن بالتساوي في جميع أنحاء وعاء تخزين الرمال ،” يوضح.
إن الحجم الهائل لنظام تخزين الحرارة القائم على الرمال في Polar Night Energy يجعل برامج المحاكاة لا غنى عنها. لا يمكننا بناء نماذج أولية بالحجم الكامل لاختبار جميع أفكارنا. نحتاج إلى نمذجة تنبؤية للإجابة على أكبر عدد ممكن من الأسئلة ، قبل أن نلتزم بتجميع كل هذه المعدات – وكل هذه الرمال! ” يقول إيرون. “من الضروري بالنسبة لنا استخدام هذه الأدوات القوية للغاية.”
تكييف الأفكار الجديدة مع البنية التحتية الحالية
من خلال فصل مهمة تخزين الحرارة عن توليد الحرارة وتوزيعها ، جعلت Polar Night Energy نظامها أكثر كفاءة وقدرة على التكيف. هناك إمكانية كبيرة لتعديل أنظمة تخزين ونقل الحرارة المملوءة بالرمال في البنية التحتية الحالية (الشكل 7). تامبيري ، مدينة صناعية فنلندية داخلية يسكنها ما يقرب من 250000 شخص ، هي أرض اختبار مثالية لهذه التكنولوجيا الجديدة. “تامبيري ، مثل العديد من المدن الأوروبية ، لديها بالفعل نظام تدفئة محلي يوزع المياه عبر أحياء بأكملها” ، كما يقول إيرونين. يقول: “هذا يمكننا من تحويل العديد من المباني إلى مصدر حراري متجدد بسرعة”. يمكن أيضًا لمحطة Polar Night Energy التجريبية في تامبيري الاستفادة من الطاقة من الشبكة الكهربائية الحالية ، إلى جانب الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية الجديدة. يمكّن التخزين الحراري الموثوق به المدينة من توليد الطاقة أو شرائها عندما يكون ذلك في متناول الجميع ومن ثم توزيع الحرارة عند الحاجة إليها بشدة.
الشكل 7. جزء من نظام نقل الحرارة الذي تم تركيبه بواسطة Polar Night Energy في تامبيري ، فنلندا. الأنابيب الرأسية على اليسار هي جزء من المبادل الحراري ، بينما عناصر السخان المقاومة ملفوفة في عازل أبيض على اليمين. بين هذه المكونات هو منفاخ شعاعي الهواء.
اليوم: فنلندا ؛ غدا: العالم
منذ أن بدأ تشغيل نظام تامبيري خلال شتاء 2020-2021 ، كان فريق Polar Night Energy يجمع البيانات لمقارنتها بنماذجهم. يقول إيرونن: “لقد أثبتت عمليات المحاكاة التي أجريناها أنها دقيقة للغاية ، وهو أمر مشجع”. ومع استمرار فريق Polar Night Energy في تطوير أفكارهم محلياإنهم يهدفون إلى العمل عالميا أيضًا. يمكن للتكنولوجيا نفسها التي تُدفئ ليالي فنلندا الطويلة والباردة أن توفر أيضًا خيارات أفضل لإدارة الطاقة لبقية العالم. يمكن أن يساعد التخزين الحراري الميسور التكلفة الصناعات والمدن على التقاط الحرارة المهدرة حاليًا ، بالإضافة إلى موازنة التناقضات في إنتاج طاقة الرياح والطاقة الشمسية. ولكن في حين أن Polar Night Energy حريصة على العمل مباشرة مع العملاء المحتملين ، فإنهم يدركون أن التحديات التي تنتظرهم أكبر من أن يتعاملوا معها بمفردهم.
تومي إيرونن ، الرئيس التنفيذي لشركة Polar Night Energy.
نريد ترخيص هذه التكنولوجيا. إذا كنت تدير محطة لتوليد الكهرباء ، فالرجاء الاتصال بنا. وفي ملاحظة أكثر جدية ، يضيف ، “علينا الابتعاد عن جميع أنواع الاحتراق ، حتى الكتلة الحيوية. نحن بحاجة إلى حماية الغابات وإصلاحها حتى تتمكن من الاستمرار في إزالة الكربون من الهواء. نظرًا لأن تغير المناخ يحدث بسرعة كبيرة ، فنحن نريد أن تنتشر أفكارنا في أسرع وقت ممكن “.
المرجعي
إحصائيات فنلندا“تم إنتاج أكثر من نصف كهرباء فنلندا من مصادر الطاقة المتجددة في عام 2020” ، نوفمبر 2021.
