استعادة الطاقة في أنظمة الضاغط

 تقدم محطة ضاغط مركزية في قطاع صناعي كبير يبلغ معدل استهلاكها 500 كيلو واط على مدار ما يزيد على 8000 ساعة تشغيل سنويًا معدل استهلاك طاقة سنويًّا يبلغ 4 ملايين كيلو واط في الساعة. وتمثل إمكانية استعادة كميات كبيرة من الحرارة المهدرة عبر الهواء الساخن أو الماء الساخن أمرًا حقيقيًّا. يمكن استعادة ما يصل إلى ‎94% من الطاقة التي يستهلكها الضاغط، على سبيل المثال، في صورة ماء ساخن بدرجة حرارة 90 درجة مئوية من الضواغط الحلزونية الخالية من الزيت. توضح هذه الحقيقة أن إجراءات التوفير تتيح عائدًا كبيرًا بشكل سريع. عادةً ما تكون دورة عائد الاستثمار لاستعادة الطاقة بين سنة إلى 3 سنوات. بالإضافة إلى ذلك، تحسّن الطاقة التي يتم استعادتها بواسطة نظام تبريد مغلق ظروف تشغيل الضاغط وموثوقيته وفترة خدمته نظرًا إلى مستوى درجة الحرارة المتعادل وجودة مياه التبريد العالية، وهذه الميزات هي على سبيل المثال لا الحصر. وتُعد بلدان الشمال إلى حد ما رائدة في هذا المجال وتمثل عملية استعادة الطاقة ممارسة مُتَّبعة منذ فترة كبيرة الآن فيما يخص عمليات تركيب الضاغط. ويتم الآن تعديل معظم الضواغط ذات الحجم المتوسط إلى الكبير الآتية من الموردين الرئيسيين لتتوافق مع المعدات القياسية بغرض تيسير استعادة الحرارة المهدرة.

توضح قوانين الفيزياء أن كل الطاقة تقريبًا التي يتم توفيرها لعملية تركيب الضاغط يتم تحويلها إلى حرارة. وكلما زادت الطاقة التي يمكن استعادتها واستخدامها في عمليات أخرى، زادت كفاءة النظام الإجمالية.

في كثير من الحالات، يمكن أن تتجاوز درجة استعادة الحرارة ‎90% إذا استُخدمت الطاقة المكتسبة عن طريق تبريد تركيب الضاغط بفعالية. وتُعد وظيفة نظام التبريد والمسافة إلى نقطة الاستهلاك ودرجة متطلب الحرارة واستمراريته كلها عوامل حاسمة. ومع التدفقات الحرارية الكبيرة، فإن بيع الطاقة الحرارية التي تم استعادتها أمر محتمل لا ينبغي تجاهله. ويمكن أن يكون مورد الطاقة الكهربائية عميلاً محتملاً، ويمكن التفاوض بسهولة على الاستثمار والطلب الفرعي والتسليم. كما توجد فرصة لتحقيق وفورات عن طريق تنسيق استعادة الطاقة من عدة عمليات.

لا تؤدي عملية استعادة الطاقة من تجهيزات الهواء المضغوط إلى إنتاج حرارة دائمًا عند الحاجة إليها، وفي كثير من الأحيان لا يتم ذلك بكميات كافية. تتفاوت كمية الطاقة التي يتم استعادتها مع مرور الوقت إذا كان حمل الضاغط متغيرًا. ولكي تكون عملية الاستعادة قابلة للتنفيذ، يلزم وجود طلب مقابل ومستمر نسبيًّا على الطاقة الحرارية. من الأفضل استخدام الطاقة الحرارية المهدرة المستعادة لتعويض النقص في الطاقة المورّدة إلى النظام. وبهذه الطريقة يتم استخدام الطاقة المتاحة دائمًا عند تشغيل الضاغط. تتمثل خيارات الضواغط المبرَّدة بالهواء التي تنتج معدل تدفق هواء ساخن مرتفعًا عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا في التسخين المباشر للمبنى أو التبادل الحراري إلى بطارية التسخين السابق. ثم يتم بعد ذلك توزيع هواء التبريد المسخّن باستخدام مروحة.يتم تصريف الهواء الساخن في الجو، إما تلقائيًا بواسطة التحكم في الترموستات أو يدويًّا بواسطة التحكم في مُخمّد الهواء، وذلك عندما لا تتطلب المباني حرارة إضافية. والعامل المحدد هو المسافة بين الضواغط والمبنى الذي يلزم تسخينه. ويجب أن تكون هذه المسافة محدودة (يُفضل أن تكون المسافة بين المباني المجاورة). علاوةً على ذلك، قد تقتصر إمكانية استعادة الحرارة على الفترات الأكثر برودة من العام. وتُعد استعادة الطاقة المنقولة بالهواء الأكثر شيوعًا بالنسبة إلى الضواغط الصغيرة والمتوسطة الحجم. كما تؤدي استعادة الحرارة المهدرة من أنظمة تبريد هواء الضاغط إلى معدلات فقد بسيطة فقط من التوزيع وتتطلب قدرًا أقل من الاستثمار.

يمكن لماء التبريد الناتج عن ضاغط مبرَّد بالماء مع درجة حرارة تصل إلى 90 درجة مئوية أن يُكمل نظام تسخين الماء الساخن. وفي حالة استخدام الماء الساخن عوضًا عن ذلك في عمليات الغسيل أو التنظيف أو الاغتسال، فلا تزال هناك حاجة إلى استخدام غلاية ماء ساخن ذات حمل أساسي عادي. وتُشكّل الطاقة التي تتم استعادتها من نظام الهواء المضغوط مصدرًا إضافيًا للحرارة يخفف الحمل على الغلاية، ويوفر وقود التسخين وقد يؤدي إلى استخدام غلاية أصغر حجمًا. تختلف المتطلبات الأساسية لاستعادة الطاقة من ضواغط الهواء المضغوط جزئيًا بناءً على نوع الضاغط. فمن السهل تعديل الضواغط الخالية من الزيت القياسية لتناسب هدف استعادة الطاقة. حيث يُعد هذا النوع من الضواغط مثاليًّا للدمج في نظام تسخين الماء الساخن لأنه يوفر درجة حرارة الماء (90 درجة مئوية) اللازمة لاستعادة الطاقة بكفاءة. وبالنسبة إلى الضواغط المشحَّمة بالزيت، يُعد الزيت الذي يمثل جزءًا من عملية الضغط عاملاً يُقلل من الاحتمالات بالنسبة إلى درجات حرارة ماء التبريد المرتفعة. أما بالنسبة إلى الضواغط التي تعمل بالطرد المركزي، تكون مستويات درجة الحرارة أقل بصفة عامة بسبب معدل الضغط المنخفض لكل مرحلة ضغط، ومن ثمَّ يؤدي ذلك إلى تقييد درجة الاستعادة. تُعد عملية استعادة الطاقة المهدرة المنقولة بالماء الأنسب بالنسبة إلى الضواغط التي تزيد قدرة محركها الإلكتروني عن 10 كيلو واط. وتتطلب هذه العملية تجهيزات أكثر تعقيدًا من تلك المستخدمة في استعادة الطاقة المهدرة المنقولة بالهواء. وتتكون المعدات الأساسية من مضخات السوائل ومبادلات حرارية وصمامات تنظيم. يمكن توزيع الحرارة على المباني البعيدة باستخدام أنابيب ذات أقطار صغيرة نسبيًا (تتراوح بين 40 مم إلى 80 مم) دون التسبب في معدلات فقد كبيرة للحرارة باستخدام عملية استعادة الطاقة المنقولة بالماء. وتعني درجة حرارة الماء الأولية المرتفعة أنه يمكن استخدام الطاقة المهدرة لزيادة درجة حرارة الماء المرتجع من غلاية الماء الساخن. ومن ثمَّ، يمكن إيقاف تشغيل مصدر التسخين العادي بشكل دوري واستبداله بنظام استعادة الحرارة المهدرة الخاص بالضاغط. يمكن أيضًا استخدام الحرارة المهدرة من الضواغط في قطاع المعالجة لزيادة درجة حرارة العملية. كما يمكن استخدام الضواغط الحلزونية المشحَّمة بالزيت والمبرّدة بالهواء لتطبيق استعادة الطاقة المهدرة المنقولة بالماء. ويتطلب هذا وجود مبادل حراري في دائرة الزيت، وسيوفر النظام الماء عند درجات حرارة أقل (من 50 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية) مما توفره الضواغط الخالية من الزيت.