Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

الأسمنت هو الهيكل العظمي غير المرئي للعالم الحديث، المادة التي تمسك مدننا معاً. ومع ذلك، فإن عملية تصنيعه تعد مساهماً رئيسياً في الاحتباس الحراري. فعندما يتم تسخين الحجر الجيري لإنتاج الأسمنت، فإنه يطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز دفيئة يحبس الحرارة في الغلاف الجوي. ولإيقاف ذلك، طور المهندسون طرقاً لالتقاط ذلك الغاز قبل أن يتسرب إلى السماء. وتتضمن إحدى الطرق الأكثر موثوقية غسل أبخرة العادم بسائل خاص يمتص ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، فإن هذا السائل يمتلئ في النهاية ويحتاج إلى تنظيف ليتمكن من الاستخدام مرة أخرى. وتتطلب عملية التنظيف كمية هائلة من الحرارة، غالباً ما تكون أكثر مما تملكه المصانع من فائض. وإذا لم يجد المصنع حرارة كافية لتنظيف السائل، فلن يعمل نظام التقاط الكربون بكفاءة، مما يترك مشكلة التلوث دون حل.

في الوقت نفسه، بمجرد التقاط ثاني أكسيد الكربون، يجب تحويله إلى سائل ليتم شحنه بعيداً للتخزين. ويتطلب هذا التحول تبريد الغاز إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. وعند القيام بذلك، تولد الآلات التي تبرد الغاز كمية كبيرة من الحرارة المهدرة، والتي تُلقى عادةً في الهواء. وهذا يخلق مفارقة محبطة: فالمصنع يحتاج إلى الحرارة لتنظيف السائل، لكن عملية تحضير الغاز للنقل تتخلص تماماً من نوع الحرارة الذي يحتاجه. وقد اقترح باحثون من الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا (NTNU) ومعهد "سينتيف" (SINTEF) لأبحاث الطاقة طريقة لحل هذا اللغز. فهم يقترحون ربط نظام التبريد بنظام التسخين في حلقة ذكية، مما يحول منتجاً مهدرًا إلى مورد مفيد.

ركز الفريق على إعداد محدد يُستخدم في مصانع الأسمنت حيث يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون ثم تسييله. في النسخة القياسية من هذه العملية، يتم تبريد الغاز باستخدام دورة تبريد تعتمد على الأمونيا، وهي مبرد صناعي شائع. وبينما تمتص الأمونيا الحرارة من ثاني أكسيد الكربون لتبريده، تسخن الأمونيا نفسها. وفي المصنع التقليدي، يتم تبريد الأمونيا الدافئة هذه عن طريق إطلاق حرارتها في الهواء المحيط، مما يعني عملياً التخلص من الطاقة التي امتصتها للتو. وقد طرح الباحثون سؤالاً بسيطاً: ماذا لو، بدلاً من التخلص من تلك الحرارة، استخدمناها لتنظيف سائل التقاط الكربون؟

ولجعل هذا يعمل، صمموا نظاماً يعمل مثل "مصعد حراري". فقد أضافوا حلقة ثانية إلى إعداد الأمونيا الحالي، باستخدام سائل مختلف يسمى "البنتان". تقوم الأمونيا الدافئة الناتجة عن دورة التبريد بنقل حرارتها إلى البنتان. وهذه الحرارة كافية لجعل البنتان يغلي ويتحول إلى غاز. وعند ضغط غاز البنتان، يصبح أكثر سخونة. ثم يتم إرسال البنتان فائق السخونة هذا إلى الجزء الذي يحتاج إليه المصنع لتنظيف سائل التقاط الكربون. وهناك، يعطي حرارته للسائل، مما يرفع درجة حرارة السائل بما يكفي لتحرير ثاني أكسيد الكربون الملتقط حتى يمكن إعادة استخدام السائل. ثم يبرد البنتان، ويعود إلى حالة السائل، ويكون جاهزاً لالتقاط المزيد من الحرارة من الأمونيا، مما يخلق دورة مستمرة.

استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية متطورة لاختبار مدى نجاح هذه الفكرة في سيناريو واقعي. لقد قاموا بنمذجة مصنع يلتقط مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً. وأظهرت حساباتهم أن هذا النظام الجديد يمكنه بنجاح استعادة جزء كبير من الحرارة اللازمة لتنظيف السائل. وتحديداً، يمكن للنظام توفير حوالي 22 بالمائة من إجمالي الحرارة المطلوبة لتنظيف السائل إذا كان السائل يحتاج إلى كمية قياسية من الطاقة لإعادة التجديد. وإذا استخدم المصنع نوعاً أكثر كفاءة من السائل يتطلب حرارة أقل في الأصل، فيمكن للنظام تغطية ما يصل إلى 34 بالمائة من الاحتياج. وهذا يعني أن المصنع سيحتاج إلى حرق وقود أقل بكثير لتوليد البخار، مما يوفر المال ويقلل من الانبعاثات الإضافية.

كما درست الدراسة مقدار الطاقة التي سيستهلكها النظام الجديد لتشغيل المضخات والضواغط. ورغم أن إضافة الحلقة الإضافية تتطلب بعض الكهرباء الإضافية، إلا أن التوازن العام إيجابي. فقد وجد الباحثون أن النظام فعال للغاية في تحويل العمل الذي يقوم به إلى حرارة مفيدة. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، حقق الإعداد معدل كفاءة يزيد عن 57 بالمائة، وهو أداء قوي لنظام يقوم بمهمتين في آن واحد: تبريد الغاز وتسخين السائل. وهذا أفضل بشكل ملحوظ من النظام القياسي، الذي يكتفي بتبريد الغاز ويهدر الحرارة. واكتشف الفريق أن النظام يعمل بشكل أفضل عندما يتم ضغط ثاني أكسيد الكربون إلى ضغط محدد قبل تبريده، وهو تفصيل يسم يسمح باستعادة الحرارة عند درجة الحرارة المناسبة.

أحد المزايا الرئيسية لهذا النهج هو أنه لا يعتمد على الطقس أو موقع المصنع. ففي أجزاء كثيرة من العالم، تكافح مصانع الأسمنت للعثجد على حرارة مهدرة لأن المواد الخام تكون رطبة وتحتاج إلى تجفيف، مما يستهلك كل الطاقة الحرارية المتاحة. وفي تلك المناخات الرطبة، غالباً ما تفشل الطريقة المعتادة لسرقة الحرارة من أجزاء أخرى من المصنع. ومع ذلك، فإن هذا النظام الجديد يولد مصدر حرارته الخاصة في المكان الذي تشتد الحاجة إليه، باستخدام الطاقة من عملية التبريد نفسها. فهو يحول فعل تجميد ثاني أكسيد الكربون إلى وسيلة لتدفئة سائل التنظيف، مما يعيد تدوير الطاقة التي كانت ستُفقد لولا ذلك.

أقر الباحثون بأن بناء هذا النظام سيتطلب ضواغط أكبر وأقوى مما يستخدمه المصنع القياسي، وهو تحدٍ هندسي كبير. إذ يجب أن تتعامل الآلات مع تدفق سائل البنتان بكفاءة دون إهدار الطاقة. كما أشاروا إلى أنه بينما تعتمد نتائجهم على نماذجة حاسوبية، فإن الفيزياء الكامنة وراء التصميم سليمة وتعتمد على مبادئ الديناميكا الحرارية الراسخة. وتشير الدراسة إلى أن إعادة تجهيز محطات التقاط الكربون الموجودة بهذا النظام مزدوج الحلقة يمكن أن يكون مساراً قابلاً للتطبيق، خاصة للمنشآت التي تفتقر إلى مصادر أخرى للحرارة المهدرة. ومن خلال ربط احتياجات التبريد والتسخين في المصنع، توفر هذه التكنولوجيا وسيلة لجعل التقاط الكربون أقل استهلاكاً للطاقة وأكثر عملية لصناعة الأسمنت، مما يساعد في تحويل مصدر رئيسي للتلوث إلى جزء يمكن إدارته من الحل.