الطاقة المجانية تحت قدميك.. تونس تكتشف حلا ذكيا للتدفئة

في زمنٍ تتزايد فيه تحديات الطاقة التي تواجه الدول ويتحمل المواطن تبعاتها المباشرة، تطرح دراسة علمية تونسية -نُشرت بدورية "رينيوبل إنرجي"- حرارة الأرض كحل واعد ومستدام لمشكلة ارتفاع استهلاك الطاقة، خاصة قطاع المباني.

وتُخزن في الطبقات القريبة من سطح الأرض، وعلى عمق بضعة أمتار فقط، درجة حرارة شبه ثابتة تتراوح بين 16 و20 درجة مئوية في تونس، وتمثل هذه الخاصية الحرارية موردا طبيعيا يمكن استغلاله من خلال أنظمة متقدمة تُعرف بـ "المضخات الحرارية الجوفية".

وأثبتت هذه الأنظمة كفاءتها في تجربة ميدانية نفذها فريق علمي من مركز البحوث والتقنيات في الطاقة بمدينة برج السدرية (شمال تونس). ومن جانبه، يصف الأمين العام لاتحاد خبراء البيئة العرب الدكتور مجدي علام هذا النظام بأنه "نموذج واعد" للطاقة المتجددة، يجمع بين الكفاءة الطاقية العالية والجدوى الاقتصادية على المدى الطويل، لا سيما البيئات التي تتميز بثبات نسبي بدرجة حرارة التربة، كما هو الحال في تونس، مشيرا إلى أن تعميم استخدامها يظل مشروطا بعدة عوامل، منها الكلفة الأولية والبنية التحتية والدعم الفني.

ويعتمد هذا النظام على الاستفادة من حرارة التربة الثابتة نسبيا طوال العام، لتوفير التدفئة (وفي بعض الأنظمة أيضا التبريد) ويعمل النظام بآلية مشابهة لعمل الثلاجة ولكن بالعكس، فبدلا من طرد الحرارة من الداخل إلى الخارج، تقوم المضخة بسحب الحرارة من باطن الأرض ونقلها إلى داخل المبنى.

ويتكون هذا النظام من شبكة أنابيب حرارية مدفونة أفقيا أو عموديا تحت الأرض، يمر عبرها سائل ناقل للحرارة (عادة مزيج من الماء ومادة مضادة للتجمد مثل الإيثيلين غليكول) ويمتص هذا السائل الحرارة من التربة ويُعاد تدويره عبر المضخة الحرارية.

وداخل المضخة، تُستخدم دورة تبريد عكسية تعتمد على ضاغط يقوم برفع ضغط السائل، مما يؤدي إلى ارتفاع حرارته، ليتم بعد ذلك نقل هذه الحرارة إلى أنظمة التدفئة داخل المبنى (مثل التدفئة الأرضية أو المشعات).

ولتعزيز أداء النظام، تم دمجه في الدراسة بـ"خزان حراري" مدفون تحت الأرض يعمل كعنصر مساعد لتخزين الحرارة الزائدة أثناء التشغيل العادي، ويتم استخدام هذه الطاقة المخزنة لاحقا في الأيام الباردة جدا، مما يُحسن من استقرار النظام وكفاءته الحرارية.

تجربة عملية

ولاختبار هذا النظام، قام الباحثون بإنشاء منظومة متكاملة من التدفئة الحرارية الأرضية في أحد مباني مركز البحوث والتقنيات في الطاقة بمدينة برج السدرية، وقد أثبت كفاءة ملحوظة خلال فترة التشغيل الشتوية.

وأظهرت البيانات المسجلة أن المبادل الحراري الأرضي، والمكون من أنابيب مدفونة تحت الأرض تمر عبرها سوائل ناقلة للحرارة (عادة خليط من الماء ومضاد تجمد) نجح في استخلاص طاقة حرارية تقدر بـ5 كيلوواط من حرارة التربة.

أما الخزان الحراري المدفون تحت الأرض، والذي يعمل كمصدر حراري مساعد يخزن الطاقة الزائدة خلال التشغيل العادي، فقد ساهم في توفير 2.5 كيلوواط حرارية إضافية عند الحاجة، خصوصا خلال الأيام شديدة البرودة، مما عزز من استقرار النظام وكفاءته الحرارية.

وأظهرت نتائج التجربة أن النظام يتمتع بكفاءة طاقة عالية، إذ بلغ معامل الأداء الخاص بالمضخة الحرارية نحو 4.53، أي أن كل وحدة كهرباء يستهلكها النظام تنتج ما يعادل 4.53 وحدات من الطاقة الحرارية.

وقد بلغ معامل الأداء الكلي للنظام، والذي يشمل جميع مكونات النظام مثل الخزان الحراري ونظام التوزيع، نحو 3.02، وهو ما يعد أداء ممتازا مقارنة بالأنظمة التقليدية للتدفئة.

وتؤكد النتائج أن هذا النظام لا يقتصر فقط على تقليل استهلاك الكهرباء، بل يحقق أيضا كفاءة تشغيلية عالية تُعزز من جدواه الاقتصادية، وهو ما يجعله خيارا واعدا في ظل تحديات الطاقة التي تواجهها تونس.

وأظهرت الدراسة الاقتصادية المرافقة أن هذا النظام قادر على تخفيض تكاليف التشغيل بنسبة تصل إلى 46% مقارنة بأجهزة التكييف التقليدية، وبنسبة تصل إلى 55% مقارنة بأنظمة التدفئة المركزية، وذلك على مدى 20 سنة من التشغيل المستمر.

عجز تونسي في الطاقة

وتأتي هذه التجربة في وقت حساس، حيث تواجه تونس عجزا في توازنها الطاقي، مع انخفاض الموارد بنسبة 38% بين عامي 2010 و2017، مقابل ارتفاع الطلب بنسبة 14%، وتشير التوقعات إلى أن قطاع المباني سيصبح أكبر مستهلك للطاقة بحلول عام 2030، مما يستدعي حلولا مبتكرة وفعالة.

وتوضح الدراسة أن الطاقة الحرارية الجوفية، سواء من الطبقات العميقة أو التربة القريبة من السطح، تمثل خيارا واعدا للطاقة البديلة في تونس.

فبينما تمتلك البلاد موارد طبيعية من المياه الجوفية الحارة في مناطق مثل قبلي ودوز والفاور، تُظهر الدراسة أنه حتى الحرارة الثابتة في التربة على أعماق ضحلة يمكن استغلالها بكفاءة من خلال أنظمة المضخات الحرارية الأرضية، دون الحاجة لموارد مائية حرارية عميقة.

فرص وتحديات

ومع أن النتائج التجريبية تبدو مشجعة، إلا أن تعميم استخدام هذا النظام على نطاق واسع يواجه مجموعة من التحديات التي تتطلب معالجة جدية لضمان التحول الفعلي نحو هذا النوع من الحلول المستدامة.

ويقول الدكتور علام إن أول هذه التحديات هو ارتفاع كلفة التركيب الأولية، حيث يتطلب النظام أعمال حفر متخصصة لتركيب الأنابيب المدفونة، إضافة إلى تجهيزات تقنية مثل المضخة الحرارية والخزان الحراري.

ورغم أن هذه التكاليف يمكن تعويضها لاحقا من خلال خفض فواتير التشغيل، فإنها تمثل عائقا ماليا حقيقيا أمام الأفراد والمؤسسات في مرحلة البدء، خاصة في ظل غياب برامج دعم حكومية موجهة، كما يوضح الدكتور علام.

أما التحدي الثاني، فيكمن ـوفقًا لعلام- في الحاجة إلى بنية تحتية مناسبة، إذ لا تصلح جميع المباني أو الأراضي لتركيب هذه الأنظمة، خصوصا المناطق الحضرية المكتظة، أو تلك التي تتميز بتربة غير ملائمة لنقل الحرارة بكفاءة.

كما أن بعض أنظمة التبادل الحراري تتطلب مساحات أفقية واسعة، مما يقيد استخدامها في المواقع التي لا تسمح بذلك، إذا لم يتم الاعتماد على نظام رأسي.

ويضيف الدكتور علام أن هناك تحديا آخر لا يقل أهمية، يتمثل في الحاجة الملحة إلى تدريب كوادر فنية مؤهلة لتصميم النظام وتركيبه وصيانته، فمثل هذه الأنظمة تعتمد على معرفة دقيقة بتفاعل مكونات التربة، وآلية عمل المبادلات الحرارية، والضاغط، وأنظمة التوزيع. ومن دون هذا الدعم الفني، قد تنخفض كفاءة النظام أو تتكرر الأعطال، مما يُضعف ثقة المستخدمين في التكنولوجيا ويحد من انتشارها.