Exergy Studies on Process Components of a Low Temperature Thermal Desalination (LTTD) Plant using Field Experiments

في المحيطات الشاسعة والمشمسة، تحكم حقيقة بسيطة ولكنها قوية حركة الحرارة: الماء الدافئ يرتفع، والماء البارد يهبط. هذا الانفصال الطبيعي يخلق خزانًا خفيًا من الطاقة، وهو تدرج حراري يوجد بين سطح البحر الذي لفحته الشمس والأعماق الباردة في الأسفل بعيدًا. لعقود من الزمن، نظر العلماء إلى هذا الفرق في درجات الحرارة ليس فقط كفضول طبيعي، بل كمحرك محتمل لحل واحدة من أكثر احتياجات البشرية إلحاحًا: المياه العذبة. تُسمى التكنولوجيا المصممة لتسخير هذه الطاقة بـ "تحلية المياه بالحرارة منخفضة الحرارة". وهي تعمل عن طريق أخذ مياه البحر السطحية الدافئة ووضعها في غرفة حيث يتم خفض الضغط لدرجة كبيرة تجعل الماء يغلي عند درجة حرارة أقل بكما بكثير من نقطة غليانه المعتادة. هذه العملية، المعروفة باسم التبخير الوميضي، تحول الماء الدافئ إلى بخار دون الحاجة إلى فرن أو نار. ثم يتم تبريد هذا البخار بواسطة مياه البحر الباردة والعميقة التي تُضخ من أعماق مئات الأمتار، مما يحولها مرة أخرى إلى مياه عذبة سائلة. إنها دورة نظيفة وأنيقة تستخدم حرارة المحيط لتنقية مياهه الخاصة، ولكن مثل أي آلة، فهي ليست مثالية؛ إذ يُفقد بعض الطاقة دائمًا في العملية، وتُهدر بطرق تقلل من كمية المياه العذبة التي يمكن للمحطة إنتاجها.

لقد شرع باحث في المعهد الوطني لتكنولوجيا المحيطات في الهند في قياس أين وكم تبلغ كمية الطاقة المفقودة بالضبط. لم يعتمد على المحاكاة الحاسوبية أو النماذج النظرية وحدها؛ بل ذهب بدلاً من ذلك إلى محطة تحلية تعمل في "مينيكوي" لمراقبة العملية في الواقع الحي. كان هدفه إجراء تحليل "الإكسيرجي" (exergy)، وهو أسلوب للنظر في الطاقة لا يسأل فقط عن مقدار الحرارة الموجودة، بل عن مقدار العمل المفيد الذي يمكن أن تقوم به تلك الحرارة. بعبارات بسيطة، بينما لا تُدمر الطاقة أبدًا، يمكن أن تصبح أقل فائدة مع انتشارها أو اختلاطها بمحيطها. أراد الباحث رسم خريطة لهذه الخسائر داخل "نبضات القلب" الرئيسيتين للمحطة: المبخر الوميضي، حيث يتحول الماء إلى بخار، والمكثف السطحي، حيث يتحول ذلك البخار مرة أخرى إلى ماء. ومن خلال تتبع درجات الحرارة والضغط ومعدلات التدفق بدقة أثناء التشغيل الفعلي، هدف إلى تحديد النقاط المحددة التي تتسرب منها كفاءة النظام.

لاحظ الباحث المحطة وهي تعمل مع دخول مياه سطحية دافئة عند حوالي 28 درجة مئوية ومياه تبريد عميقة تصل عند حوالي 12 درجة مئوية. وراقب الماء الدافئ وهو يدخل غرفة مفرغة كبيرة، حيث تسبب انخفاض الضغط في تحوله فورًا إلى بخار. ارتفع هذا البخار، تاركًا الملح خلفه، ثم انتقل إلى مكثف حيث التقى بالأنابيب الباردة التي تحمل مياه البحر العميقة. وعندما لامس البخار المعدن البارد، تكثف إلى مياه شرب عذبة. قام الباحث بقياس الطاقة الداخلة والخارجة من هذه المكونات، وحسب كفاءة كل خطوة. ووجد أن عملية التكثيف، حيث يتحول البخار مرة أخرى إلى ماء، كانت فعالة بشكل مفاجئ، حيث استعادت حوالي 67 بالمائة من الطاقة المفيدة المتاحة. ومع ذلك، كانت عملية التبخير الوميضي أقل كفاءة، حيث حققت حوالي 34 بالمائة فقط. وعند النظر إلى النظام بأكمله من البداية إلى النهاية، استقرت الكفاءة الإجمالية للمحطة عند متوسط 22 بالمائة. وهذا يعني أنه مقابل كل وحدة من إمكانات الطاقة المفيدة التي جلبها مياه البحر الدافئة، تم تحويل حوالي خمس فقط بنجاح إلى العمل المتمثل في صنع المياه العذبة، بينما فُقد الباقي بسبب الاحتكاك والاختلاط الحتمي في العالم المادي.

أظهرت الدراسة أن درجة حرارة الماء لعبت دورًا حاسمًا في مقدار الطاقة المهدرة. عندما نظر الباحث في المبخر الوميضي، لاحظ أنه مع ارتفاع درجة حرارة الماء الدافئ الداخل، زادت كمية الطاقة المفقودة أيضًا. قد يبدو هذا منافيًا للحدس، حيث أن الماء الأكثر سخونة يعني عادةً المزيد من التبخر، لكن الدراسة أظهرت أن الفجوة الكبيرة بين الماء الساخن ودرجة الحرارة داخل غرفة الفراغ خلقت مزيدًا من الاضطراب، أو "الإنتروبيا"، مما دمر الطاقة المفيدة. وبالمثل، عندما انخفض الضغط داخل المبخر بسرعة كبيرة، تسبب ذلك في مزيد من الخسائر. وفي المكثف، كانت القصة مختلفة قليلاً؛ فقد وجد الباحث أنه إذا كانت مياه التبريد القادمة من أعماق المحيط أكثر دفئًا، فإن فقدان الطاقة ينخفض بالفعل. وذلك لأن صغر الفارق في درجات الحرارة بين البخار الساخن والماء البارد يعني انتقالًا حراريًا أكثر سلاسة وأقل فوضوية. ومع ذلك، إذا دفعوا الكثير من مياه التبريد عبر الأنابيب، فإن احتكاك الماء أثناء حركته ضد المعدن خلق خسائر جديدة، مما يثبت أن هناك توازنًا دقيقًا يجب مراعاته في سرعة حركة الماء.

ربما كانت النتيجة الأكثر أهمية هي أن الكفاءة الإجمالية للمحطة لم تتغير بشكل كبير بمجرد تعديل درجات الحرارة طفيفًا. بدا أن النظام لديه حد طبيعي، يحوم حول علامة 22 بالمائة بغض النظر عن التعديلات الصغيرة في معدلات التدفق أو درجات الحرارة المحددة لمياه السحب. وخلص الباحث إلى أن أكبر فرص التحسين تكمكن في تقليل فروق درجات الحرارة داخل المكونات نفسها. ولتحقيق أقصى استفادة من هذه التكنولوجيا، تحتاج المحطة إلى العمل بأدفأ مياه سطحية ممكنة للتبخير وأبرد مياه عميقة ممكنة للتكثيف، مع الحفاظ على تغيرات درجات الحرارة الداخلية لطيفة قدر الإمكان. لم تدعِ الدراسة أنها حلت مشكلة التحلية، لكنها قدمت خريطة واضحة ومقاسة لأين تذهب الطاقة. ومن خلال تحديد مكان اختفاء الطاقة المفيدة بدقة، يقدم هذا العمل دليلًا عمليًا للمهندسين الذين يرغبون في بناء محطات أفضل وأكثر كفاءة في المستقبل، وتحويل دفء المحيط الطبيعي إلى مصدر أكثر موثوقية للمياه العذبة لأولئك الذين يحتاجون إليها.