الثورة الهادئة: لماذا البطارية - خط النور يُصبحُ موتم

إن نظم المرور العابر الحضرية في جميع أنحاء العالم تتعرض لضغوط هائلة، ويجب عليها أن تحرك السكان المتزايدين بكفاءة في الوقت الذي تقطع فيه انبعاثات غازات الدفيئة وتخفض فيه تلوث الضوضاء في بيئات مكتظة، وقد وفرت مركبات السكك الحديدية الخفيفة، منذ عقود، أرضا متوسطة مرنة بين نظم المترو الثقيل والحافلات، غير أن معظم أساطيل السك الحديدية الخفيفة ما زالت تعتمد على أسلاك مكثفة (قوة) أو في الممرات أقل كهربة.

وتتحمل مركبات الشاحنات المزودة بأجهزة كهربائية تعمل على متنها طاقة مخزنة كافية للعمل على مسافات كبيرة بين فرص الشحن، ويمكنها إعادة شحنها في محطات التوقف أو محطات طرفية أو عن طريق أجزاء قصيرة من السلك العام، وتسمح هذه القدرة للمدن بتوسيع نطاق خدمة السكك الحديدية لتشمل مناطق تاريخية تحت الجسور المنخفضة، ومن خلال مناطق تعتبر فيها أجهزة النقل الجوي غير سارية أو غير عملية.

المساحة الحالية: حيث تعمل طائرات الشاحنات المكلورة بالبطارية والكهرباء اليوم

وقد أثبتت عدة مشاريع رائدة بالفعل جدوى وجود سكة خفيفة تعمل في البطاريات، وفي الصين، يعمل خط السكك الحديدية الخفيفة في شينزين البالغ 100 في المائة على طاقة البطارية دون أي محفز لمعظم مسارها، وفي ألمانيا، تجري مدينة برونزويك اختبارا للأجهزة اللاسلكية ذات القوة البطارية منذ عام 2014، وتشغل ولاية شليسويغ - هولشتاين أسطولا من أجهزة الشحن اللاسلكية ذات البطارية.

وتدل عمليات النشر في العالم الحقيقي على أن عمليات الأشعة المقطعية في البطاريات أكثر من النماذج الأولية، وهي تثبت موثوقيتها في خدمة الإيرادات اليومية، وتعالج التدرجات، والظروف الجوية، وعبء الركاب الذي يعكس عمليات التشغيل التقليدية للرسوم العامة، وتخفض وكالات النقل التي اعتمدت هذا التقرير التكنولوجي تكاليف الهياكل الأساسية، وانخفاض مستويات الضوضاء في المناطق السكنية، والقدرة على التخلص التدريجي من مركبات أسطول المركبات التي تعمل بنظام تجديد الطاقة الديزلية.

Core Technologies Driving the next Generation of LRVs

ليثيوم - إيون باتري

إن قلب أي مركب للكهرباء البطارية هو نظام تخزين الطاقة، فبطاريات الليثيوم -يون التي تُستخدم اليوم تحقق كثافة طاقة تتراوح بين 250 و300 و/كغ على مستوى الحزمة، مع تجاوز عمر الدورة 000 10 دورة شحن في تطبيقات التخدير، وهذا يكفي للسماح بقطع نمطية من ثلاثة أجزاء للسفر 20 إلى 40 كيلومترا دون إعادة شحن، مع أن معظم الجيل الحضري يتابع مسارات.

أما البطاريات ذات الوضع الصلب، التي تحل محل الكهروليت السائل بمواد صلبة، فتعد بكثافة الطاقة تبلغ 400-500 و/كغ أو أعلى، وتكون ذات قدرة أكبر على السلامة وتسريع الطاقات، وفي حين أن إنتاج السيارات على نطاق واسع خلايا الدول الصلبة لا يزال بعيداً عن عدة سنوات، فإن قطاع السكك الحديدية، مع انخفاض حجمه ولكن ارتفاع قيمة المركبات، يمكن أن يشهد اعتماداً مبكراً.

الهياكل الأساسية السريعة: محطة وقف

وتفرض رسوم على مركبته بمئات الكيلوتات ساعة من طاقة البطارية في دقائق قليلة في محطة، وتطالب بنظم شحن ذات قوة عالية، وتشحن أجهزة الرؤوس الزائدة من نوع كابيري (التي تسمى في الغالب أجهزة شحن بالبطارية) بشحنات من 500 إلى 750 كيلوواط عبر وصلة قصيرة من المسافات العامة، ويمكن للحلول اللاسلكية أن تنقل أجهزة التموين ذات فتحات ذات السعة 200 إلى 400 كيلو متر مربع.

وثمة نهج واعد آخر يتمثل في استخدام الشحن السريع في نقاط نهاية الطريق، وقد يكون للقطعة التي تصل إلى محطة طرفية ما 5-10 دقائق من وقت الإقامة، وهو ما يكفي لشحنة عالية الطاقة تغذي معظم الطاقة المستخدمة خلال الرحلة، مما يزيل الحاجة إلى المطاعم المستمرة ويقلل من الضغط على البطاريات عن طريق درء الحزمة على عمق سطحي من التصريف.

مواد الوزن الخفيف والبيوت الأيرودينامية

وكل كيلوغرام من الوزن الموفر على مركب كهرباء البطاريات يترجم مباشرة إلى حجم أكبر أو إلى حجم بطاريات مخفض، وتزداد صياغات حديثة باستخدام السكك الحديدية الألومنيوم ومركبات البوليمر المخففة الكربونية التي تعمل في إطار لوحات الجسم الداخلي، وتسمح تقنيات التصنيع الجديدة، مثل الطوابع الساخنة والارتباطات اللامعية، بتبسيط هياكل السحب البسيط للمركبات ذات العجلة.

إدارة الطاقة الذكية والتحليل الافتراضي

ويجري إدماج الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي في نظم مراقبة المركبات، وهذه البرامج الذكية لإدارة الطاقة تتعلم باستمرار ملامح مسارها - بما في ذلك التدرجات، والغطاء، والتوقف عن المواقع، وأنماط المرور - وتعديل استراتيجيات توليد الطاقة، وتجديد البطاريات، وتتوقع أن تُمنح فرص التعبئة المقبلة، وتُحدِّد إلى أقصى حد من حجم الشحنات التي تُحد من الارتطام.

سائقو النظام البيئي

السياسة العالمية والمحلية هي قوة مصممة لأجهزة الأشعة المقطعية للبطارية، مجموعة الاتحاد الأوروبي "الصندوق مقابل 55" وتشريعات مماثلة في أمريكا الشمالية وآسيا تدفع وكالات العبور نحو الأسطول الصفري الانبعاثات، وقد أعلنت مدن كثيرة عن أهداف لحظر حافلات الديزل وتخفيض إجمالي انبعاثات الأسطول بنسبة 50 في المائة أو أكثر بحلول عام 2030، وأصبح السكك الحديدية الخفيفة التي تحمل بالفعل أكثر بكثير من الركاب في كل وحدة من الحافلات أمراً حراً.

كما أن أنظمة التنوير هي عامل آخر، حيث يطال السكان الحضريون على نحو متزايد الأحياء الأكثر هدوءاً، وخاصة خلال ساعات الليل، حيث تعمل أجهزة الأشعة الليبرية الكهربائية على مستويات سليمة تقل في كثير من الأحيان عن 10 دي بيزوات، أي انخفاض كبير في الصوت المتصور، كما أن القضاء على الضوضاء اللاسلكية العامة (من الاتصال بالبلازما) هو فائدة إضافية، ففيما يتعلق بالمقاطعات التاريخية أو طرق الحدائق، فإن التحسين الاصطناعي العام لا يُ هو في كثير من القبول العام.

الاعتبارات الاقتصادية: انخفاض تكاليف الهياكل الأساسية

وتتمثل الحجة الاقتصادية الأكثر قسوة فيما يتعلق بمركبات العجلات المميتة في الانخفاض الكبير في تكاليف الهياكل الأساسية، إذ تمثل نظم المطاعم العامة التقليدية جزءا كبيرا من ميزانيات تشييد السكك الحديدية الخفيفة - التي تبلغ في الغالب ٢-٤ مليون دولار لكل كيلومتر مربع، تبعا لنقل المرافق وتعقيد الهيكل، وتسمح مركبات الصنع بالبطارية باتباع نهج تدريجي: لا يمكن تركيب الهياكل الأساسية إلا في المحطات والنقاط الرئيسية، مع ترك المسار بين المحطات بالكامل.

وعلاوة على ذلك، يصبح إعادة تجهيز ممرات السكك الحديدية غير المصحوبة بالكهرباء أمرا ممكنا، إذ توجد في مدن كثيرة مواصفات لسكك الشحن القديمة التي يمكن تحويلها إلى خدمة خفيفة لكبار الركاب بجزء من تكلفة بناء خطوط جديدة، حيث يمكن للمراكب الكهربية العاملة في البطاريات أن تعمل في هذه الممرات بأقل قدر من الكهربة، مما يجعل اقتصاديات النقل العابر القائم على السكك الحديدية قابلة للاستمرار بالنسبة للمدن الأصغر حجما أو للتركات شبه الحضرية التي لم تكن قادرة في السابق على حساب كامل

التحديات التي تظل: حياة البطارية، الوزن، والسلامة

ولا توجد أي تكنولوجيا بدون عقبات، وتواجه مركبات القاذورات الكهربية البطارية تحديات محددة يجب التصدي لها من خلال التخطيط الهندسي والتشغيلي:

  • Battery degradation over time:] Lithium-ion cells degrade with cycles and dates age. Transit agencies must plan for a mid-life bat replacement around year 12-15 of a 30-year vehicle life. The cost of replacementpacks is expected to decline, but it remains a significant operational expense.
  • Weight penalties:] A modern batpack for a tram weights 2-4 tons. This additional mass increases wheel and track wear, and it reduces energy efficiency. Designers are working to integrate batteries into structural elements of the vehicle to compensate weight.
  • Thermal management:] Battery cells generate heat during high-power charging and discharging. Effective liquid cooling systems are essential to prevent thermal runaway and to maintain performance. In hot climates, this adds complexity and parasitic energy consumption.
  • Infrastructure integration:] Retrofitting existing stations with high-power charging equipment may require electrical grid upgrades. Cities must coordinate with utilities to ensure reliable power supply.
  • Safety certification:] High-voltage bat systems in passenger vehicles demand rigorous safety standards. Fire safety is a particular concern, and regulation bodies are still developing specific standards for bat-electric rail vehicles in some jurisdictions.

غير أن كل من هذه التحديات يمثل فرصة للابتكار، إذ أن صناعة السيارات تؤدي إلى خفض تكاليف البطاريات بسرعة، كما أن العديد من هذه التطورات تنتقل مباشرة إلى تطبيقات السكك الحديدية، وتركز مبادرات البحث التعاونية بين المصنعين والمشغلين والجامعات على حل الاحتياجات المحددة لتطبيقات التخريب الثقيل.

دور الشحن اللاسلكي في توسيع نطاق المرونة التشغيلية

وكثيرا ما يشار إلى الشحنات المدفعية على أنها الحل النهائي للمضادات الكهربائية للبطارية، حيث لا توجد قطع متحركة، ولا يوجد موصلات مكشوفة، ولا توجد شحنات لاسلكية بصرية، وهي تناشد المناطق المتاخمة والمناطق الحساسة من الناحية الجمالية، وتستعمل النظم الحالية من مقدمي الخدمات مثل بوماردير (اليوم) الأبعات المتمركزة في المسار الذي يتوافق مع أجهزة الاستلام في محطة المركبات.

والقيد الرئيسي اليوم هو التكلفة، إذ أن دفع رسوم الشحنات يكلف نحو ٠٠٠ ١٠٠ دولار - ٠٠٠ ١٥٠ دولار للمحطة الواحدة، مقابل ٠٠٠ ٥٠ دولار - ٠٠٠ ١٠٠ دولار لشحنة مسطحة بسيطة، ومع ذلك، فإن حجم الإنتاج والتصميمات سيهبط، كما أن بعض النظم تستخدم لوحة التحكم الدينامية في الأماكن التي ترسم فيها رسوم السيارات، وهي تزيل رسوم المركبات التي لا تزال بحاجة إلى حد تجريبي.

دراسة حالة: بريمن، ألمانيا - خطوة نحو مسارات البطارية - القاذورات

ومن الأمثلة العملية التي توضح العديد من النقاط المذكورة أعلاه مدينة بريمن التي تعمل بنظام للسكك الحديدية الخفيفة مع كل من الأقسام المكرّسة والبطارية، وفي عام 2022، أعلن بريمن عن خطط لاستبدال جزء من أسطوله من الديزل بمركبات كربونية مائية تستخدم الفرصة في محطات التوقف النهائي، حيث بلغت نسبة الوصل إلى الحد الأدنى من الانبعاثات في محطات الترضية الحالية وأجهزة الإرسال، كما أن الاستثمار الرئيسي في الهياكل الأساسية يبلغ 90 في المائة.

أوجه التآزر مع تكنولوجيات أخرى لا تقبل الانبعاثات

ولا توجد مركبات كهربية تعمل بالبطارية في عزلة، وهي جزء من نظام إيكولوجي أوسع نطاقاً للمرور العابر من الصفري الانبعاثات، كما يجري النظر في خلايا وقود الهيدروجين في استخدام السكك الحديدية الخفيفة أو استخدامات السكك الحديدية الإقليمية التي لا تكفي فيها البطارية، وعلى سبيل المثال، يستخدم قطار كولا إلين في ألمانيا خلايا الوقود الهيدروجينية، بينما تجمع نماذج أخرى بين خلية صغيرة من خلايا الوقود (خس البطاريات) وهي أقل من النطاق الحضري.

وثمة تآزر آخر يتمثل في دمج أجهزة التلقيح المكلّفة بالبطارية مع شبكات ذكية ومنظومات الطاقة المتجددة، ويمكن لوكالات النقل أن توفر قدرتها على تخزين البطاريات للشبكة أثناء ارتفاع الطلب، وتوفر خدمات تنظيم الترددات، ويمكن أن تدر هذه الإمكانات " من البداية إلى الحضر " إيرادات لسلطات المرور العابر مع استقرار الشبكة الكهربائية المحلية، وهي مجال نشط من مجالات البحث والمشاريع التجريبية المبكرة.

ما يحمله المستقبل: معيار البطارية - الإضاءة

ومن المعقول، في المستقبل، توقع أن تصبح مركبات العجلات المميتة للبطارية المعيار الافتراضي لخطوط السكك الحديدية الخفيفة الجديدة بحلول عام 2035، لا سيما في أوروبا والصين وأجزاء من أمريكا الشمالية، وأن الجمع بين تكاليف البطاريات المتساقطة (التي يتوقع أن تقل عن 100 دولار/كيلوواط بحلول عام 2028 على مستوى الحزم)، وتركيب الهياكل الأساسية السريعة الشحن، وغايات الانبعاثات المتشددة بشكل متزايد، سيتيح اختيار التكنولوجيا الرشيد اقتصاديا.

وتقوم الجهات المصنعة مثل " ألستوم " و " سيمنز " و " سيمونز " (CRRC) بوضع برامج نموذجية كهربية للبطارية يمكن تشكيلها بحجم بطارية مختلفة وخيارات شحن مختلفة، وتتيح هذه المرونة لوكالات النقل العابر أن تصمم المركبة على طول الطرق واحتياجات الترددات المحددة، كما أن الاتجاه نحو الخفيف، وزيادة كثافة الطاقة، سييسر تحويل شبكات الدفعات والسيارات الميكانيكية الحالية إلى شبكات الخفيفة.

الاستنتاج: إن التعقب هو كهربائي وبطاريات

إن مركبات السكك الحديدية الخفيفة البطارية تمثل تقارباً في الضرورة البيئية والاستعداد التكنولوجي، فهي توفر للمدن طريقاً إلى النقل الأنظف والهدوءي والمرونة دون التكلفة الكاملة لكهربة الرؤوس العامة التقليدية، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة على طول البطاريات، والوزن، وشحن الهياكل الأساسية - المسار واضح، وكل عام يجلب بطاريات أفضل، ونظماً أكثر ذكاءً، وخبرة عملية أكبر.