استكشاف إمكانية خلايا الوقود الهيدروجينية في طائرة إيفتول

كيف تعمل خلايا الوقود الهيدروجينية في الطيران

خلية وقود الهيدروجين هي جهاز الكهروكيميائي يحول الطاقة الكيميائية مباشرة إلى الكهرباء، داخل الخلية، تتدفق الغاز الهيدروجيني على منصة حيث يقسم الحفاز جزيئات H2 إلى بروتونات وكهرباء، وتسافر الإلكترونية عبر دائرة خارجية تنتج تيارا مباشرا، بينما تهاجر البروتونات عبر نقطة ميمبراون إلى الكاثود حيث تجمع بين الأكسجين وشكل خلية للمياه.

وفي محطة إي في تي إل، تغذي خلايا الوقود الكهرباء بمحرك كهربائي يقود الدوارات، وكثيرا ما يتم إدراج بطارية عازلة صغيرة أو محرك فوق الكوابيس لمعالجة طلبات الطاقة القصوى أثناء الإقلاع والهبوط، ولكن الجزء الأكبر من الطاقة البحرية يأتي من خلية الوقود، وهذا الهيكل الهجين يشبه التركيب المستخدم في بعض سيارات خلايا الوقود، ولكنه يُستخدم على النحو الأمثل في قيود وزن الطائرة وسلامتها.

لماذا هيدروجين للشبكة؟

وقد ثبت أن الشاحنات الإلكترونية الكهربية العاملة في البطاريات قادرة على الطيران القصير المدى (25 إلى 50 ميلا)، غير أنه بالنسبة للطرق الأطول أو الحمولات المرتفعة، فإن خلايا الوقود الهيدروجينية توفر فوائد قاهرة يمكن أن تفتح سوقا أوسع.

ارتفاع كثافة الطاقة وطول فترة الرنج

ويعاني الهيدروجين من كثافة طاقة غير قياسية تبلغ حوالي ٣٣ كيلوواط/كغ، أي ما يقرب من ١٠٠ مرة من بطاريات الليثيوم -يون )٠,٢٥-٠,٣٥ كيلوواط/كغم( وحتى محاسبة أوجه القصور على مستوى المنظومة - وزن الدبابات، والضغط، وكفاءة استهلاك الوقود - الهيدروجين يمكن أن توفر ٣-٥ أضعاف نطاق البطاريات المستهدفة لنفس الكتلة.

شحن وقت الوقود السريع

ويمكن لمحطات إعادة وقود الهيدروجين أن تغذي خزانات شركة إي فيتول في غضون 5-10 دقائق، مقارنة بمحطة نقل وقود الطائرات، وتحتاج البطاريات، حتى مع شحنات فوق طاقتها (350 كيلوواط +)، إلى 30 إلى 60 دقيقة للوصول إلى 80 في المائة من الطاقة، وبالنسبة لأساطيل التوليد العالية الاستخدام - سيارات الأجرة التي تجني عشرات من الرحلات في اليوم - تقلل الوقت الأرضي أمر حاسم لتحقيق الربح.

لا قدرة على إزالة البطارية

وقد تخسر بطاريات الليثيوم القدرة على مدى الدورات والعمر التقويمي، وقد تحتاج مجموعة بطارية نموذجية من طراز eVTOL إلى استبدالها بعد 000 2 إلى 000 3 دورة، بينما تتدهور خلايا الوقود، فإنها يمكن أن تستمر في الغالب 000 5 إلى 000 10 ساعة عمل قبل استبدال الحزمة، وتملك خزانات الهيدروجين نفسها حياة غير محدودة تقريبا، وهذا يؤدي إلى تحسين التكلفة الكلية للملكية على حياة الطائرة.

العملية الهادئة

خلايا الوقود نفسها صامتة، والضوضاء الوحيدة تأتي من محركات الكهرباء والدوارات، وتُستخدم البطاريات التي تستخدم البطاريات بالفعل نظماً منخفضة الضوضاء - الهيدروجين هادئة بنفس القدر، وتساعد على استيفاء أنظمة الضوضاء الحضرية الصارمة.

صفر من الانبعاثات

وعلى عكس كهرباء البطاريات، التي لا تنتج سوى انبعاثات صفرية في ذيل بيب، تنتج خلايا وقود الهيدروجين أيضاً صفراً من ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النيتروز أو مادة الجسيمات، وعندما يتم إنتاج الهيدروجين بواسطة الكهرباء باستخدام الكهرباء المتجددة ( " الهيدروجين الأخضر " )، فإن دورة الحياة بأكملها خالية من الكربون.

التحديات الراهنة التي تواجه ظهور الـ "هيدروجين"

وعلى الرغم من المزايا، فإن الهيدروجين لم يعد بعد الخيار الافتراضي لمطوري الشبكة، ويجب التغلب على العديد من العقبات الهندسية والهياكل الأساسية والاقتصادية.

تخزين الهيدروجين: فولوم وثمانية مقايضة

ويحتل الهيدروجين أعلى طاقة لكل كتلة، ولكن أقل كمية، إذ تحتل درجة الحرارة والضغط المعيارية 11م3 لكل كيلوغرام، ولكي تكون قابلة للاستخدام على طائرة، يجب أن تضغط الهيدروجين على أكثر صهاريج هيدروجين وزنها 350-700 أو مكعبة عند - 253 درجة مئوية.

السلامة والتنظيم

ويُستعصي على الهيدروجين أن يُستخدم على نطاق واسع من التركيز (4-75 في المائة في الهواء) ويُستخدم طاقة الإشعال المنخفضة جداً، وستعمل طائرات الإي فيتوبل في مناطق مكتظة بالسكان، ويطالب المنظمون بذلك بحالات أمان شديدة الوطأة، ويشمل ذلك صهاريج مقاومة للصدمات، ونظم كشف التسرب، وقبو الحرائق، وأجهزة التهوية في حالات الطوارئ.

كثافة الطاقة في خلية الوقود وطولها في الطيران

(ب) [تتتمثل خلايا الوقود الآلية في نحو 1.5 إلى 2.5 كيلوواط/كغم، وبالنسبة للمركبات الإلكترونية التي تحتاج إلى طاقة عالية أثناء المصعد الرأسي، فإن الهدف من 3 إلى 4 كيلوواط/كغ هو المنشود، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتحمل خلايا الوقود اليقظة، وأجهزة نقل الطاقة السريعة، والتغيرات في الارتفاعات النموذجية في الطائرات (مثلاً، المواد الصلبة غير المحتوية على مع التصفير)

Hydrogen Infrastructure: The Chicken-and-Egg Problem

واليوم يوجد في الولايات المتحدة أقل من 200 محطة عامة لتزود الهيدروجين بالوقود، معظمها في كاليفورنيا، وقد يلزم تضييق نطاق الاستثمار الرأسمالي على شبكة من إنتاج الهيدروجين، والضغط، والتخزين، والاستغناء عن طريق الموانئ، كما أن المنتجات الجوية والشيل وغيرها تخطط لمراكز الهيدروجين، ولكن الجدول الزمني يظل غير مؤكد، وبالنسبة لعمليات الإنترنت المبكرة، قد يلزم نقل الهيدروجين إلى الموانئ، مما يزيد من التكاليف والانبعاثات.

تكلفة الهيدروجين الأخضر

وتكلف الهيدروجين الأخضر )المنتج عن طريق التحلل الكهربائي المتجدد( حاليا ٥-١٠ دولارات للكيلوغرام الواحد. وفي ١ كيلوغرام من الألف من الألف، تعطي الطاقة الكهربائية الصالحة للاستخدام ما يقرب من ٣,٥-٤ كيلوواط )كفاء الخلايا الوقودية( تبلغ التكلفة لكل كيلوواط حوالي ١,٤٠ دولار - ٥٨ر٢ دولار، بالمقارنة مع ٠,١٠ دولار - ٣٠ دولار للشبكة الكهربائية للبطاريات.

الانجازات التكنولوجية والتوجيهات البحثية

وتعالج عدة جامعات واتحادات صناعية نقاط الألم الرئيسية.

دبابات الهيدروجين السائلة

وقد أظهرت وكالة ناسا وشركة بوينغ دبابات الهيدروجين السائلة للطائرات التي تبلغ مساحتها 50 في المائة (يعادل وزن وزن الدبابات وزن الوقود) وبالنسبة للمركبات الإلكترونية، فإن الصهاريج الأصغر (200-300 لام) التي تستخدم في العزل المكندئ ومركبات الكربون الخفيفة يمكن أن تخفض وزن الصهاريج إلى 30-40 في المائة من وزن الوقود، مما يجعل الهيدروجين قابلاً لبعثات مبردة تبلغ 200 كيلو متر.

خلايا الوقود ذات الطبيعة العالية

وتعمل خلايا HT-PEM عند درجة حرارة 120-200 درجة مئوية، مما يوفر إدارة مبسطة للمياه، والتسامح إزاء الشوائب في إصلاح الهيدروجين، ويسهل الرفض الحر، وهذا مفيد بصفة خاصة للطيران حيث تضيف أجهزة التهدئة جراً. والطيران Skyline ]، كما أن الحركات الأخرى بدأت تدمج الرؤوس المتحركة من طراز HT-PEM في النماذج الأولية للشبكة الإلكترونية.

الامونيا المباشرة كحامل هيدروجين

يمكن استخدام الأمونيا (NH3) كحامل الهيدروجين السائل (17.7 wt% hydrogen) مع كثافة أحجامية أعلى من الهيدروجين المضغط، وعلى متنها تُطلق تكنولوجيا التشقيق الهيدروجين لخلية الوقود، بينما النيتروجين مُنقَّن، وقد تُنتج الأمونيا وتوزع على الصعيد العالمي، ولا تتطلب درجات حرارة أكبر من درجة الحرارة المبردة (33 درجة مئوية من نوع زي.

خلايا الوقود الصلبة (SOFCs)

وتعمل هذه المركبات على ارتفاع يتراوح بين 600 و000 1 درجة مئوية ويمكنها استخدام وقود الهيدروكربون مباشرة بعد الإصلاح الداخلي، ولكنها يمكن أن تدار أيضاً على الهيدروجين النقي، كما أن كفاءتها العالية (60-65 في المائة) وإمكانات المواد المنخفضة التكلفة تجعلها جذابة بالنسبة لتوسيع نطاق الشبكة، غير أن الإدارة الحرارية وبطء فترات بدء التشغيل ما زالتا تشكلان تحديات أمام الرحلات الجوية القصيرة.

دراسات الحالة الصناعية: من هو مبنى هيدروجين - بوويرد إي في تي إل؟

ZeroAvia

وتقوم شركة زيروفيا بتطوير مضيق لتوليد الطاقة الخلوية للوقود الهيدروجيني للطائرات يصل إلى 19 مقعدا، وتركز هذه الطائرات في البداية على إعادة تجهيز الطائرات الموجودة للشحنات والرحلات الإقليمية، ولكنها أعلنت عن خططها لطائرة هيدروجين إي فيورل في فئة الركاب 2-5، وقد زودت الشركة بطائرة دورنييه 228 محجوزة بخلية وقود الهيدروجينات وخططا للتصديق على نظام مركب قدره 300 كيلو فولط.

الفضاء الجوي العمودي (المشاركة مع H2FLY)

ويقيّم الفضاء الجوي الرأسي الهيدروجين إلى جانب البطاريات الخاصة بمحطة VX4 EVTOL. وفي عام 2022، شاركوا مع H2FLY لدراسة تكامل خلايا الوقود الهيدروجينية السائلة، وقد بلغ حجم الهدف المحدد في VX4 100 ميل؛ ويمكن أن يدفع الهيدروجين ذلك إلى ما يتجاوز 200 ميل.

طائرة جوبي (حيازة H2FLY)؟

وقد كان جوبي، وهو قائد في شركة إي فيتو إل، هادئا على الهيدروجين ولكنه قدم براءات اختراع تتعلق بإدارة حراريات خلايا الوقود، ونظرا لتاريخ مستثمره تيوتا الطويل مع مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية، فإن النهج المحتمل للمنشور أو الهجين أمر معقول، ولجوبي جدول زمني لإصدار الشهادات لعام 2025 مع البطاريات؛ وقد يتبعه متغير الهيدروجين في الفترة 2028-2030.

فريق هيونداي موتور (سوبرنال)

وقد ذكر جهاز هيونداي للشحنة فوق البنفسجية، وهو مشرف عام، في عام 2023 أن الهيدروجين هو الحل الطويل الأجل للمركبات الإلكترونية، ويستثمر هيونداي نفسه بشدة في صناعة خلايا الوقود (الشاحنات المسماة بالأشعة السينية، والشاحنات المبثوثة) ويتوقع من شركة هيومال أن تطلق أجهزة إلكترونية تعمل بالبطارية أولا (2028)، ثم تنتقل إلى الهيدروجين كبضائعة أساسية.

Airbus (CityAirbus nextGen)

وتقوم شركة إيربوس بتطوير نظام لشحن خلايا الوقود الهيدروجينية لمتظاهرها في سيتي أربوس تين جين، وترمي الشركة إلى رحلة جوية أولى من نسخة هيدروجين، وتقود شركة إيربوس أيضا مشروع H2PowerLab الأوروبي لتطوير أكوام خلايا الوقود للطيران.

البنية التحتية و خريطة الطريق التنظيمية

Green Hydrogen Production at Vertiports

ويمكن للكهرباء في الموقع باستخدام الألواح الشمسية على أسطح المواصلات إنتاج الهيدروجين بسعر يتراوح بين 3 و5 دولارات للكيلوغرام بحلول عام 2027، وفقاً لما ذكرته الوكالة الدولية للطاقة الذرية، وهذا يزيل تكاليف الشاحنات، ويضم العديد من تصميمات الموانئ الآن وحدات صغيرة للكهرباء.

المعايير والتصديق

ونشرت وكالة الفضاء الأوروبية سلسلة من الظروف الخاصة لطائرات خلايا الوقود الهيدروجينية في عام 2023، تغطي سلامة نظم الوقود وسلامة التحطم وحماية الحريق، وتتابع وكالة الطيران الاتحادية إصدار إشعار بصنع القواعد المقترحة للهيدروجين في الطائرات الصغيرة، وتقوم المنظمة الدولية لصناعة المياه الآلي بتطوير معايير لدبابات الهيدروجين في الطيران، ومن المرجح أن يتحقق التصديق على نظام إي فيتو إل في عام 2028-2030.

بروتوكول H2 للوقود

ويوحد اتحاد طائرات بروتوكول الهيدروجين للوقود للطائرات (H2RPA) وصلات بينية للألم، ومعدلات ملء، ونظم رصد مماثلة لمعيار SAE J2601 للسيارات، ولكن مكيفة مع إعادة تزويد الطائرات ذات التدفق العالي بالوقود (1-5 كغم/مين).

دورة الحياة البيئية

وفي حين أن خلايا الوقود نفسها لا تنبعث إلا من المياه، فإن دورة الحياة الكاملة يجب أن تؤخذ في الاعتبار، إذ أن الهيدروجين الأخضر الذي يتم إنتاجه عن طريق التحلل الكهربائي بالمتجددات له انبعاثات من ثاني أكسيد الكربون من الغازات المحتوية على مكافئات عالية جداً (وهوكغ مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من المادة H2).

التوقعات الاقتصادية المتعلقة بالقدرة على تحمل التكاليف والسوق

ويقدر تقرير حركة الطيران الحضري لعام 2023 أن المحركات الهيدروجينية الإلكترونية يمكن أن تحقق بحلول عام 2030 تكلفة لكل ميل من المقاعد قدره 0.60 إلى 0.90 دولار، مقارنة بالضرائب الأرضية في المدن الكثيفة، وقد تكون البطارية الإلكترونية أرخص بقليل في هوايات قصيرة (0.40-0.70) ولكنها محدودة النطاق.

ومن المتوقع أن تنخفض تكاليف الحزمة من الوقود من 300 دولار/كيلوواط اليوم إلى 100 دولار/كيلوواط بحلول عام 2030 (بموجة من الطاقات الآلية والقرطاسية) ومن المتوقع أن تهبط تكاليف تخزين الهيدروجين (بما في ذلك الدبابات) بنسبة 40 في المائة في نفس الفترة، وستضيق هذه التخفيضات الفجوة مع البطاريات.

السلامة: التعلم من الفضاء الآلي والجوي

ولا يكون الهيدروجين في جوهره أكثر خطورة من البنزين أو وقود الطائرات إذا ما تم التعامل معه بصورة صحيحة، إذ أن صناعة الفضاء الجوي لديها خبرة طويلة في الهيدروجين المبرد (أبوللو، مكوك الفضاء) والهيدروجين المضغط (سيارات H2، الحافلات) وفيما يتعلق بمركبات الإي فيوتيل، تشمل السمات الرئيسية للسلامة ما يلي:

• Crush-resistant composite tanks] wrapped with blast sensors
• شبكات كشف اللحاق ] باستخدام أجهزة الاستشعار التابعة لأجهزة القياس المتعددة المؤشرات في مواقع متعددة
• Automatic hydrogen isolation valves] that off flow in milliseconds
• Vented areas] designed to prevent hydrogen accumulation (buoyant gas rises and disperses)
• Firewalls] between hydrogen storage and passenger cabins

وقد أكدت وكالة الاستخبارات المالية ووكالة المحاسبة الدولية أن هذه التدابير يمكن أن توفر مستويات أمان مقبولة، وإن كانت عملية التصديق ستكون صارمة.

النظر إلى الرأس: العقد القادم للهيدروجين

ومن المؤكد أن الفيلقات الإلكترونية الكهربية ستبدأ أولاً تقريباً، ويرجح أن تبدأ في عام 2025 بخدمات سيارات الأجرة الجوية القصيرة المدى في مدن مثل دبي، ولوس أنجلوس، وأوساكا، وستتبعها طائرات الهيدروجين الإلكترونية كموجة ثانية، ربما في الفترة 2028-2030، التي تستهدف طرقاً أطول فيما بين المدن حيث لا يمكن للبطاريات أن تتنافس.

والسياسات الحكومية - مثل قانون تخفيض التضخم الصادر عن وكالة US IRA (Inflation Reduction Act) hydrogen tax credits of up to $3 per kg, the EU Hydrogen Strategy, and Japan’s hydrogen society plan - will accelerate infrastructure. Partnerships between eVTOL OEMs, energy companies, and airport operators are already forming (e.g., ZeroAvia + APOC Aviation, Airbus + Air Liquide).

والرؤية النهائية هي نظام إيكولوجي للطيران خال من الانبعاثات حيث لا تُستخدم خلايا الوقود الهيدروجينية في الطاقة الكهربائية فحسب، بل أيضاً في الطائرات الإقليمية، ومعدات الدعم الأرضية، واللوجستيات، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة، فإن الاتجاه واضح: فالهيدروجين ليس إلهاءاً للطيران الكهربائي - وهو الخطوة المنطقية التالية.