تحلية المياه

رغم أن استخدام الطاقة الشمسية لانتاج المياه العذبة كان معروفاً منذ زمن طويل إلا أن أول محطة لتقطير الماء بالطاقة الشمسية تم انشاؤها عام 1871م في دولة شيلي بسعة ۰۰۰ 5 جالون یومیاً (37م.,3/یوم)، کذلک شاهد عام 1950 م آبحاثاً علمیة مکثفة لإيجاد طرق ذات كفاءة عالية في تحلية المياه ، وتوالت عمليات البحث والتطوير لتأخذ خطوات متسارعة في السبعينات نتيجة لإرتفاع أسعار النفط وما صاحبها من البحث عن بدائل جديدة للطاقة النفطية .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تعد كمية المياه المحلاة من جميع طرق

التحلية المعتمدة على المصادر البديلة للطاقة ضئيلة جداً مقارنة بطرق التحلية الأخرى، فعلى سبيل المثال – إذا استثنينا أضخم محطة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية والموجلودة في « أبو ظبى » بسعة 120 م 3/یوم - لا تتجاوز سعة آغلب محطات تحلية المياه بالطاقة الشمسية 30م 3/يوم ، ويمكن تقسيم طرق تحلية المياه بالطاقة الشمسية إلى مجموعتين رئيستين وفقا لطريقة استخدام الطاقة الشمسية إما بشكل مباشر أو بشكل غير مباشر. فطرق التحلية التى تستخدم الطاقة الشمسية مباشرة تسمى بطرق التحليةبالحرارة ، ويسمى هذا الإستخدام للطاقة الشمسية بالإستخدام الخامل .

في حين أن استخدام الطاقة الشمسية بشكل غير مباشر يسمى بالإستخدام النشط ويتم خلاله تحويل الطاقة الحرارية للشمس إلى تيار كهربائي نشط يمكن أن يدير معدات التحلية المختلفة ، ويلاقي هذا النوع من الاستخدام إقبالا كبيراً في الفترة الراهنة نظرا للتقدم العلمي المتواصل في مجال أشباه الموصــلات (Semiconductors) والتى أثبتت فعالية كبيرة لتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الحرارية. وقد أمكن ربط أنظمة التحلية العاملة بالتناضح العكسى بأنظمة توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الحرارية الشمسية بشكل ناجح، ولايختلف عمل محطة التحلية في هذه الحالة عنه في حالة تغذيته بالكهرباء المولدة

 

من مصدر الطاقة التقليدي

 

يتمثل أيسر وأبسط استخدام للطاقة الشمسية في المنطقة العربية في تحلية المياه نظرا للحاجة الماسة للمياه العذبة ونظراً لإنعدام وشح مصادرها الطبيعية وزيادة الطلب عليها، وبسبب ارتفاع معدل مايصل هذه المنطقة من طاقة شمسية تصل بالتوسط الی30×10 کیلو واط ساعة، أي مايزيد عن ستة أضعاف المخزون العالي للبترول (میجاوات ساعة = 0.79 طن من البترول = 0.112 برمیل بترول)، وفيما يلي عرض مبسط للطرق المتاحة لتحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية وفعالية كل طريقة مع مقارنة اقتصادية وفنية للطرق المستخدمة الأخرى .

 

التحلية الحرارية هي طريقة تستخدم.

 

فيها الطاقة الحرارية الشمسية مباشرة، وهی تشمل التبخیر متعدد التأثیر بتبخیر المياه المالحة. والتبخير  الومضى متعدد المراحل والتحلية بضغط البخار. وتعد المقطرات الشمسية  من أسهل وأبسط طارق الحصول على المياه المحلاة مباشرة

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

باستخدام الطاقة الشمسية ، وتتألف المقطرات الحرارية عادة من قاعدة اسفلتية وأسقف زجاجية مائلة ، شكل (١) ، تمر المياه المالحة على قاعدة المقطر الحراري المرتفعالة الحرارة لتتبخار وتتكثف على الأسطح الداخلية للغطاء الزجاجي المنفذ للاشعه الشمسية، ومن ثم تجمع المياه المكثفة على جوانب الغطاء الزجاجي كمياه عذبة منتجة ، ويبلغ متوسط المياه المحلاة بالمقطرات الشمسية 4 الترات لكل متر مربع من المقطر الحراري . ومن أهم العوامل المؤثرة على المقطرات الحرارية مايلي :

1 - عمق المياه المالحة في قاعدة المقطر

حيث أنه كلما زاد عمق المياه في قاعدة المقطر كلما قل معدل التقطير ليصل إلى حد ثابت عند عمق 20 سم تقريبا حيث إن زيادة عمق المياه من 9 سم إلى 18 سم تسبب نقصا في معادل التقطير بنحـو 25٪، بينما يسبب زيادة عمق المياه من 17سم إلى 20 سم نقصا يعادل 7 ٪ في كمية المياه المقطرة ، ويرجع سبب ذلك إلى أن المياه الضحلة لها سعة حرارية منخفضة تستجيب بسرعة لزيادة درجة الحرارة المؤثرة عليها بسبب الإشعاع الشمسي ، وزيادة درجة حرارة المياه تمثل بلا شك زيادة لكمية المياه المتبخرة .

2 - تصميم المقطر والمواد المستخدمة :

فمن نوعية التصاميم زاوية ميل الغطاء الزجاجي والمسافة بين الغطاء الزجاجي وسطح المياه في قاعدة المقطر .. كما وإن لنوعية الغطاء الزجاجى المستخدم أثراً في زيادة كمية الأشعة النافذة وتقليل كمية الأشعة المنعكسة أو المفقودة من داخل المقطر ، إضافة لذلك تؤثر جدران المقطر وقاعدته في ارتفاع درجة حرارة المياه في المقطر بشكل ملحوظ . ومن عوامل التصميم الهامة التي يمكن التحكم فيها قيمة السعة الحرارية للماء وقيمة معامل الفقد الحرارى حيث يمكن التحكم في قيمة السعة الحرارية بتقليل عمق الماء وتحسين بناء المقطر ، أما معامل الفقد الحراري فيمكن التحكم فيه بعدم تسرب البخار وتحسين العزل التحتي (الأرضي ) لقاعدة المقطر

3 - عوامل خارجية :

من العوامل الخارجية حرارة الهواء المحيط إذ تزيد كمية المياه المقطرة بـزيادة درجـة الحرارة الخارجية ، كما أن زيادة سرعة الرياح تؤثر عكسيا على كمية المياه المنتجة ، إضافة لذلك فإن شدة الطاقة الشمسية وطول مدة سطوع الشمس وغيرها من عوامل مناخية لها تأثير مباشر على معدل إنتاج المقطرات الحرارية، وهذا يوضح بجلاء أبرز عيوب المقطرات الحرارية حيث يكون اعتمادها المباشر على الظروف الخارجية المحيطة والتي قد يصعب التحكم فيها.

تعد المقطرات الحرارية منخفضة الأداء مقارنة بطرق التحلية الحرارية العادية، فعلى سبيل المثال ينتج مقطر شمسي عند طاقة اشعاعیة 3 کیلووات ساعة حوالی 0.2 لتر ماء في اليوم لكل متر مربع من المقطر مقارنة با 1.9 الی 9.9 لتر ماء بطرق التحلية الأخرى . يساعد رفع درجة حرارة الماء وخفض درجة حرارة الغلاف الزجاجي في رفع نسبة الأداء بشكل كبير غير أن خفض درجـة حرارة الغلاف الزجاجى قد يكون له تأثير على درجة حرارة الماء مما يحد من عملية زيادة نسبة كفاءة التشغيل ، لذا يلزم معرفة أقل درجة حرارة للغلاف الزجاجى التى يبدا بعدها هذا التأثير أو الإكتفاء برفع درجة حرارة سطح الماء لزيادة الكفاءة. ولمضاعفة الطاقة الشمسية وتركيزها لرفع كفاءة التقطلبير الشمسي يمكن استخدام ما يعرف بالأنابيب الحرارية حيث أنها ترفع معامل انتقال الحرارة بمقدار ألف ضعف لمعاملي الانتقال التقليدي (التوصيل والحمل).

يتكون الانبوب الحراري ، شكل (٢) ، من تجويف مفرغ من الهواء ومغلق من الطرفين ومحتوي على كمية قليلة من سائل مضغوط يستخدم كوسيط لنقل الطاقة الشمسية من منطقة التبخير – عند تعرضه لأشعة الشمس – إلى منطقة التبريد حيث يتكثف ويطلق الحرارة الكامنة للتكثيف ثم يعود مرة أخرى إلى منطقة التبخير خلال تجويفات صغيرة تحت تأثير القوى الشعيرية (Capillaries) وهكذا يتبخر السائل الناقل للحرارة بفعل الطاقة الشمسية ويتكثف ويعطي حرارة عالية تفوق تلك التي حصل عليها عند تبخره . وتنتقل الحرارة في الأنابيب الحرارية بشكل أفضل عند استخدام مائع له كثافة عالية وسرعة انتشار منخفضة  في الحالة الغازية، وبذا يعمل الأنبوب الحراري عند درجة حرارة ثابتة ويحتاج إلى فارق يسير في الضغط بين منطقتى التبخير والتكثيف. ويبيان الجدول (١) بعض خواص الأنابيب الحرارية .

 

يعد طول الأنبوب ومساحته من أهم العوامل المؤثرة في الأنابيب الحرارية وذلك عند حساب أعلى ارتفاع مسموح به للسائل خلال الشعيرة ، ففي حالة استخدام الصوديوم مثلا يجب أن يكون هذا الطول مساویالا- 37.5 سم عند استخدام قطر مسامی قدره 79 میکرومیتر، إضافة لذلك تستخدم الطاقة الشمسية في تحلية المياه بطريقة التبخير الومضى وذلك بتسخين الماء أو أي سائل آخر وسيط ينقل لحرارة إلى المسخن لرفع درجة حرارة المياه المالحة قريباً من درجة الغليان، ثم بمرور هذه المياه على حجرات التبخير عند ضغوط منخفضة تدريجياً ينشأ بخار الماء فجأة لإنخفاض درجة الغليان كما هو معلوم في عمل طريقلة التبخير الومضي والتي .تحتاج الی نحو 90 کیلووات ساعة من الطاقة لتحلية متر مكعب من الماء العذب

 

 

وعلى اعتبار أن الأحواض الشمسية

المستخدمة لرفع درجة حرارة السائل الناقل للطاقة لها مردود حراري (كفاءة) بنحـو ا" – 12 ٪، فإن عملياة التحلية بالتبخیر البومضي تنتج حوالی 12 لترافی اليوم لكل متر مربع من الأحواض.

- تعتمد طرق التحلية في هذا النوع علىإنتاج الكهـرباء من الطاقة الشمسية للتغلب علی مشکلتيـــــن رئيسيتــــــين هما ضعاف كثافة الطاقـة الشمسية (1 کیلووات/م ") وعدم استمرار سطوع الشمس في سائر ساعات النهار وفي سائر أيام السنة ، وتعد عملية بناء مسطحات شمسية كبيرة المساحة امراً مكلفاً حتى ولو توفرت هذه المساحات ، كما وأن تخزين الطاقة للحاجة إليها في غير أوقات ظهور الشمس قد يكون أمراً غير فعال إضافة إلى تكلفته واحتياجه للصيانة المستمرة، وهذا ما جعل عملية توليد الكهرباء مباشرة منالطاقة الشمسلية أمراً مرغلوباً فيه خاصة بعد ظهور الخلايا الكهروضوئية (Photovoltaic) وانتشار انتاجها و ارتفاع مردودها. تعد القرية الشمسية التابعة لمدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية الواقعة على بعد 50 كم شمال غرب مدينة الرياض من أكبر المجمعات العالمية للطاقة الشمسية بنظام فارق الجهاد الضاوئی (Photovoltaic)، اقيمت القرية عام 1971م تولید الکهرباء وامدادها لقرية سدوس والعيينة والجبيلة . باستخدام190 مصفوفاة من الخلایا الضوئیة تغطی مساحة 53000 م التنتاج 350 کیلوواط من التیار المستمر (DC). وتخزن الكهرباء ببطاريات حامضية رصاصیة ذات ساعة 1100 کیلوواط ساعة أثناء الليل أو أثناء غياب الشمس الطويل بالسحب . تعد تلك الأنشطة وغيرها من منشآت التحلية إحدى ثمار التعاون في ميدان ابحاث الطاقة بين المملكة العربية السعودية ممثلة بمدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية ووزارة الطاقة الأمريكية ، وقد رمز للبرنامج بإسم سولارس (Soleras)، وقد انتهت حاليا جميع برامج هذا التعاون العلمي . وهناك برنامج تعاونى اخر بين المملكة العربية السعودية والمانيا لإنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية يسمى هايسولار (HySolar ) .

يمكن استخدام الطاقة الكهربائية المتولدة مباشرة في وحدات تحلية المياه العاملة بطريقة التحليل الكهربائي (الديلزة) أو في توليد البخار وتحريك الضاغطات الميكانيكية لتشغيل وحدات التحلية العاملة بضغط البخار أه بالتناضح العكسه، أو الاستفادة من البخار مباشرتا في عملية التبخير الومضي او الاستفادة بشكل غير مباشر من طريقة التجميد . و تعد جميع هذه الطرق في طور التجريب. 

قامت المملكة العربية السعودية ايضاً بإنشاء محطة لتحلية المياه بالطاقة ضمن برنامج التعاون المشترك بين المملكة والولايات المتحدة الأمريكية (Soleras)، ويبين الشكل (٢) مخططاً لمحطة تحلية المياه بالديلزة تعمل بالطاقة الشمسية. وقد أجريت تصاميم مختلفة على مثل هذه المحطات لإنتاج مياه محلاة بمعدل (150-15 م 3/یوم) بترکیز 500 جزء قی المليون من الأملاح . صممت محطة ينبع لتحلية المياه بالتجميد غير المباشر وفق أحدث الطرق ، وهى تعد منشأة أبحاث بغرض أجراء مجموعة مكثفة من اختبارات الأداء والتقييم، وتنتج المحطلة 2٠٠ م " من المياه العذبة (5239 جالون) یومیاً تستمد،

کل منها 80 م " (791 قدم مربع)، وتتکون من الوحدات الرئيسية التالية :

نظام تجميع الطاقة

يوجد في الحقل الشمسى ثلاثة فروع ، في كل فرع ستة مجمعات شمسية، تولده 500 كيلوواط ساعة في اليوم ، ويمر في هذه المستقبلات زيت ناقل للحرارة ، ترتفع درجة حرارته إلى 279 درجة مئوية ، ليستخدم في نقل الطاقة من مناطق تجميعها.

يتم نقل الحرارة بوساطة الزيت إلى صهريج من الأملاح عن طريق اكتساب الحرارة بالتبادل مع الزيت ليحفظها حتى يتم استخدامها عند الحاجة إليها بإستمرار. وتوجد الأملاح في صهريجين أحدهما ساخن (عالي درجة الحرارة) والآخر دافء (عند درجة حرارة مرتفعة نسبياً). ويستخدم الملح الساخن لتوليد البخار (Steam) الذي يمد المحرك البخاري بالطاقة ، وعند انخفاض درجة حرارة الملح الساخن يحفظ مع الملح الدافء الذي يكتسب حرارة عالية بتبادله مع الزيت الناقل للطاقة الشمسية ثم يخزن بعد ذلك في صهاريج الأملاح الساخنة ، وفي أثناء الليل أو عند احتجاب الشمس مدة طويلة يقل مستوى الملح الدافء ويلجأ إلى امداد الملح بطاقة إضافية عادية عن طريق حرق زيت الوقود لتستمر دورة تخزين الطاقة بالأملاح .

ه نظام نقل الطاقة تنتقل الطاقة من الأملاح الساخنة عبر مبادلات حرارية لتوليد البخار عالي الضغط ودرجة الحرارة (Superheated) ويعمل هذا البخار على تحريك المحرك البخاري لإنتاج الضغوط اللازمة للتبريد . و نظام التبريد يستخدم النشادر الجاف في دورة مغلقة يتبخر فيها عند التقائه بماء البحر الذي يبرد نتيجـة لهذا التبخير ثم يكمل النشادر دورته بالتحول إلى سائل عند ارتفاع ضغطه نتيجة لعمل المحركات البخارية ، وهكذا يستمر النشادر في دورة دائمة بين الحالة الغازية لتبريد مياه البحر الداخلة والحالة السائلة نتيجة لرفع ضغطه بشكل أساسي أو جزئي بالإمتصاص بالليثيوم برومايد والذي يعمل بدورة تبريد مصغرة تدور بإستخدام البخار المستهلك الخارج من المحركات البخارية. كما ويبرد الانشادر (يكثف) بالتبادل الحراري مع المياه المثلجة الناتجة .

نظام ا لتحلية يستمد النشادر

(في دورة التبريد) الحرارة اللازمة للتبخير في مياه البحار والتى تبرد بذلك وتنخفض درجة حرارتها كلما استمر التقاؤها بالأنابيب الحاملة

 

للنشادر ، ذلك أن النشادر لا يلتقي بالماء مباشرة بل تنتقل الحرارة خلال سطوح أنابيب المبادلات الحرارية ، ويتكون بهذا مستحلب ثلجي يحتوي على نسبة عالية من الثلج ، يضخ إلى صهاريج الغسيل لتطفو على سطحه قوالب الثلج وتترسب المياه عالية الملوحة في أسفل الصهريج ، يلي ذلك كشط القوالب الثلجية العائمة على السطح إلى صهاريج أخرى لتغسل بمياه عذبة لإزالة ما علق بها من أملاح متراكمة ، ثم تترك لتذوب مكونة المياه العذبة في تبادل حرارى بسيط لتكثيف النشادر ، وتنخفض

درجة حرارة المياه المالحة الداخلة.

مما يجدر ذكره أن أهم ما يميز هذه الطريقة من التحلية عدم الحاجة إلى المعالجة الكيميائية الأولية للمياه الداخلة والتى تعد من أكثر طرق التحلية الأخرى تكلفة ، إضافة لذلك لا ينشأ عن تلك الطريقة مشاكل تآكل وصدأ نظاراً لإنخفاض درجة حرارة 

التشغيل . ويبين الجدول (٢) أداء عمل محطة تحلية مياه ينبع التي تعمل بنظام التبريد .

 

تعد تحلية المياه بالطاقة الشمسية بالطرق غير المباشرة (أي تحويل الطاقة إلى كهرباء) من أفضل الحلول لتوفير المياه العذبة للمناطق النائية شحيحة المياه وقليلة السكان ، بل أنها من الحلول المثلى لسائر التجمعات الصغيرة إذا ما توفرت المساحة اللازمة لبناء المجمعات الشمسية نظراً لقلة احتياجها للصيانة والمراقبة المستمرة ، ومن بين طرق التحلية المذكورة سابقاً تتفوق طريقة التناضح العكسي على الطرق الأخرى بما تمتاز به من بساطة وسهولة في التشغيل وارتفاع في الكفاءة وقلة في التكاليف ، ويوضح جدول (٢) مقارنة بين طرق التحلية العاملة بالطاقة الشمسية حسب انتاجها اليومي لكل م٢ من المجمع الشمسي وكذلك متطلبات كل طريقة من الطاقة ونسبة الأداء .

يمكن توفير المياه العذبة للمناطق

الصغايرة النائيـة من خلال ثلاثة خیارات های :

١- نقل المياه من أماكن توفرها بوساطة

الأنابيب خلال شبكة إقليمية تغطي مدن وقرى كثيرة .

٢- نقل المياه بوبساطة سيارات نقل (Tankers)

أو غيرها، وتخزينها.

٢- إقامة منشآت للتحلية تعمل بالطاقة الشمسية في تلك المنطقة.

تعد إقامة منشآت تحلية المياه بالطاقة الشمسية وحتى سعة ٧٠م "/يوم أقل تكلفة من طرق نقل المياه لمنطقة تبعد ١٦ کیلومتر آو آکثر عن مکان توفیر الیاه، خاصة في المناطق النائية قليلة السكان . بل وعلاوة على هذا فإن طرق تحلية المياه بالمقطرات الشمسية تعد اقتصادية مقارنة بطرق التحلية الشائعة كالتبخير الومضي والتقطير متعدد التأثير والتناضح العكسى التي تستخدم الوقود العادي أو الكهر باء كما هو موضح في الجدول (٤). تعد طريقة التناضح العكسي العاملة بالطاقة الشمسية من أفضل طرق التحلية في المناطق النائية قليلة السكان . وحسب دراسة للدكتور عبدالرحمن عبدالفتاح

بسعة 1000م"/یوم فی مثل ظروف وأسعار المملكة العربية السعودية الحالية تكلف حوالي 22 مليون ريال كرأس مال لتنتج میاه بساعر ۱۶ ریال/م ۳ علی اعتبار

آن ساعر الطاقة یقدر ب- ۳۷٫۵ ریال /وات .

 

 

 مجلة العلوم و التقنية  السعودية

ابراهيم صالح المعتاز.

.