تُعدّ محركات الديزل من أهم مصادر القدرة الميكانيكية المستخدمة في التطبيقات الصناعية ومحطات توليد الطاقة ووسائل النقل، إلا أن جزءًا كبيرًا من الطاقة الكيميائية للوقود لا يتحول إلى شغل ميكانيكي مفيد، بل يُفقد على هيئة حرارة تنتقل إلى غازات العادم ونظام التبريد والمحيط الخارجي. ومن هنا تبرز أهمية تقنيات استعادة الحرارة المهدورة (Waste Heat Recovery) بوصفها أحد الحلول الهندسية التي تسهم في رفع كفاءة استخدام الوقود وتقليل استهلاك الطاقة والانبعاثات الناتجة عن تشغيل المحركات. تهدف هذه المقالة إلى دراسة إمكانية استعادة الطاقة الحرارية من غازات عادم محركات الديزل وتحويلها إلى طاقة كهربائية باستخدام المولدات الكهروحرارية، إضافة إلى مناقشة استخدام دورة رانكن العضوية (Organic Rankine Cycle – ORC) بوصفها تقنية بديلة لاستثمار الحرارة المهدورة. وتتضمن الدراسة شرحًا للمبدأ الفيزيائي، ومكونات منظومة الاستعادة، والمعادلات الحرارية والكهربائية الحاكمة، والعوامل المؤثرة في الأداء، فضلًا عن التحديات الفنية والاقتصادية المرتبطة بالتطبيق. وتوضح المناقشة أن الاستفادة من حرارة العادم يمكن أن تسهم في تحسين الكفاءة الكلية للمحرك، شريطة تحقيق توازن مناسب بين الطاقة الكهربائية المسترجعة والقدرة الإضافية التي قد يستهلكها النظام.تُستخدم محركات الديزل على نطاق واسع بسبب كفاءتها الحرارية المرتفعة نسبيًا، وقدرتها على إنتاج عزم دوران مرتفع، وملاءمتها للتطبيقات التي تتطلب تشغيلًا مستمرًا. ومع ذلك، لا يمكن تحويل كامل الطاقة الحرارية الناتجة عن احتراق الوقود إلى شغل ميكانيكي على عمود المحرك، إذ تتوزع الطاقة الداخلة بين الشغل المفيد، وحرارة غازات العادم، والحرارة المنتقلة إلى سائل التبريد، والفواقد الحرارية والميكانيكية الأخرى. وتُعد غازات العادم أحد المسارات المهمة لفقد الطاقة، إذ تغادر أسطوانات المحرك وهي تحمل طاقة محسوسة يمكن استثمار جزء منها بواسطة منظومات استعادة الطاقة الحرارية. وتعتمد كمية الطاقة المتاحة على درجة حرارة العادم، ومعدل تدفقه الكتلي، والحمل التشغيلي للمحرك، ونسبة الهواء إلى الوقود، وتصميم نظام العادم. تتمثل الفكرة الأساسية في التقاط جزء من هذه الحرارة وتحويله إلى طاقة كهربائية يمكن استخدامها لتغذية الحساسات ووحدات التحكم والمراوح والمضخات والأحمال الكهربائية المساعدة، أو تقليل الحمل الكهربائي الواقع على المولد التقليدي للمحرك. وتكتسب هذه التقنية أهمية خاصة في المحركات العاملة لفترات طويلة، حيث يمكن أن يؤدي استرداد جزء من الطاقة المهدورة إلى فوائد تراكمية في استهلاك الوقود. أجرى الباحثان Temizer و İlkılıç, مراجعة لأداء أنظمة المولدات الكهروحرارية المستخدمة مع محركات الديزل، وناقشا تحويل حرارة العادم إلى كهرباء مباشرة. كما أظهرت دراسة تجريبية منشورة في مجلة Energy Conversion and Management أن منظومة كهروحرارية مطورة، تضم ( 40) وحدة مخصصة، حققت قدرة قصوى تقارب \(119) واط وكفاءة تحويل تقارب (2.8\%) في ظروف الاختبار المحددة. اضافة الى ما ذكر اعلاه , بينت دراسة منشورة حول محركات الديزل صغيرة السعة أن كفاءة التحويل الكهروحراري تراوحت بين \(1.3%) و (6.2%) ضمن ظروف التجارب، بينما كان التحسن في الكفاءة الكلية للمحرك محدودًا نسبيًا، بحدود \(0.2%) إلى (0.8%). . كما تناولت دراسة منشورة عام 2024 في International Journal of Heat and Technology تحليل الطاقة والإكسرجي لمولد كهروحراري مركب على عادم محرك ديزل، مما يبرز أهمية دراسة جودة الطاقة والفواقد الحرارية، وليس كمية الطاقة وحدها. . مبدأ استعادة الطاقة من غازات العادم تعتمد منظومة استعادة الطاقة على استخلاص جزء من الحرارة التي تحملها غازات العادم بعد خروجها من أسطوانات المحرك، ثم تحويل هذه الحرارة إلى شكل مفيد من الطاقة. ويجب التمييز بين عمليتين مختلفتين: • استعادة حرارة العادم (Exhaust Waste Heat Recovery): استثمار الحرارة لتوليد الكهرباء أو إنتاج طاقة حرارية مفيدة. • إعادة تدوير غازات العادم (Exhaust Gas Recirculation – EGR): إعادة جزء من غازات العادم إلى مجرى السحب للتحكم في انبعاثات أكاسيد النيتروجين؛ وهي ليست بحد ذاتها عملية لتوليد الكهرباء. 2.1 المولدات الكهروحرارية تُعد المولدات الكهروحرارية من التقنيات المناسبة لاستعادة الحرارة المهدورة؛ لأنها تحول الفرق في درجة الحرارة مباشرة إلى كهرباء اعتمادًا على تأثير سيبك (Seebeck Effect). فعندما تتعرض إحدى جهتي الوحدة الكهروحرارية لدرجة حرارة مرتفعة، بينما تبقى الجهة الأخرى أبرد، ينشأ فرق في الجهد الكهربائي يمكن الاستفادة منه لتوليد تيار عند توصيل حمل كهربائي. تتكون الوحدة الكهروحرارية عادةً من عناصر شبه موصلة من النوعين p و n، موصولة كهربائيًا على التوالي وحراريًا على التوازي. وتُثبت هذه الوحدات على سطح ناقل للحرارة يستقبلها من غازات العادم، في حين تتصل الجهة الباردة بمشتت حراري أو مبادل حراري مائي. تتأثر القدرة الكهربائية الناتجة بفرق درجات الحرارة بين جانبي الوحدة، وخصائص المادة الكهروحرارية، والمقاومة الكهربائية الداخلية، وجودة التلامس الحراري، وكفاءة التبريد. وقد أظهرت دراسة تجريبية على محرك ديزل أن تحسين تصميم وحدات التوليد والتبادل الحراري يمكن أن يرفع القدرة الكهربائية المسترجعة إلى نحو 119 واط بكفاءة تحويل حراري إلى كهربائي تقارب 2.8% ضمن ظروف التجربة المحددة. 2.2 دورة رانكن العضوية تُستخدم دورة رانكن العضوية (ORC) لاستثمار الحرارة من خلال تسخين مائع عامل ذي درجة غليان مناسبة، ثم استخدام البخار الناتج لتشغيل ممدد أو توربين متصل بمولد كهربائي. وبعد ذلك يُكثف المائع ويُضخ مجددًا إلى المبادل الحراري. يمكن أن تكون هذه التقنية مناسبة لمحركات الديزل المتوسطة والكبيرة التي تتوفر فيها كميات معتبرة من الحرارة المهدورة، لكنها أكثر تعقيدًا من المولدات الكهروحرارية بسبب احتياجها إلى مضخة ومكثف وممدد ومائع عامل ومنظومة تحكم. وتشير المقارنات الحرارية المنشورة إلى أن دورة رانكن العضوية قد تحقق قدرة مسترجعة أعلى من المولدات الكهروحرارية في بعض التطبيقات الثقيلة، مع اختلاف النتائج بحسب حجم المحرك وظروف تشغيله والتصميم المستخدم. 3. التصميم المقترح لمنظومة توليد الكهرباء يمكن تصميم منظومة تجريبية لاستعادة الحرارة من عادم محرك ديزل ثابت السرعة، مثل محرك مولد كهربائي، باستخدام وحدات كهروحرارية ومبادل حراري مائي. وتتيح هذه المنظومة إجراء اختبارات عند أحمال تشغيل مختلفة وقياس الطاقة المسترجعة. تتكون المنظومة من الاجزاء التالية: 1. مبادل حراري للعادم: يُصنع من مادة تتحمل درجات الحرارة المرتفعة والتآكل، ويُصمم بحيث يحقق انتقالًا جيدًا للحرارة مع تقليل مقاومة تدفق غازات العادم. 2. وحدات كهروحرارية: تُختار وفق درجات حرارة التشغيل المسموح بها، وليس وفق القدرة الاسمية وحدها. 3. منظومة تبريد: تشمل مشتتًا حراريًا أو مبادلًا مائيًا، وقد تحتاج إلى مضخة؛ ويجب احتساب القدرة التي تستهلكها. 4. دائرة إلكترونية: تتضمن تنظيم الجهد والتيار، وحماية الوحدات، وإدارة القدرة الكهربائية الناتجة. 5. أجهزة القياس: لقياس درجة حرارة العادم قبل المبادل وبعده، ودرجات حرارة جانبي الوحدات، ومعدل تدفق العادم أو تقديره، والجهد والتيار والقدرة الكهربائية، والضغط قبل المبادل وبعده. ينبغي ألا يؤدي تركيب المبادل الحراري إلى زيادة الضغط العكسي للعادم بدرجة تؤثر سلبًا في أداء المحرك أو استهلاك الوقود. كما يجب مراعاة درجات الحرارة القصوى، وتمدد المواد، والتسرب، والتكاثف والتآكل، وإمكانية صيانة المبادل. 4. العوامل المؤثرة في الأداء تتأثر كفاءة منظومة استعادة الطاقة الحرارية بعدة عوامل رئيسية: أولًا: حمل المحرك وسرعته. يؤدي ارتفاع الحمل غالبًا إلى زيادة درجة حرارة العادم ومعدل تدفقه، مما قد يزيد القدرة المسترجعة. ومع ذلك، يجب دراسة نقاط التشغيل المختلفة؛ لأن العلاقة ليست ثابتة في جميع المحركات. ثانيًا: فرق درجات الحرارة. تؤدي زيادة الفرق بين الجانب الساخن والجانب البارد للوحدات الكهروحرارية عمومًا إلى تحسين الجهد والقدرة الناتجين، ضمن حدود التشغيل المسموح بها. ثالثًا: تصميم المبادل الحراري. تزداد فاعلية استغلال الحرارة عند تحسين مساحة التبادل الحراري ومعامل انتقال الحرارة، لكن زيادة مساحة المبادل أو استخدام زعانف إضافية قد ترفع الضغط العكسي وتزيد كلفة التصنيع. رابعًا: كفاءة التبريد. يساعد خفض درجة حرارة الجانب البارد على المحافظة على فرق حراري مرتفع. وقد أظهرت دراسات تجريبية أن تحسين التبريد والتصميم الحراري يؤثر بوضوح في القدرة الكهربائية الناتجة من وحدات TEG. خامسًا: الخواص الحرارية والكهربائية للمواد. يجب اختيار الوحدات بما يتناسب مع درجة حرارة العادم الفعلية، مع تجنب تجاوز درجة الحرارة القصوى المسموح بها، واستخدام مواد ربط وعزل مناسبة. سادسًا: الضغط العكسي للعادم. قد يؤدي انخفاض ضغط العادم إلى زيادة الفواقد الضخية أو التأثير في كفاءة المحرك، ولهذا ينبغي تقييم الأثر الكلي للمنظومة بعد تركيب المبادل الحراري. 5. التحديات الفنية والاقتصادية على الرغم من المزايا المحتملة، تواجه منظومات استعادة حرارة العادم عددًا من التحديات، من أبرزها: 1. انخفاض كفاءة التحويل الكهربائي المباشر لبعض الوحدات الكهروحرارية. 2. ارتفاع كلفة بعض المواد والوحدات ذات الأداء الحراري المرتفع. 3. تعرض المكونات إلى الاهتزاز والدورات الحرارية المتكررة. 4. تراكم السخام والترسبات داخل المبادل الحراري، مما قد يخفض انتقال الحرارة. 5. استهلاك الطاقة في أنظمة التبريد والإلكترونيات المساعدة. 6. اختلاف درجات حرارة العادم ومعدلات تدفقه مع تغير الحمل. 7. ضرورة الحفاظ على متطلبات السلامة وعدم الإضرار بمنظومة العادم أو أنظمة معالجة الانبعاثات. ومن الناحية الاقتصادية، ينبغي حساب الطاقة الكهربائية الصافية المنتجة سنويًا، وكلفة تصنيع المنظومة وصيانتها، والعمر التشغيلي، وقيمة الكهرباء التي يمكن توفيرها. ولا يمكن الجزم بالجدوى الاقتصادية قبل توفر بيانات تجريبية خاصة بالمحرك المستهدف. 6. الاستنتاجات يمكن استخلاص الاستنتاجات الآتية: 1. تمثل غازات العادم مصدرًا مهمًا للطاقة الحرارية المهدورة التي يمكن استثمار جزء منها لتوليد الكهرباء. 2. توفر المولدات الكهروحرارية طريقة مباشرة لتوليد الكهرباء دون أجزاء ميكانيكية متحركة في وحدة التحويل نفسها، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب بساطة التركيب وقلة الصيانة. 3. تعتمد القدرة الكهربائية المسترجعة على درجة حرارة العادم، ومعدل تدفقه، وفرق درجات الحرارة عبر الوحدات، وكفاءة التبادل الحراري والتبريد. 4. يجب تقييم القدرة الصافية للمنظومة وأثر الضغط العكسي في استهلاك الوقود، وليس القدرة الكهربائية الإجمالية وحدها. 5. يمكن أن تكون دورة رانكن العضوية خيارًا مناسبًا لبعض محركات الديزل الأكبر حجمًا عندما تكون كمية الحرارة المتاحة كافية لتبرير تعقيد النظام وكلفته. 6. تتطلب معرفة الأداء الفعلي إجراء اختبارات تجريبية وتحليل حراري واقتصادي للمحرك وظروف تشغيله المحددة. وبناءً على ذلك، فإن استعادة الحرارة من غازات عادم محركات الديزل تمثل اتجاهًا واعدًا لتحسين كفاءة استخدام الطاقة. ويُعد تطوير مبادل حراري منخفض المقاومة، وتحسين التبريد.