استعادة الحرارة المستهلكة

تحت حديقة في هلسنكي، في كهوف مقطوعة في الصخر الأساسي، يأخذ صف من مضخات الحرارة الكبيرة الحرارة من المياه المستعملة المعالجة للمدينة ومن المياه العائدة من شبكة التبريد المحلية، ويضعها في التدفئة المحلية التي تدفئ المنازل. أنتجت محطة كاتري فالا، التي تديرها شركة الطاقة في المدينة هيلين، 570,000 ميجاواط ساعة من الحرارة في عام 2017 من خمس مضخات حرارية كبيرة، وكان من المتوقع أن يزيد سادس منها، أضيف في عام 2021، بنسبة تصل إلى 200,000 ميجاواط ساعة سنويًا؛ وصلت طاقته إلى حوالي 123 ميجاواط (Wikipedia, Energy in Finland، استشهد ب Helen، 2018). كان البرد موجوداً بالفعل وكان يسقط في بحر البلطيق.

الحرارة المستهلكة هي أكبر “مصدر للطاقة” لا يحسبه أحد A 2016 study estimated that 72% of the world’s primary energy is lost after conversion, mostly as heat, and that 63% of the waste heat streams are below 100 °C (Forman et al., 2016). والرقم الثاني هو الرقم الهام. إن الحرارة التي تبرد إلى درجة لا فائدة منها تقريباً في إنتاج الكهرباء، ولكنها مفيدة جداً لتدفئة المباني. وتشرح هذه الصفحة لماذا، وما الذي يتطلبه استخدامها.

ما هو

ويعني استرداد الحرارة المستهلكة احتجاز الحرارة التي تطلقها العملية على أي حال وتسليمها إلى شيء يحتاج إلى حرارة. وله ثﻻثة أشكال شائعة:

• الاستخدام المباشر. ويمر الماء الساخن أو الغاز من مصنع أو مرفق ترميد أو محطة لتوليد الطاقة عبر مبدل حراري إلى شبكة للتدفئة المحلية أو عملية أخرى. هذه هي الطريقة التي بدأت بها معظم شبكات التدفئة في الدنمارك والسويد.
• مضخات حرارية على مصادر باردة. وتتراوح درجة حرارة مياه المجارير ومراكز البيانات والمتاجر الكبرى وأنفاق المترو ومياه التبريد بين 10 و40 درجة مئوية فقط. وتقوم مضخة حرارية كبيرة برفع درجة الحرارة إلى ما بين 60 و90 درجة مئوية التي تحتاجها الشبكات، مستخدمة كهرباء أقل بكثير مما يستعمله المراجل.
• صنع الكهرباء ويمكن لغاز العادم الساخن من القمائن والأفران والمحركات، الذي تزيد درجة حرارته عادة عن 200 درجة مئوية، أن يقود توربينة بخارية أو دورة رانكيني عضوية، وهي توربينة صغيرة تستخدم سوائل تغلي في درجات حرارة أدنى من درجة حرارة الماء.

كيف يعمل

قيمة الحرارة تحدد بدرجة حرارتها. وكيلوواط ساعة من الحرارة عند درجة حرارة 30 درجة مئوية وكيلووات ساعة عند درجة حرارة 600 درجة مئوية هما نفس كمية الطاقة ولكنهما ليسا نفس المورد. كفاءة كارنو، وهي الحد الأقصى لأي محرك يحول الحرارة إلى عمل، هي η = 1 − T_cold / T_hot، مع درجات حرارة بالكيلفين. مع درجة حرارة محيطة قدرها 25ºس (298 كلفن):

• الحرارة عند 30 درجة مئوية (303 كلفن): 1 − 298/303 = 1.6%
• الحرارة عند 90ºس (363 كلفن): 1 − 298/363 = 18%
• الحرارة عند 300 درجة مئوية (573 كلفن): 1 − 298/573 = 48%

أما الآلات الحقيقية فتصل إلى أقل من نصف هذه الحدود القصوى. وتقوم دورات رانكين العضوية، وهي الخيار المعتاد لاستعادة الكهرباء من الحرارة المعتدلة، عادة بتحويل ما يقرب من 5 إلى 20 في المائة من الحرارة، مع ارتفاعها مع درجة حرارتها (كويلان وآخرون، 2013). وفي درجات حرارة تقل عن 80 درجة مئوية تقريباً، نادراً ما يكون توليد الكهرباء يستحق الآلات.

وتعمل المضخات الحرارية بالعكس. سقف مضخة حرارية هو COP = T_hot / (T_hot − T_cold): كلما صغرت المصعد، زادت الحرارة لكل وحدة من وحدات الكهرباء. وإذا ارتفعت درجة حرارة مركز البيانات من 30 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية، فإن معامل التفاعل الحراري (Carnot COP) يبلغ حوالي 6.4؛ وتصل المضخات الحرارية الكبيرة حقاً إلى النصف تقريباً، أي نحو 3 درجات مئوية. لذا 100 كيلووات ساعة من الحرارة المستنفدة عند درجة حرارة 30 درجة مئوية مضافا إليها نحو 45 كيلووات ساعة من الكهرباء تصبح حوالي 145 كيلووات ساعة من حرارة الشبكة. ولا تُهدر الكهرباء: بل تنتهي في شكل حرارة أيضاً.

والمسافة هي العائق الآخر. حركة الحرارة مكلفة وتكلفة الأنابيب والخنادق والضخ أعلى بكثير لكل كيلووات ساعة من تكلفة كابلات الكهرباء، كما أن الماء الساخن يفقده الحرارة في الطريق. والحرارة الضائعة قيمة عندما يكون مستخدم الحرارة يجلس بالقرب من المصدر، أو عندما تكون شبكة التدفئة قد مرّت بالفعل. تعمل شبكات “الجيل الرابع” الحديثة في درجات حرارة منخفضة (حوالي 50 إلى 70 درجة مئوية) بحيث يمكن استخدام المزيد من الحرارة المنخفضة الدرجة (لوند وآخرون، 2014).

والوقت هو السبب الثالث. وينتج مركز البيانات الحرارة طوال السنة؛ وتحتاج المنازل إلى معظمها في فصل الشتاء. وتقوم الشبكات بموازنة ذلك بتخزين الحرارة ومصادر حرارية أخرى، وفي الصيف بإلقاء الحرارة التي لا يمكن استخدامها.

الحدود

• درجة الحرارة. ومعظم الحرارة المستنفدة باردة جداً لدرجة لا تسمح بتحويلها إلى كهرباء. إن معادلة كارنو غير قابلة للتفاوض.
• المسافة والمصدر البعيد عن أي مستخدم للحرارة لا قيمة له عمليا، مهما كان كبيرا.
• عدم التوافق في الوقت. والحرارة في الصناعة ومراكز البيانات ثابتة؛ والطلب على التدفئة موسمي ويبلغ ذروته في الصباح البارد.
• الموثوقية والعقود. ولا يمكن أن تعتمد الشبكة على مصنع قد يغلقه أو مركز بيانات قد ينتقل. والعقود والقدرة الاحتياطية وتقاسم المخاطر لا تقل أهمية عن الهندسة.
• الكفاءة أولا. وأفضل حرارة نفايات هي الحرارة التي لا تنتج. وتؤدي العمليات المحسنة والخواديم الكفؤة إلى تقليل ما هو متاح للاسترداد، وهذا أمر جيد.

المشاريع الفعلية، المقيسة

المشروع	أين ومتى	مصدر الحرارة والمقياس	ما يبلغ عنه
محطة كاتري فالا للتدفئة والتبريد	هلسنكي، فنلندا، منذ عام 2006، وتوسع منذ ذلك الحين	مياه الصرف الصحي المعالجة ومياه العودة للتبريد المحلي، مضخات حرارية كبيرة في كهوف صخرية	570,000 MWh of heat in 2017 from five heat pumps; a sixth from 2021 adds up to 200,000 MWh a year; about 123 MW in total (Helen, 2018; Wikipedia)
مركز بيانات ميتا أودنس مع شركة Fjernvarme Fyn	أودينسي، الدانمرك، منذ عام 2020	حرارة الخواديم التي ترفعها مضخات حرارية إلى شبكة المدينة	Goal: 100,000 MWh of heat a year, enough for 6,900 homes (Meta, 2020)
حدائق بيانات استكهولم	ستوكهولم، السويد، منذ عام 2017	ستوكهولم Exergi تشتري الحرارة من مراكز البيانات لشبكة المدينة	برنامج لـ”صناعة مركز بيانات لا يجري فيه إهدار الحرارة” (Stockholm Data Parks)
مراكز البيانات في شمال أوروبا	فنلندا، السويد، الدانمرك، النرويج	الإمكانات المحسوبة	Data-centre heat could cover a noticeable share of district heating in Nordic cities if networks and prices allow (Wahlroos et al., 2018)

وتشير إشارتان من إشارات السياسة العامة إلى المسار الذي يسير فيه هذا الأمر. تشترط ألمانيا الآن على مراكز البيانات الجديدة التي تبدأ العمل اعتبارًا من يوليو 2026 أن تعيد استخدام ما لا يقل عن 10٪ من طاقتها، وترتفع إلى 15٪ اعتبارًا من يوليو 2027 و 20٪ اعتبارًا من يوليو 2028، ما لم يكن هناك اتفاق لشبكة التدفئة (Energieeffizienzgesetz، القسم 11). وتشهد مراكز البيانات نمواً سريعاً: تقدر الوكالة الدولية للطاقة أنها استخدمت حوالي 415 تيراواط ساعة من الكهرباء في عام 2024، أي ما يعادل حوالي 1.5% من الكهرباء العالمية، متجهة نحو حوالي 945 تيراواط ساعة بحلول عام 2030 (IEA, Energy and AI, 2025). وينتهي الأمر بكل هذه الكهرباء تقريباً إلى أن تصبح حرارة منخفضة الحرارة.

وفي الدانمرك وفنلندا والسويد، تمثل إمدادات التدفئة المحلية حصة كبيرة من سوق التدفئة، ولهذا السبب فإنها تتصدر استخدام الحرارة المستنفدة (فيرنر، 2017.). وفي أماكن أخرى، تكون القطع المفقودة عادة هي الشبكة وليس الحرارة.

ما هي تكلفتها

Waste-heat recovery does not generate electricity, so the site-wide benchmark (rooftop solar at about $0.19 per kWh in our Fan Wall model, within Lazard’s June 2026 range of $0.09 to $0.20 for commercial rooftop solar) applies only to the small high-temperature cases that make electricity. وفيما يتعلق بالتدفئة، فإن المنافسين هم مرجل الغاز. باستخدام نفس الأرقام المقربة كما في نموذجنا معدات التخزين الحراري (الغاز بالجملة بسعر 35 يورو لكل ميغاواط/ساعة، والفحم بسعر 70 يورو للطن الواحد، و90 في المائة من المراجل)، وتكاليف حرق الغاز حوالي 5 إلى 6 سنتات يورو لكل كيلووات/ساعة.

وتتطلب الحرارة المستمدة من مصدر ذو درجة حرارة منخفضة عن طريق مضخة حرارية كبيرة الكهرباء التي يقسمها مجمع التبريد، بالإضافة إلى المعدات الموزعة على الحرارة التي يوفرها. Published costs for large heat pumps and connections vary widely by site, so we show the range as a calculation (20 years, 7% real discount rate, COP 3, pipes and connection not included):

تكلفة تركيب مضخة حرارية لكل كيلوواط من الحرارة	Electricity €50 per MWh, 3,000 hours a year	Electricity €50, 6,000 hours	Electricity €100, 3,000 hours	Electricity €100, 6,000 hours
€500	3.2 c	2.4 (ج)	4.9(ج)	4.1 c
€1,000	4.8 ج	3.2 c	6.5(ج)	4.9(ج)
€1,500	6.4 (ج)	4.0(ج)	8.1 c	5.7 ج

• سنتات اليورو لكل كيلووات ساعة من الحرارة. حسابنا: تكلفة المعدات × 0.0944 ÷ ساعات + سعر الكهرباء ÷ 3*

الحرارة المستردة تنافس عادة الغاز عندما تعمل المضخة الحرارية لساعات عديدة في السنة ويكون المصدر بجوار شبكة. وتتمثل نقاط ضعفها في اﻷنابيب )يمكن أن يكلف ربط جديد بطول بضعة كيلومترات أكثر من تكلفة المضخة الحرارية( وخطر اختفاء المصدر. والاستخدام المباشر للحرارة الصناعية الساخنة، دون مضخات حرارية على الإطلاق، هو عادة أرخص أنواع الحرارة التي يمكن لشبكة ما أن تشتريها.

أما توليد الكهرباء من الحرارة المستهلكة فهو أمر مختلف: فوحدات التبريد والتجميد التلقائي لا تنافس إلا حيثما تكون الحرارة ساخنة ومستقرة وغير مكلفة، وحتى في هذه الحالة يكون ناتجها صغيراً بالمقارنة مع الحرارة التي تدخل.

حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع

ويمكن أن يفوز:

• المدن التي توجد بها شبكات للتدفئة )ب( بالقرب من مراكز البيانات، ومرافق الصرف الصحي، وشبكات المترو، والمتاجر الكبرى والمصانع.
• المجمعات الصناعيةحيث تكون الحرارة المستنفدة من مصنع ما هي حرارة العمليات في مصنع آخر.
• مراكز البيانات الجديدة (ب) مصممة منذ البداية لتزويد الماء الساخن، ولا سيما مع التبريد السائل عند درجة حرارة تتراوح بين 40 و60 درجة مئوية.
• صناعة درجات الحرارة المرتفعة (الأسمنت، الزجاج، الصلب، المواد الكيميائية)، حيث يمكن أن تدفع العادم التي تتجاوز درجة حرارتها 250 درجة مئوية توربيناً بخارياً أو توربيناً حرارياً للحصول على الكهرباء، أو تسخين المواد مسبقاً.
• Sewage heat, which is steady, close to cities and available in winter.

لا يمكن أن يفوز:

• المصادر البعيدة (ب) دون وجود مستخدم للحرارة بالقرب منه: مركز بيانات صحراوي أو محطة معزولة.
• تحويل الحرارة المنخفضة إلى كهرباء. عند درجة حرارة تتراوح بين 30 و60 درجة مئوية، يكون سقف كارنو بنسبة قليلة؛ ولا يوجد أداة تغير ذلك.
• الأماكن التي لا توجد بها شبكات للتدفئةحتى يبني أحدهم واحداً وعادة ما تكون الشبكة، وليس الحرارة، هي الاستثمار الحقيقي.
• كسبب للحفاظ على العمليات المهدرة. الكفاءة أولا.

ما هو مؤكد وممكن ومقبول

أثبتت: )ج( حدود كارنو على تحويل الحرارة إلى طاقة ومضخات حرارية؛ واستعادة الحرارة على نطاق واسع من مراكز الصرف الصحي والبيانات في التدفئة المحلية في هلسنكي وأودنس واستكهولم؛ وشبكات التغذية بالحرارة الصناعية عبر الدانمرك والسويد؛ ووحدات استرداد الطاقة الكهربائية من العادم الصناعي الساخن.

معقول: معظم مراكز البيانات الكبيرة الجديدة في أوروبا توفر حرارة قابلة للاستخدام، بمساعدة من القواعد مثل تلك الألمانية؛ شبكات درجات الحرارة المنخفضة التي تأخذ المزيد من الحرارة المنخفضة؛ الخوادم المبردة بالسائل التي توفر المياه من 50 إلى 60 درجة مئوية والتي لا تحتاج إلا إلى مضخة حرارية قليلة أو لا تحتاج إليها.

المضاربة: الكهرباء المجدية اقتصادياً من الحرارة التي تقل عن 80 درجة مئوية؛ استعادة الحرارة في المدن التي لا توجد فيها خطة للشبكة؛ الألواح الكهربائية الحرارية على أسطح حرارية عادية مستهلكة تسدد تكاليفها بنفسها.

أسئلة البحث المفتوحة

• رسم الخرائط. :: أين، وبأي درجة حرارة وكمية، تتوافر الحرارة المستنفدة بالمقارنة مع الأماكن التي توجد فيها حاجة إلى الحرارة؟ الخرائط المفتوحة والمحلية نادرة.
• العقود والمخاطر. من يدفع ثمن التوصيل، ومن يتحمل المخاطرة إذا أغلق المصدر؟
• شبكات درجات حرارة منخفضة. (ب) كيفية تحويل الشبكات والمباني القائمة ذات درجات الحرارة العالية إلى تشغيل أكثر برودة.
• مضخات حرارية عالية الحرارة (ب) توفير البخار عند درجة حرارة تتراوح بين 120 و200 درجة مئوية للصناعة، من الحرارة المستنفدة عند درجة حرارة تتراوح بين 60 و100 درجة مئوية.
• التخزين الموسمي الذي يحتفظ بالحرارة الصيفية لمركز البيانات للشتاء.
• الأداء المقاس. نشر بيانات سنوية عن التدفئة الموردة والكهرباء المستخدمة والتكاليف للمشاريع الحقيقية.

ما يحتاجه النموذج الأولي العامل

وقد بلغت المضخات الحرارية والمبادﻻت الحرارية مرحلة النضج. وتوجد الابتكارات المفيدة في ربط المصادر بالمستعملين بأسعار زهيدة، وفي المضخات الحرارية العالية الحرارة، وفي التحكم. وينبغي أن يقدم النموذج العامل حرارة مقيسة إلى مستخدم حقيقي.

المرحلة	العمل	القرار الذي يمكِّنه	التكلفة الإجمالية	الوقت
1 - مراجعة الحسابات الحرارية	Measure the flow and temperature of a real waste stream for several weeks with loggers; map heat users within 1 to 2 km	هل هناك حرارة كافية، بدرجة حرارة مفيدة، قريبة بما فيه الكفاية من المستعمل؟	$5k to $20 ألف	1 to 3 months
2 - جهاز بيان عملي منضدي	مبادل حراري ومضخة حرارية بقدرة تتراوح بين 10 و50 كيلووات على المصدر الحقيقي، مع عدادات للحرارة والكهرباء	قياسات الثبات المستمر والتلوث والموثوقية في التدفق الحقيقي	$30k to $150 ألف	من 6 إلى 12 شهرا
3 - الربط التجريبي	ربط بمبنى واحد أو شبكة صغيرة، وبيانات لمدة سنة واحدة، وعقد للإمداد بالحرارة	التكلفة الفعلية لكل كيلووات ساعة من الحرارة ونموذج العقد	$0.3M to $2م	من 12 إلى 24 شهرا

من نحتاجه

• مهندسو التدفئة المحلية ومشغلي الشبكات.
• Heat pump specialists, especially for large and high-temperature machines.
• مديرو مراكز البيانات والطاقة الصناعية )ب( الرغبة في تقاسم بيانات درجة الحرارة والتدفق.
• مخططو المدن ومحللو نظم المعلومات الجغرافية (ج) رسم خرائط للمصادر والمستخدمين.
• المحامون والاقتصاديون (ب) تصميم عقود حرارية تتقاسم المخاطر بصورة عادلة.
• مهندسو العمليات (ب) لتنظيف مبادلات الحرارة من القذارة والتآكل في المجاري القذرة مثل مياه الصرف الصحي وغازات المداخن.

هل لديك فكرة أفضل؟

وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة اتصالات يمكنهم أن يستمعوا إلى دعوة لفكرة قوية في مجال الطاقة. To be pitched, an idea needs a working, real-life model that actually produces power; for a heat-recovery idea, that means a model that delivers measured heat or electricity, with its output and its own energy use logged on instruments, not claimed. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. ولكن جمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يوجد هنا وعد بالتمويل أو العائدات أو العرض.

أرسل فكرتك من خلال نموذج المساهمة مع المشكلة التي تحلها، والتحقق الفيزيائي، والتكلفة التقريبية لكل كيلووات ساعة، وأرخص اختبار يمكن أن يثبت أنها خاطئة. إذا كان لديك نموذج عامل، يدرج ناتجه المقيس وكيف قمت بقياسه. صفحة مصادر الطاقة تقارن هذا والبدائل الأخرى على رادار الفكرة.

المصادر

1. موريتالا، أ. ك.، باردمان، ر.، وماير، ب. (2016). (ج) تقدير إمكانية حرارة النفايات العالمية. استعراضات الطاقة المتجددة والمستدامة 57، 1568-1579.
2. هيلين (2018). مضخة حرارية جديدة ستبنى مرة أخرى في هلسنكي؛ ويكيبيديا، الطاقة في فنلندا.
3. الهدف (2020). Odense data center: heat recovery.
4. بيانات حدائق ستوكهولم. الموقع الشبكي للبرنامج.
5. والروس، م.، وبارسينن، م.، ورينه، س.، وسيري، س.، ومانر، ج. (2018). آراء مستقبلية بشأن استخدام الحرارة المستنفدة: حالة مراكز البيانات في شمال أوروبا. استعراضات الطاقة المتجددة والمستدامة 82، 1749-1764.
6. كويلان، س.، فان دن بروك، م.، دكليه، س.، ديواليف، ب.، وليمور، ف. (2013). دراسة استقصائية تقنية - اقتصادية لنظم دورة رانكين العضوية. Renewable and Sustainable Energy Reviews 22, 168-186.
7. لوند، ﻫ.، وفيرنر، س.، وويلتشير، ر. (2014). 4th Generation District Heating (4GDH). الطاقة 68، 1-11.
8. فيرنر، س. (2017). الاستعراض الدولي للتدفئة والتبريد على مستوى المناطق. الطاقة 137، 617-631.
9. ألمانيا (2023). قانون كفاءة الطاقة، المادة 11: مراكز البيانات.
10. الوكالة الدولية للطاقة (2025). الطاقة والذكاء الاصطناعي.
11. لازارد (يونيو 2026). تكاليف الطاقة المتوازنة +، الصيغة 19.
12. Local Solar System المؤسسة. النموذج المفتوح للجدار المروحي: النقطة المرجعية للطاقة الشمسية على الأسطح وهي 0.19 دولار لكل كيلووات/ساعة.