مستقبل مركبات السكك الحديدية الخفيفة الهجينة التي تجمع الديزل والطاقة الكهربائية

مقدمة: قضية شركة هيبريد باورترانز في منطقة العبور الحضري

وتواجه مشغلات السكك الحديدية الحضرية توترا مستمرا: فالدفعة التي تدفع إلى حركة المرور في مراكز المدن التي لا توجد فيها أي انبعاثات، تلبي الواقع المالي لصيانة وتوسيع شبكات العمر، وتكلفة الكهرباء (الفئة) لتركيب وصيانة المولدات الكهربائية غير المجهزة بالبطارية، ولا سيما من خلال المقاطع المعقدة، والمقاطعات التاريخية، والأنفاق.

ولا تزال أهمية هذه التكنولوجيا تنمو مع اعتماد المدن خطط عمل أكثر صرامة في مجال المناخ والسعي إلى توسيع شبكات المرور العابر دون تحمل التكلفة الباهظة لاستقطاب كل كيلومتر من المسارات، ويسعى المشغلون بشكل متزايد إلى إيجاد مخزونات متجددة يمكن أن تتجنب عدم اليقين في أسعار الوقود ولوائح الانبعاثات في المستقبل، وتمثل هذه المركبات، بعيدا عن كونها نقطة توقف مؤقتة، رصيدا استراتيجيا قادر على التكيف مع واقع البنية التحتية المتغيرة على مدى عقدين وعلى تنفيذ ولايات الاستدامة.

جيم - الجوانب التنفيذية

عدم تطابق المرونة في المسارات وتكامل الخدمات

وتتمثل الميزة الأكثر إلحاحاً لمحطة مضخة هيائية في قدرتها على العمل على أي نوع تقريباً من البنى التحتية للسكك الحديدية دون تغيير، ويمكن أن تبدأ مركبة واحدة رحلتها على مسار مخزن غير مُحصَّل تحت طاقة الديزل، وتدخل قسماً لإدارة الشوارع في المدينة يستخدم البطاريات على متنها لمواجهة الضوضاء والقيود على الانبعاثات، وتنظم خطوط النقل الرئيسية ذات السرعة العالية باستخدام محطات النقل البري.

ومن منظور تخطيط الشبكة، توفر المركبات المزودة بأجهزة مضخة ذات مرونة هائلة، وإذا مددت المدينة خطاً خفيفاً للسكك الحديدية إلى منطقة إنمائية جديدة، فإنها يمكن أن تؤجل تكلفة تركيب المطاعم إلى أن تبرر عملية السخرة الاستثمار، وتعمل المركبات على التمديد الأولي باستخدام مصادر الطاقة الموجودة على متنها، وبالمثل، أثناء الصيانة المقررة للأسلاك أو الإعانات، يمكن أن تستمر المركبات في تشغيلها في تكاليف تشغيل الحافلات أو استبدالها.

خفض الانبعاثات المستهدفة بدون التحصيل الكامل

وفي حين أن مركبة خلية الوقود الكهربائية البترولية أو الهيدروجينية النقية قد تكون المثالية الطويلة الأجل لعملية عدم الانبعاثات المحلية، فإن الهجينات الديزلية توفر مسارا عمليا لتخفيض الانبعاثات بدرجة كبيرة اليوم، وفي مراكز المدن، حيث تكون الشواغل المتعلقة بالجودة الجوية أشد حدة، تعمل مركبات الديزل المهجورة في شكل كهربائي، تنتج انبعاثات من الديزل السائلة، وتستخدم مولد الديزل في المقام الأول خارج المناطق الحضرية الكثيفة.

وبسماح محرك الديزل بالسير بسرعة ثابتة ومثلى، بينما تُعيق البطارية متطلبات الشحن المتغيرة المتمثلة في التعجيل والتفاخر، تؤدي النظم الهجينة إلى تحسين كفاءة الوقود بنسبة 20 إلى 35 في المائة مقارنة بالقطارات التقليدية الميكانيكية للديزل أو الديزل - الهيدروليكية، وهذا الانخفاض في استهلاك الوقود يقترن مباشرة بانبعاثات غازات الدفيئة، وبالنسبة للوكالات التي تسعى إلى استيفاء معايير الاستدامة دون أن تقدم عقوداً من أجل الحصول على كهرباءات الوسيطة الكاملة.

وفورات في تكاليف القدرة المالية والهياكل الأساسية

وكثيرا ما تتوقف حالة الأعمال المتعلقة بالمعاملات المختلطة ذات الرؤوس الصغيرة على المدخرات الرأسمالية الضخمة المرتبطة بتفادي الكهربة الكاملة، ويمكن أن تصل تكلفة تركيب المطاعم العامة إلى ملايين الدولارات لكل كيلومتر، مع نفقات إضافية كبيرة للمرافق الفرعية ومحطات المغذيات والصيانة الجارية، ومن خلال نشر المركبات الهجينة، لا يمكن للوكالات أن تحتفظ بكهربة لأكثر الممرات فائدة من الناحية التشغيلية أو ذات الأثر الثقيل، مما يجعلها أكثر نشاطا.

ومن الناحية التشغيلية، فإن القدرة على استخدام نوع واحد من أنواع الأسطول يبسط تدريب السائقين، ومخزون قطع الغيار، وتدفقات العمل المتعلقة بالنفقة، وبدلا من إدارة قوائم منفصلة من قطارات الديزل والسمات الكهربائية، يمكن لمجموعة واحدة من المركبات الهجينة أن تخدم الشبكة بأكملها، ويدفع هذا التجميع الأسطول تكاليف الشراء حسب الوحدة عن طريق طلب الحجم ويحسن استخدام الأسطول عموما.

الهندسة الانتقالية: التكنولوجيات الأساسية

Series vs. Parallel Hybrid Architectures

ويحدّد التكوين التقني لجهاز مركب مختلط كفاءته وموثوقيته ومظروفه التشغيلي، ويُعتبر الهيكل المهيمن في المركبات الحديثة هو السيريس المهجورة ، وفي هذه التشكيلة، يقوم محرك الديزل بحمل مولد كهربائي ينتج الكهرباء، ويمكن استخدام هذه الكهرباء مباشرة بواسطة محرك الترامليكات لبثّ المركبة أو تخزينها في البطارية لاحقاً.

(أ) البنايات () Parallel hybrid) حيث يمكن لمحرك الديزل أن يقود العجلات مباشرة بينما يقدم محرك كهربائي المساعدة، وهي أقل شيوعاً في أجهزة الأشعة المحتوية على أشعة متطورة، ولكنها لا تزال تستخدم في بعض التطبيقات الكيمائية أو مشاريع إعادة التعبئة، وفي حين أن النظم الموازية يمكن أن توفر كفاءة أعلى قليلاً في سيناريوهات العالية السرعة،

نظم تخزين الطاقة في البطاريات المتقدمة

(أ) أن تكون البطارية هي التكنولوجيا الأساسية التي تتيح للمعاملات الوسيطة الحديثة، وقد تكون المحاولات المبكرة في السكك الحديدية الهجينة تعتمد على البطاريات الثقيلة التي تستخدم الرصاص أو الطيور البدائية، ولكن التقدم السريع في الكيمياء البعيدة قد يغير هذا القطاع.

البطاريات المتطورة، بينما تكون الطاقة منخفضة، توفر كثافة طاقة غير متناظرة، وتشحن بسرعة عالية، ويمكن أن تقبل معدلات عالية جدا من الطاقة المُتولدة من التكفير دون زيادة الحرارة ويمكن إعادة شحنها بسرعة عند محطة التوقف باستخدام موجات قصيرة من الطاقة العالية السرعة، مما يجعلها مثالية لنظم التغليف السريع حيث تنفق المركبة بضعة ثواني على التعبئة

إدارة الطاقة الذكية وتحقيق الاستخدام الأمثل

ويكمن جهاز الاستخبارات المختلط في نظام إدارة الطاقة [PMS] ، وهذا البرنامج المتطور يرصد باستمرار عشرات المتغيرات: السرعة، والتدرج، وحمولة الركاب، وبطارية الشحن، والفولط المكبّح، وموقع GPS، ويتوقع نظام إدارة المباني أن يُحمّل الطاقة في الجزء القادم من المسار.

كما أن منابر الإدارة العليا الحديثة تتضمن الربط السحابي والتعلم الآلي، إذ يمكن للمهندسين، من خلال تجميع البيانات التشغيلية من الأسطول بأكمله، أن يصقلوا باستمرار خوارزميات التحكم من أجل تحقيق الحد الأمثل من استهلاك الوقود، وصحة البطاريات، والتقيد بالجدول الزمني، ويمكن تحديث هذه النظم على الهواء، مما يتيح للمشغلين تعديل الاستراتيجية الهجينة مع تغير ظروف الطرق أو مع تدهور البطارية الطبيعية على مدى فترة خدمتها.

قادة السوق والوزع الحقيقي في العالم

ستيدلر سيلينك: علامة ترام - تران

"الطريق الـ "إف إل تي" هو أكثر الطرق نجاحاً و مُعترفاً به في العالم " "الشبكة الرئيسية "الـ "التراميل "الـ "الـ "إترام" في "الـ "الـ "الـ "إف تي" "

هندسة سيلينك قوية، إنها تحتوي على وحدة محرك الديزل المركزي التي تُعزل بعناية لتقليل الضوضاء إلى أدنى حد، الانتقال بين مصادر الطاقة تلقائي بالكامل، و قد تم إنجازه في جزء من الثانية، وقد أثبت نجاح شبكة سيتيلينك أن أجهزة الأشعة المتحركة يمكن أن تحقق درجة عالية من الموثوقية وقبولا قويا للمسافرين، مما يشجع المدن الأخرى على التحقيق في مخططات مماثلة للترام.

CAF Urbos: Flexibility Across Continents

وقد طورت الشركة الصانعة الإسبانية منصة أوربوس التي تم نشرها على نطاق واسع، والتي تقدم في تشكيلات متنوعة من الطاقة، بما في ذلك المتغيرات الهجينة، وكثيرا ما يركز نهج القوات المسلحة التقليدية على استخدام Green Charging تكنولوجيا، التي تتضمن محطات شحن عالية القوة تعمل باليد والتي تتيح تشغيل المولدات الكهربائية بالبطارية لفترات طويلة.

وقد قامت القوات المسلحة الكونغولية بتزويد المدن في مختلف أنحاء أوروبا والشرق الأوسط بوحدات هجينة وبطارية، كما أن نموذج منصة أوربوس هو نقطة بيع رئيسية، حيث أنها تسمح للوكالات بتوحيد تصميم مركبة واحدة مع تشكيل نظام الطاقة ليطابق البنية التحتية الفريدة لكل خط تعمل فيه، مما يقلل من تعقيد المشتريات ويبسط إدارة الأسطول على المدى الطويل.

Siemens and Alstom: Integrating Hybrid Options

كل من سيمينز (وهو الآن جزء من حركة سيمنز) و(آلستوم)، واثنين من أكبر شركات صناعة السكك الحديدية على الصعيد العالمي، يقدمان بشكل نشط نظماً للحركة الهجينة كخيارات على منصة الشاحنات المُوحّدة، و(الطاقة) المُثبتة (الطاقة الأساسية) (S70Avanto) ، وهي تعمل على نطاق مُبتكر

وبالنسبة للوكالات التي تعمل بالفعل أساطيل سيمنز أو آلزتوم، فإن اختيار متغير هجين من نفس المنتج يوفر مزايا واضحة للتوافق فيما يتعلق بقطع الغيار والتدريب ومعدات المستودعات، وهذا المشهد التنافسي يضمن أن يكون لدى المشغلين مجموعة واسعة من الخيارات النابعة من المقاييس المهجورة للإنتاج والجاهزة للاختيار منها.

التحديات والهندسة

توزيع الوزن والحدود القصوى

ومن أهم التحديات التقنية في تصميم مركب مركب مختلط هو إدارة الوزن، ويجب أن تعمل مركبات السكك الحديدية الخفيفة في حدود حمولة حرارية صارمة لتجنب الإفراط في اللبس على المسار وتلبية أنظمة إدارة الشوارع، كما أن إضافة مجموعة من البطاريات المتعددة الأطنان ومحرك ديزل كبير ومولد كهربائي وناسخ بعد المعالجة ونظم التبريد إلى مركبة مزودة بالفعل بمعدات الترام والمقاعد هو من أهم اللوز الهندسي.

وكثيرا ما توضع البطاريات تحت الأرض، وهو المكان المثالي لمراكز الجاذبية المنخفضة، ولكن هذا المكان مقيد للغاية، وكبديل لذلك، توفر عبوات البطارية المجهزة بالسطح مساحة أرضية، ولكنها ترفع مركز الجاذبية للمركبات، وتتطلب تعزيزا هيكليا، حيث يتم تركيب المولدات الكهربائية في وحدة مخصصة على السطح أو في مقصورة غير متحركة، وتعني قيود التغليف هذه أن المشغلات الكهربائية أقل من اللازم.

تعقيد الصيانة وصلاحية المستودع

ويحتوي جهاز كهرباء مختلط أساسا على مضيقين كاملين للطاقة، وهذا التعقيد المزدوج للنظم يمثل تحديا كبيرا لطاقم الصيانة التي تدرَّب تقليديا على أي من النظم الكهربائية أو الميكانيكية، ولكن نادرا ما يكون كلاهما، ويجب على مستودعات المياه أن تستثمر في طيور مكرَّسة لاستخراج العادم لتشغيل محركات الديزل، فضلا عن معدات أمان عالية التأثير للعمل على نظم البطاريات والخروط.

ولإدارة هذا التعقيد، يشدد المصنعون بشكل متزايد على الصيانة المتوقعة والتشخيص عن بعد، إذ أن أجهزة الاستشعار على المحرك والبطارية تبث باستمرار بيانات عن المحركات والبطاريات إلى منصة صيانة مركزية، تحذر الأطقم من القضايا المحتملة قبل أن تسبب فشلا، وعلى الرغم من ذلك، فإن عبء الصيانة أعلى مما هو عليه بالنسبة لمركبات كهربائية نقية، ويجب على الوكالات أن تستثمر بشدة في التدريب والأدوات لضمان أن يحتفظ موظفوها بأساطيل الهجينة تعمل على مدى دورة حياتها الكاملة، البالغ عددها 25 سنة.

إدارة البطارية والحياة

ونظراً لأن مركبات الشاحنات المهجورة تعتمد على مجموعات البطاريات الكبيرة التي تحمل الليثيوم، فإنها معرضة مباشرة لتحديات الاستدامة الكامنة في إنتاج البطاريات، إذ يجب أن تكون المواد الخام، بما فيها الليثيوم والنيكل والكوبالت، مصدر مسؤولية، وهناك توقع متزايد من الناحية التنظيمية والعامة بأن تكفل وكالات العبور إنتاج بطارياتها في ظل ظروف أخلاقية، مما يضيف درجة من العناية الواجبة لعملية الشراء التي لم تكن موجودة عندما كانت الدي.

وعلاوة على ذلك، فإن البطاريات لديها متوسط العمر المتوقع للسيارة نفسها، ومعظم عبوات الليثيوم - الأسيون في خدمة التراكب الثقيلة ستحتاج إلى استبدالها بعد 8 إلى 12 سنة، رهنا بأنماط الاستخدام والإدارة الحرارية، كما أن إنشاء آلية قوية من النوع الثاني أو سلسلة إعادة تدوير هذه العبوات الكبيرة ذات الفولطية العالية أمر أساسي لمنع حدوث أزمة نفايات في المستقبل.

المستقبل

دور الهجينات في استراتيجية صافية - صفر

ومن المهم وضع المقياس الهيدروجيني ليس بديلاً عن الكهربة الكاملة، بل كممكن فعال للغاية من ذلك.() وتتيح الهجينات للمشغلين إزالة الكربون من عملياتهم على مراحل() وفي الأجل القريب، يُستخدم الطاقة الكهربائية في مراكز المدن للتخلص من الانبعاثات المحلية، وبما أن الشبكة تصبح أكثر خضراء، فإن تشغيل الوسيلة الكهربائية يصبح فعلياً صفراً من الكربون.() ويمكن عندئذ تشغيل مولد الديزل على [FL:]

ونظراً للأمام، فمع نضج تكنولوجيا البطاريات وهبوط التكاليف، يمكن إزالة مولد الديزل في مركب هجين من طراز LRV، والاستعاضة عنه ببطارية أكبر في مرحلة متوسطة من العمر، وهذا النهج " الحكيم " في إزالة الكربون هو نهج جذاب للغاية للوكالات ذات الميزانيات الضيقة، ويمكنها شراء مركبة مهجورة اليوم تلبي الاحتياجات الحالية، وتحويلها إلى مركبة بنية أساسية مخففة الانتشار في 15 سنة.

الاستقلال الذاتي والتكامل الرقمي

(ب) نظام إدارة الطاقة المعقد الموجود بالفعل في المركبات المزودة بأجهزة مضخة للأجهزة المزودة بأجهزة مزودة بالكهرباء، يوفر منبراً طبيعياً لزيادة رقمنة التشغيل الآلي، لأن المركبة تتخذ بالفعل قرارات آنية بشأن اختيار مصادر الطاقة وتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة، مما يضيف كشفاً مستقلاً للعقبات ووقفاً آلياً، وهو امتداد منطقي.

(ج) إن التكامل مع الهياكل الأساسية للمدينة الذكية ] هو حدود أخرى، ويمكن أن يتواصل جهاز التحكم المختلط مع أضواء المرور لطلب الأولوية، وتعديل سرعته لتجنب التوقف خارج الإشارة الخضراء، وتنسيق الشحن في محطات التوقف لتجنب تحميل الشبكة المحلية، ويزيد مستوى التكامل الرقمي هذا من كفاءة الطاقة في النظام الهجين ويحسن القدرة العامة للنظم الإيكولوجية.

الاستنتاج: استمرار العلاقة في عالم متغير

إن مركبة السكك الحديدية الخفيفة الهجينة هي حل متطور لمشكلة حقيقية جدا، فهي توفر وسيلة فورية وعملية وقابلة للبقاء ماليا لتحسين نوعية الهواء في مراكز المدن، وتوسيع شبكات العبور إلى المناطق التي لا تحظى بخدمات كافية، والحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري، دون انتظار الكهربة الكاملة لشبكة السكك الحديدية، ويعطي الجمع بين الديزل والبطاريات والطاقة المغذية للمشغلين مستوى غير متجانس من المرونة التشغيلية، مما يتيح لهم استخدام هذا النوع من الوسائل.

بينما التحديات المتصلة بالوزن والتعقيد و دورة حياة البطاريات موجودة، المجتمع الهندسي يُعالج هذه المشاكل بشكل نشط من خلال المواد المتقدمة، والبرمجيات الذكية، وبرامج إعادة التدوير القوية، قادة السوق، بما في ذلك ستادلر، و CAF، و Siemens، و Alstom، أثبتوا أن أجهزة الأشعة المقطعية المهجورة يمكن أن تحقق الموثوقية والأداء اللازمين لخدمة العابرة 24/7.