إمكانية خلايا الوقود الهيدروجينية في النقل الثقيل

مقدمة: قضية الهيدروجين في النقل الثقيل - الدوتي

ويُعزى قطاع النقل العالمي إلى ما يقرب من ربع مجموع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المتصلة بالطاقة، حيث أن مركبات العمل الثقيلة والمركبات والحافلات والسفن والقطارات التي تسهم بصورة غير متناسبة بسبب اعتمادها على محركات الديزل وارتفاع معدلات الطول، بينما لا تزال المركبات التي تعمل بالبطارية تعمل بالعجلات في السيارات التي تنقلها، تشكل عقبات كبيرة في مجال الطاقة، حيث أن تطبيقاتها في النقل الثقيل لا يُستخدم إلا في إطار عوامل الوزن الثقيل:

Understanding Hydrogen Fuel Cell Technology

كيف تولد خلايا الوقود الطاقة

خلية الوقود هي جهاز الكهروكيميائي يحول الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة كهربائية، بخلاف البطارية التي تخزن الطاقة داخلياً، تحتاج خلية الوقود إلى إمدادات خارجية مستمرة من الوقود في هذه الحالة، الهيدروجين، وفي الخلية، يتم تغذية الغاز الهيدروجيني إلى جانب الأنود حيث يقوم محفز (اللوج اللوجي) بتقسيم جزيئات الهيدروجين إلى بروتونات وكهرباء

العناصر الرئيسية والكفاءة

وتتراكم في الوقت الراهن خلايا الوقود الحديثة التابعة للمركبات ذات القدرة العالية على العمل معا لتحقيق الفولط والطاقة اللازمة للمركبات ذات القدرة العالية وتشمل هذه الحزمة لوحات ثنائية القطب توزع الهيدروجين والأكسجين، وطبقات انتشار الغاز، وقنوات التبريد لإدارة الحرارة.

مقارنة مع الكمبيوت الداخلي والبطارية - البطارية - البطارية -

وتتقاسم خلايا وقود الهيدروجين أوجه التشابه مع محركات الاحتراق الداخلي، حيث أن كلا منها يتطلب خزان وقود ويمكن إعادة تزويده بالوقود في دقائق، غير أن خلايا الوقود تنتج الكهرباء دون الاحتراق، وتتجنب النيتروز، والثديوكس، وغاز الجسيمات، وهي تعمل في الغالب على نظم البطاريات، وتزيد كثافة الطاقة البلاستيكية:

رسوم خلايا الوقود الهيدروجينية في النقل الثقيل - الدوتي

صفر من الانبعاثات من طراز Tailpipe واستحقاقات نوعية الهواء

أما الفوائد البيئية الأكثر إلحاحاً لخلايا وقود الهيدروجين فهي إزالة انبعاثات العجلات، وفي النقل المكثف الذي يمكن أن تنتج فيه كل شاحنة ديزل 60-80 طناً من ثاني أكسيد الكربون سنوياً، وكميات كبيرة من مادة النيتروز والجسيمات، والتحول إلى خلايا الوقود يقلل مباشرة من تلوث الهواء المحلي في المجتمعات المحلية القريبة من الموانئ والمستودعات والطرق السريعة. وتشير الدراسات التي أجراها المجلس الدولي بشأن النقل النظيف([FLT])

ارتفاع كثافة الطاقة التمكينية

وكثافة الطاقة هي المفرق الحرج لمركبات العمل الثقيل، إذ تبلغ قيمة شاحنة الديزل من طراز صنف نموذجي ما بين 120 و150 غالون من الوقود، مما يولد مجموعة من 800 إلى 200 ميل، بينما تبلغ حاجات صهاريج البطاريات التي تبلغ مساحتها 700 إلى 000 1 كيلوواط من عبوات البطاريات 200 إلى 300 ميل على كامل (بسبب الوزن والقيود الهوائية) يمكن لشاحنات وقهوائية أن تخزن ما يكفي من الهيدروجينات

إعادة الإمداد بالوقود والتقلبات التشغيلية

وتستغرق إعادة وقود شاحنة هيدروجين ذات سعة ثقيلة 10 إلى 15 دقيقة، مقارنة بالديزل، وبسرعة كبيرة حتى أكثر أجهزة الشحن السريع تقدما في العاصمة (التي تتطلب 1-3 ساعة لبطارية كاملة من مركبات البيوت) أما بالنسبة لمشغلي الأسطول، فإن وقت الانكماش يرتبط ارتباطا مباشرا بالإيرادات، كما أن شاحنة يجب أن تتوقف لمدة ساعتين فقط لإعادة شحن المركبات، تحتاج إلى مزيد من المركبات للحفاظ على الخدمة، وتزيد من تكاليف تشغيل المركبات الحالية.

القدرة على العمل والتطبيق في الظروف القاسية

وتحافظ نظم خلايا الوقود الأولية على كفاءة عالية عبر نطاق واسع من الطاقة، مما يجعلها مناسبة للدرجات المرتفعة، ومقطورات محمولة بالكامل، وسلسلة من دورات العمل المختلفة، بخلاف البطاريات التي تفقد القدرة في الطقس البارد (فقدان النطاق الحسن للشاحنات الفلورية بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة دون سن 10 مئوية)، وتولد خلايا الوقود حرارة ويمكن أن تعمل بفعالية في بيئات دون صفر و5 في المائة.

التحديات التي تواجه التبني على نطاق واسع

تكاليف نظم خلايا الوقود والهيدروجين

أما التكلفة الأولية لشحنات الوقود الخلوية فتظل أعلى بكثير من الديزل، وإن كانت الفجوة تضيق، ففي عام 2024، يخفض نظام خلايا الوقود بالنسبة لشاحنات ثقيلة التكلفة تقريبا 150 إلى 200 دولار لكل كيلوواط، ويحول إلى تكلفة إضافية للمركبات تبلغ 000 80 دولار إلى 000 120 دولار مقارنة بشاحنة الديزل، وعامليْن رئيسيين لإنتاج المواد البلاستيكية العالية التكلفة.

عدم كفاية الهياكل الأساسية للوقود

اليوم، يوجد أقل من 100 محطة لتزود الهيدروجينات متاحة للجمهور في الولايات المتحدة، حيث تتركز الأغلبية العظمى في كاليفورنيا، أما على نطاق العالم، فإن العدد يناهز 000 1 محطة، ولكن هذه المحطات كثيرا ما تكون مصممة لسيارات الركاب الخفيفة، وليس ارتفاع معدلات التدفق والضغوط اللازمة لشاحنات العمل الشاقة (نحو 70 محطة للشحن و5-10 كيلو غرام/ميغابايت)

الإنتاج الحالي للهيدروجين والهيدروجين

(أ) أكثر من 95 في المائة من إنتاج الهيدروجين العالمي اليوم يأتي من الوقود الأحفوري - إصلاح البخار الميثان (الهدروجين الصخري) مع ما يرتبط به من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من 9 إلى 12 كغم من كل كيلوغرام من H2. وفي حين أن احتجاز الكربون يمكن أن يقلل من هذه الانبعاثات (الهيدروجين الأسود، مع وجود 60 إلى 90 في المائة من معدلات التقاط)، فإن الهيدروجين الأزرق لا يزال يعتمد على استخراج الغاز الطبيعي وتسرب المي.

تخزين الهيدروجين والسلامة على متن السفينة

ويستلزم تخزين كميات كافية من الهيدروجين لحجم 500 ميل إما ضغطا عالي الضغط (700 بار - حوالي 000 10 بيزو) أو تسربا مبردا (-253 درجة مئوية) كما أن الصهاريج الهيدروجينية المكثفة تحتاج إلى صبغة مجهزة ذاتية عالية، مما يزيد من الوزن والحجم، ويخفض قدرة الشحن مقارنة بمستودعات الديزل.

منافسة من الشاحنات البطارية - الكهربائية

وقد تكون الشاحنات الكهربائية في البطاريات في مراحل إنتاجية (مثلا، خلايا فولفو فينر للكهرباء، وتيسلا سيمي، وأجهزة الاستنشاق بالبطارية) وتستفيد من تكاليف البطاريات السريعة الانخفاض ومن زيادة الهياكل الأساسية للشحن، أما بالنسبة للطرق المائية (دون 200 ميل) التي يمكن التنبؤ بها، فتتراوح بين تكلفة السحب والشحن، فإن المركبات الثنائية الفينيل المزودة بالكهرباء أقل من تكلفة الشاحنات الواعدة.

التوقعات المستقبلية والتطورات الرئيسية

ممرات نموذج السياسات والاستثمار

وتنشئ الحكومات في جميع أنحاء العالم أطرا تنظيمية وحوافز مالية للتعجيل باعتماد الهيدروجين في النقل الثقيل، ويتضمن قانون تخفيض التضخم في الولايات المتحدة (2022) ائتماناً ضريبياً لإنتاج الهيدروجينات (45V) يصل إلى 3 دولارات كغم من الهيدروجين الأخضر، مقروناً بمليارات من التمويل الأساسي من قانون البنية التحتية في بيبارتاسان، وتصدر لوائح الاتحاد الأوروبي بشأن البنى التحتية البديلة للوقود كل 200 كيلومتر على امتداد شبكة كوريا

الانجازات التكنولوجية على الأفق

وقد تؤدي عدة مسارات تكنولوجية إلى فتح كامل إمكانات خلايا وقود الهيدروجين، وفي تطوير الحفازات، أثبت الباحثون أن مركبات النيتروجين - النيتروجين (Fe-N-C) قد تؤدي إلى حدوث نشاط مقارن في البلازمين دون معادن ثمينة، رغم أن قابلية الارتداد لا تزال مسألة، ويجري اختبار البوليمرات المتعددة الفلورات لتعمل في درجات حرارة أعلى (120 درجة مئوية)، مما يقلل من حجم نظام التبريد.

المظاهرات والارتفاعات في العالم الحقيقي

ويجري حالياً الانتقال من النموذج الأولي إلى التشغيل التجاري، حيث تقوم شاحنة هيونداي للوقود التي تعمل بالأشعة السينية بتراكم أكثر من 6 ملايين ميل في الخدمة التجارية في سويسرا وألمانيا وكاليفورنيا، مع توليد جيل جديد يصل إلى 500 كيلومتر.

الاستنتاج: مستقبل الهيدروجين للنقل الثقيل - الدوتي؟

إن خلايا الوقود الهيدروجينية توفر مساراً قاهراً لتطهير المركبات من المواد الثقيلة، بحيث يحترم الواقع التشغيلي لحركة الشحن، وقدرتها على توفير الطاقة الطويلة، وإعادة الإمداد السريع، والقدرة العالية على التحميل، تجعلها أكثر ملاءمة للشحن، والشحن، والسكك الحديدية، مكملة لدور مركبات الطاقة الكهرمائية في التطبيقات الخفيفة، غير أن التكنولوجيا وحدها لن تنجح دون استثمارات موازية في إنتاج المواد الهيدروجينية.