دور هندسة الطاقة في تحقيق البنية التحتية للنقل المستدام

دور هندسة الطاقة في الهياكل الأساسية للنقل المستدام

إن هندسة الطاقة ضرورية لتطوير الهياكل الأساسية للنقل المستدام، حيث إن سكان المناطق الحضرية ينموون ويزدادون من الطلب على التنقل، فإن الحاجة إلى خفض انبعاثات الكربون والاعتماد على الوقود الأحفوري تصبح ملحة، ويقوم مهندسو الطاقة بتصميم وتنفيذ واستخدام النظم التي تستخدمها مركبات الطاقة وتدبير شبكات الكهرباء وتخزين الطاقة بكفاءة، وتستكشف هذه المادة المساهمات المتعددة الأوجه لهندسة الطاقة لإنشاء شبكات نقل أكثر خضراء وأكثر مرونة.

فهم الهياكل الأساسية للنقل المستدام

وتشمل الهياكل الأساسية للنقل المستدام النظم المادية والتكنولوجية التي تدعم التنقل المنخفض الكربون، وتشمل شبكات شحن المركبات الكهربائية، والعبور العام المكهرب، وممرات التدوير، وممرات المشاة، والهدف هو التقليل إلى أدنى حد من الضرر البيئي مع الحفاظ على إمكانية الوصول والقدرة الاقتصادية على البقاء، وتعالج هندسة الطاقة بصورة مباشرة عناصر توليد الطاقة وتوزيعها وتخزينها التي تجعل هذه النظم قابلة للبقاء.

وتشمل مؤشرات الأداء الرئيسية للهياكل الأساسية المستدامة كثافة الطاقة لكل كيلومتر من مسافري المركبات، ونصيب الطاقة المتجددة المستخدمة، وانبعاثات غازات الدفيئة التي تدوم دورة الحياة، ويعمل مهندسو الطاقة على تحسين هذه القياسات عن طريق إدماج التكنولوجيات المتقدمة وتحقيق عمليات النظام على الوجه الأمثل.

المبادئ الأساسية لهندسة الطاقة في النقل

كفاءة الطاقة

ويعد تحسين كفاءة تحويل الطاقة الأولية إلى حركة ذات هدف مركزي، إذ تحقق مضيق الكهرباء كفاءة تفوق 90 في المائة، مقارنة بنسبة 25 في المائة تقريبا لمحركات الاحتراق الداخلي، ويصمم مهندسو الطاقة محركات الطاقة الكهربائية، ونظم التكرير المتجددة، ومواد الوزن الخفيف لتعظيم كل كيلوات ساعة.

Decarbonization

ومن الأمور الحاسمة التحول من الوقود الأحفوري إلى الكهرباء المتجددة والوقود المنخفض الكربون، إذ يقوم مهندسو الطاقة بتطوير أساليب لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية والريحية والهيدروكية لشحن الهياكل الأساسية وشبكات السكك الحديدية، كما يقيمون البصمة الكربونية لإنتاج البطاريات وإعادة تدويرها لضمان التخفيضات الصافية.

المرونة والاعتماد

ويجب أن تعمل نظم النقل في ظل ظروف الطقس القصوى، وتقلبات الشبكات، وارتفاع الطلب، كما أن مهندسي الطاقة يصممون مسارات فائضة في إمدادات الطاقة، ونظم احتياطية للبطارية، وزجاجات صغيرة لا تزال تعمل في المرور العابر أثناء فترات انقطاع الكهرباء، كما أن القدرة على التكيف تنطوي على حماية الهياكل الأساسية من المخاطر المتصلة بالمناخ مثل الفيضانات والحرارة.

إدماج مصادر الطاقة المتجددة

Renewable energy integration powers transportation with low-carbon electricity. Energy engineers assess site -specific resources, design connection infrastructure, and manage intermittency.

محطات الشحن ذات الطاقة الشمسية

ويمكن أن توفر الأفرقة الفولطية الضوئية التي تم تركيبها على مواقع الوقوف أو على الطرق السريعة مباشرة محطات الشحن بالأشعة السينية، وكثيرا ما تشمل هذه النظم تخزين البطاريات في الموقع لاستخلاص الجيل الزائد، وعلى سبيل المثال، تبين U.S. Department of Energy’s SolarPowered EV Charging Station projects كيف يمكن للصفوف الشمسية أن تقابل الطلب على الشبكة أثناء ساعات الذروة.

الطاقة الريحية للحافلات الحديدية والكهربائية

ويمكن لمزارع الرياح الكبيرة أن توفر الكهرباء لممرات السكك الحديدية الكهربائية ومخازن الحافلات، وفي المناطق التي تنعم بالرياح المتسقة، توفر اتفاقات شراء الطاقة من مزارع الرياح طاقة منخفضة التكلفة يمكن التنبؤ بها، ويقوم مهندسو الطاقة بتصميم شبكات الربط ونظم إدارة الطاقة التي تسهل الإنتاج المتغير من الأربينات الريحية.

نظم تخزين الطاقة وتكنولوجيا البطاريات

وتخزن الطاقة العمود الفقري للنقل الكهربي، حيث تمكن البطاريات من تشغيل المركبات الكهربائية، ودعم التخزين الثابت لشحن الهياكل الأساسية عن طريق وقف الطلب على ذروته.

السلف في البطاريات الليثيوم - الأيونية

وقد حسّنت تكنولوجيا الليثيوم الكثافة من الطاقة من 150 و/كغ تقريبا إلى أكثر من 250 و/كغ في العقد الماضي، ويعمل مهندسو الطاقة على إدارة الحرارة، وموازنة الخلايا، والبروتوكولات السريعة التأجير لتوسيع نطاق حياة البطاريات والحد من أوقات الشحن، كما تعاونوا مع علماء المواد لتطوير الكيمياء الخالية من الكوبالت التي تقل فيها التكاليف والأثر البيئي.

Solid-State and next —Generation Storage

وتعود البطاريات ذات النطاق الصلع إلى ارتفاع كثافة الطاقة وتحسين السلامة، ويشارك مهندسو الطاقة في رفع هذه التكنولوجيات من المختبرات إلى الإنتاج، وتشمل عمليات التخزين الناشئة الأخرى البطاريات التدفقية للتطبيقات الثابتة والمركبات الخارقة للشحنات العالية القدرة في النقل العام.

Smart Grid and Vehicle —to —Grid (V2G) Integration

وتتيح شبكات الذكاء الاتصال الثنائي الاتجاه بين المركبات وشبكة الكهرباء، ويقوم مهندسو الطاقة بتصميم المعدات والبرامجيات التي تتيح للمنشطات الكهربائية أن تعمل على النحو الموزع لموارد الطاقة.

الاستجابة للطلبات والموازنة بين القروض

وتسمح نظم V2G لأجهزة التعبئة الكهربائية بإعادة الطاقة المخزنة إلى الشبكة خلال ساعات الذروة، مما يقلل من الحاجة إلى محطات ذروة الوقود الأحفوري، ويقوم مهندسو الطاقة بتطوير منابر تجميعية تنسق آلاف المركبات لتقديم خدمات فرعية مثل تنظيم الترددات، كما يصممون المحولات الكهربائية والمحولات الكهربائية التي تستوفي معايير الربط الشبكي.

الاستحقاقات الاقتصادية والتشغيلية

ويمكن لمشغلي الأسطول أن يدروا الإيرادات عن طريق بيع الخدمات لمشغلي الشبكات، وتخفيض التكلفة الإجمالية للملكية الفكرية، ويضع مهندسو الطاقة نموذجاً لتكاليف تدهور البطاريات مقابل فرص الإيرادات لتحقيق أقصى قدر من الرسوم الجمركية وتصريفها.

هاء - النقل العام والشحن

حافلات كهربائية وسكك الحديد

وتقوم وكالات النقل بوزع حافلات تعمل بالبطارية والهيدروجين - الخلايا - مهندسو الطاقة بتصميم مستودعات ذات فتحات عالية الطاقة ونظم توجيه لاسلكية - فيما يتعلق بالسكك الحديدية، تتطلب خطوط الطهي العلوية ونظم السكك الحديدية الثالثة محطات فرعية تحول فولتات الشبكة، ويقوم مهندسو الطاقة بتحليل تدفق الحمولة لضمان القدرة الكافية على توليد الطاقة وتقليل انخفاضات الفولطية إلى أدنى حد.

كهرباء شاحنة ثقيلة

ويطرح طول الشاحنات تحديات فريدة بسبب ارتفاع الطلب على الطاقة والمسافات الطويلة، ويقوم مهندسو الطاقة بتقييم محطات الشحن المزودة بمقياس للجراثيم، ونظم التبريد بالبطارية، وخلايا الوقود الهيدروجينية، كما يدرسون الأثر الناموسيق لإضافة حمولات عالية الطاقة على الممرات الرئيسية، ويجري أيضا استكشاف إمكانية وجود خطوط مائية فوقية على الطرق السريعة، مع قيام مهندسي الطاقة بتصميم عمليات تكامل بين الخرائط للشاحنات.

خلايا الوقود الهيدروجينية والوقود البديل

Hydrogen for Long-Haul Transport

وتحوّل خلايا وقود الهيدروجين إلى الكهرباء بالماء كمنتج ثانوي وحيد، إذ يصمم مهندسو الطاقة أكوام الوقود، ومكونات التوازن بين الزرع، والهياكل الأساسية لإعادة الوقود، ويعملون أيضا على أساليب إنتاج الهيدروجين، مثل الكهرباء التي تعمل بالطاقة المتجددة، لضمان أن يكون الوقود خضراء، وقد أظهرت المحاكمات في أوروبا وآسيا حافلات وشاحنات الوقود التي تتجاوز مساحتها 400 كيلومتر.

الوقود الأحيائي والوقود التركيبية

وبالنسبة للمركبات والتطبيقات القديمة التي يصعب فيها الكهربة، يمكن أن يقلل الوقود السائل المنخفض الكربون من الانبعاثات، إذ يقوم مهندسو الطاقة بتقييم انبعاثات دورة حياة الوقود الأحيائي من المواد الوسيطة مثل الدهون المستعملة والبقايا الزراعية، كما أن الوقود التركيبي الذي ينتج من ثاني أكسيد الكربون المأخوذة والهيدروجين المتجدد يوفر بديلاً عن الانزال للديزل أو البنزين، وإن كانت كفاءة الطاقة أقل من الكهرباء المباشر.

تصميم الهياكل الأساسية للطاقة - الكفاءة

وفيما عدا المركبات، يمكن الاستفادة من البنية التحتية نفسها على النحو الأمثل من وفورات الطاقة، ويتعاون مهندسو الطاقة مع المهندسين المدنيين من أجل إدماج الإضاءة الذكية، والتكفير المتجدد في السكك الحديدية، ونظم استعادة الحرارة في محطات العبور.

مواد البناء الخضراء والإضاءة

ويؤدي الإضاءة في أجهزة الاستطلاع بالأجهزة الاستطلاعية في مرآب السيارات وفي محطاتها إلى الحد من استهلاك الكهرباء، ويحدد مهندسو الطاقة نظم عالية الكفاءة في استخدام الهيدروفلوروكربونات ومظاريف البناء التي تقلل من الخسائر الحرارية، ويمكن أن يؤدي الارتفاع في السطح المتضخم جدا والأسطح الخضراء إلى زيادة انخفاض الطلب على الطاقة.

Regenerative Braking and Energy Recovery

يمكن لمهندسي الطاقة أن يصمموا المتحولين ويخزنوا هذه الطاقة لإعادة استخدامها بواسطة قطارات سريعة، وفي حافلات كهربائية، يمكن أن يمتد المكابح المتجددة إلى 20 في المائة في حركة المرور بالتوقف والتوقف.

السياسات والاقتصاد والتعاون

ولا تكفي أوجه التقدم التقني وحدها دون سياسات داعمة ونماذج اقتصادية، إذ يقدم مهندسو الطاقة بيانات وتحليلات إلى واضعي السياسات بشأن القدرة على الشبكة، وتكاليف البنية التحتية، وتخفيض الانبعاثات، كما يقدمون المشورة بشأن برامج الحوافز، مثل إعادة تشغيل محطات الشحن أو معدلات الاستخدام المتراوحة بين الوقت والزمن التي تشجع على فرض رسوم على الإنترنت.

وتعجل الشراكات بين القطاعين العام والخاص بالنشر، فعلى سبيل المثال، تتعاون شركات المرافق مع وكالات العبور في تخطيط عمليات تحديث الشبكات وتحديد مواقع مراكز الشحن، ويقوم مهندسو الطاقة بإجراء دراسات جدوى وتحليلات لفوائد التكلفة تسترشد بها قرارات الاستثمار.() ويساعد التعاون الدولي، مثل برنامج التعاون التكنولوجي التابع للمعهد الدولي للنقل ، على تبادل أفضل الممارسات.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ويمكن للشحن غير المهرى للمركبات داخل الحركة أن يزيل القلق من المدى بالنسبة للسفر لأغراض المساعدة الطويلة، ويقوم مهندسو الطاقة بتطوير الفحم المسبب للاختراع الذي ينقل الطاقة من الرعايا المتحركة إلى أجهزة استقبال المركبات، كما يجري تطبيق نظام الاستخبارات والتعلم الآلي على أفضل الطرق، وتحديد مواعيد الشحنات، وإرسال البطاريات الشبكية.

وثمة حدود أخرى تتمثل في إدماج الهياكل الأساسية للنقل في نظم البناء والطاقة الصناعية، فعلى سبيل المثال، يمكن للشحن بالأشعة السينية ذات الاتجاهين في أماكن العمل أن يدعم إدارة شحنات المباني التجارية، ويعمل مهندسو الطاقة على إيجاد توأم رقمي لمقاطعات المدينة بأكملها لنموذج تدفقات الطاقة وتحديد أوجه التآزر.

خاتمة

وتوفر هندسة الطاقة الأساس التقني للهياكل الأساسية المستدامة للنقل، إذ من خلال النهوض بتكامل الطاقة المتجددة، وتخزين الطاقة، والشبكات الذكية، وكهربة جميع وسائل النقل، يتيح مهندسو الطاقة الانتقال من الوقود الأحفوري، وسيؤدي استمرار الابتكار في مجال كيميائيات البطاريات، وإنتاج الهيدروجين، والأخذ بالنظام إلى الحد الأمثل من التكاليف وتحسين الأداء، كما أن التعاون بين المهندسين وواضعي السياسات والصناعة والمجتمعات المحلية لا يزال حيويا في توسيع نطاق هذه الحلول على الصعيد العالمي.