Table of Contents
وتشهد مركبات السكك الحديدية الخفيفة الحديثة تحولا هادئا، حيث إن المدن في جميع أنحاء العالم تدفع لانبعاثات صافية من الصفر وتكاليف تشغيلية أقل، تتحول وكالات النقل إلى نظم متقدمة لاسترداد الطاقة لالتقاط وتخزين وإعادة استخدام الطاقة التي فقدت مرة واحدة كدفئة، وهذه النظم لم تعد سمة متطورة؛ بل أصبحت أيضا مواصفات موحدة في المخزون المتجدد الجديد.
How Energy Recovery Works in Light Rail
(أ) إن استعادة الطاقة في السكك الحديدية الخفيفة تعتمد على مبدأ التكفير المتجدد، وعندما تفكك محركات الإنقاذ، تبطل دورها وتعمل كمولدات كهربائية، وتتحول الطاقة الحركية للسيارة المتحركة إلى طاقة كهربائية بدلا من أن تُفرَض كحرار في البنوك شبه المقاومة أو مكابح الاحتكاك، ويمكن عندئذ استخدام هذه الكهرباء في إحدى ثلاث طرق:
أنواع نظم استعادة الطاقة
وفي حين أن المكابح الإبداعية هي المبدأ الأساسي، فإن استراتيجيات المعدات والمراقبة المحددة تتباين، إذ أن الهيكلين الأساسيين هما تجديد خطي (أو مترابطان) وتخزين الطاقة على متنها، ولكل منهما مزايا ومبادلات متميزة.
إذكاء الوعي باستعادة خط الجانب
وفي هذه التشكيلة، تعاد الطاقة الكهربائية المستعادة إلى محطة توليد الطاقة الكهربائية أو مباشرة إلى الأسلاك المأهولة، حيث يمكن استهلاكها بواسطة قطارات أخرى تتسارع على نفس الخط، وهذا النهج هو الأكثر شيوعا في النظم الحضرية ذات التردد العالي، حيث توجد في كثير من الأحيان عدة قطارات قريبة جدا، وعندما يكون هناك مكابح قطار آخر قريب يمكن أن يستخدم فورا تلك الطاقة.
على متن نظم تخزين الطاقة
وللتغلب على الحد من الاستلام الخطي، فإن العديد من المركبات الجديدة مجهزة بمخزون الطاقة على متن السفينة، وتهيمن على تكنولوجيات رئيسية: البطاريات التي تستخدم الليثيوم والكابلات الخارقة (وتسمى أيضاً المكثفات) وتنتج عن البطاريات كثافة أعلى من الطاقة، مما يجعلها مناسبة لتخزين الطاقة على فترات أطول (مثلاً، لاستخدامها أثناء وجود ثغرات في أجهزة التفريغ فوق رؤوسها، أو لتوليد على مركبة من خلال محطة
تخزين الطاقة في الفلفل
فالتكنولوجيا الأقل شيوعاً ولكنها فعالة للغاية هي عجلات الذباب الحركية، ففي هذا النظام، تُسترجع الطاقة الكهربائية دوارة عالية السرعة في نسيج فراغي، وتُنتج عن ذلك عمليات التوليد الحرارية، وعند الحاجة، تُدفع البطاريات المركبة التي تُعد مولداً لتغذية الطاقة الكهربائية بالمحركات، وتُظهر فيها كثافة عالية جداً في الحياة وفي الطاقة الكهربائية، ولا تعاني من التدهور الكيميائي.
العناصر الرئيسية والنظر في الهندسة
وفيما عدا وسيط التخزين، تعتمد نظم استعادة الطاقة على عدة نظم فرعية حاسمة: المتحولون الذين لديهم قدرة ذات اتجاهين، وبرامجيات إدارة الطاقة، وأحيانا وحدة تخزين للطاقة، ويستخدم المتحولون الحديثون أجهزة التحكم في البيوت، أو أجهزة التفريغ الحراري، أو أجهزة التجميل التابعة للشركة، بحيث تكون هذه الأجهزة مجهزة بأقصى درجات الحرارة، أو محركات الأشعة فوق البنفسجية، أو التي تُخفض إلى أدنى حد ممكن.
الفوائد: المكاسب القابلة للقياس الكمي في الكفاءة والعمليات
مزايا استعادة الطاقة تتجاوز ساعات الكيلوتات لننخفض التأثيرات القابلة للقياس على العمليات والمال والبيئة
خفض استهلاك الطاقة
أما الدراسات المتعلقة بالعالم الحقيقي فتبين باستمرار أن التكفير التجددي مع استعادة الطاقة الفعالة يمكن أن يخفض استخدام الطاقة المتحركة بنسبة تتراوح بين 20 و35 في المائة، ويتوقف الرقم الدقيق على عوامل مثل المسار الرئيسي، وبطاقات الطبو، وأسلوب القيادة، وفي خط مائي مزدحم مع التوقفات المتكررة، يمكن إجراء تخفيض بنسبة 35 في المائة في الشبكة، وفي الطرق الفرعية التي تقل فيها معدلات التوقيف، فإن الوفورات تقترب من 20 في المائة.
انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة
ومن الفوائد التي كثيرا ما تُغفل تخفيض ارتداء مكابح الاحتكاك، ففي المركبات التي لا توجد فيها مكابح آلية (أجهزة أو طبول) تعالج جميع القوة الإيقافية، وترتدي الأصفاد والأقراص والطبلات بسرعة، حيث تُغطى المكابح المتجددة بنسبة 50-80 في المائة من أحداث التفاخر، وتخفض استخدامات الفرامل الاحتكية انخفاضا كبيرا، مما يمتد إلى الحياة المكثفة للنفق بما يتراوح بين 2 و3 مرات، مما يقلل،
جيم - المكاسب البيئية والمستدامة
ويقصد انخفاض استهلاك الطاقة انخفاض انبعاثات غازات الدفيئة، حتى عندما تأتي الكهرباء من شبكات الوقود الأحفوري الثقيل، وفي المناطق التي توجد فيها حصة كبيرة من مصادر الطاقة المتجددة، يقترب مستوى تأثير الكربون صفرا، كما أن استعادة الطاقة تدعم الشبكة الكهربائية بتوفير مورد موزع: يمكن أن تغذي القطارات الطاقة في أوقات الذروة، وتساعد في الاستجابة للطلب، وهذا أمر له قيمة خاصة في المدن التي يمكن فيها لفرع الطاقة العابرة أن يتفاعل مع الشبكات الذكية، وتشمل الفوائد الإجمالية لدورة الحياة الكثير من عقود الشراء.
تعزيز الأداء وخدمة الركاب
إن التكفير الإبداعي هو في جوهره أكثر سلاسة من التكفير في المخاط، حيث يمكن للمحركات الكهربائية أن تتحكم بدقة في تباطؤ التباطؤ، مما يؤدي إلى تقليل سرعة تشغيل الركاب الدائمين، فضلا عن أن النظام يمكن أن يخلط الاحتكاك والتكفير بطريقة غير متجانسة، ويتوقف المسافات عن الالتزام بالأمان حتى في سيناريوهات الطوارئ.
تحديات التنفيذ: الهياكل الأساسية، والتكاليف، والتكامل
وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن نشر نظم استعادة الطاقة على نطاق واسع ليس بدون عقبات، ويجب على وكالات المرور العابر أن تقيِّم بعناية بنيتها التحتية الحالية وسياقها التشغيلي.
التكاليف الرأسمالية الأولية المرتفعة
وتتطلب تجهيز أسطول بنظم تجديد حديثة - بما في ذلك المنح، ووحدات التخزين، وبرامج المراقبة، والارتقاءات من جانب خط - استثمارات كبيرة في البداية، ويمكن للمصارف التي تعمل على سطح أعلى أن تضيف وحدها ٠٠٠ ٥٠ دولار - ٠٠٠ ١٠٠ دولار للسيارة، بينما يمكن أن تتحمل وحدات تخزين الطاقة )مثلا، المكثفات العاملة في مجال المراقبة في إطار دورات فرعية( تكاليف تتجاوز مليون دولار لكل منشأة.
القدرة على المطابقة بين الهياكل الأساسية والاستقبال
لا يمكن لشبكة الطاقة التخديرية أن تكون فعالة، ولا يجب أن تكون قادرة على قبول الطاقة العائدة، ولا يمكن لذوي القدامى أن يغذيوا الطاقة في اتجاه واحد (الحزن على التدريب) ولا يمكنهم استعادة الطاقة، ولا يجب رفع مستوى هذه الخضوعات إلى مستويات منخفضة من التحلل (أو إعادة توليد)
مضيقاً للطول والفضاء
إن مركبات السكك الحديدية الخفيفة لديها حدوداً صارمة من الوزن للامتثال لأنظمة تحميل الأكسيد ولتحسين سرعة العجلة، فإضافة البطاريات الثقيلة أو الطيور يمكن أن تدفع المركبة على هذه الحدود، أو تخفض قدرة المسافرين أو تحتاج إلى جوز أقوى، ولمصارف المكابح الكبيرة هي حل واحد، ولكنها تزيد من ارتفاع المركبات، التي يمكن أن تكون مشكلة في الأنفاق أو تحت تصاريح منخفضة الوزن.
Battery Life and Thermal Management
وتواجه بطاريات الليثيوم -يون على مركبات السكك الحديدية الخفيفة بيئات قاسية: الاهتزاز، ودرجات الحرارة القصوى، والشحن العالي التواتر، وتعجل هذه الظروف بضخ البطاريات، وتحتاج إلى استبدالها بعد ٥-٨ سنوات - تكلفة كبيرة، والإدارة الحرارية الفعالة )تبريد السائل أو الهواء القسري( ضرورية للحفاظ على درجة حرارة البطاريات في النطاق الأمثل.
دراسات الحالة والنشرات الحقيقية في العالم
وبغية فهم أثر نظم استعادة الطاقة، من المفيد النظر في التنفيذ الفعلي في جميع أنحاء العالم.
Seattle’s Link Light Rail
ويستخدم نظام الربط العابر السليم في سياتل الصدر المتجدد على مركبات سيمنس S700، المجهزة بمكثفات سطحية، ووفقا للتقارير العامة، أدى النظام إلى خفض استخدام الطاقة بنسبة ٢٥-٣٠ في المائة مقارنة بالنماذج القديمة دون تخزين، كما أن المكثفات الخارقة تتيح للقطارات العمل دون أسلاك فوقية للمسافات القصيرة، كما هو الحال في نفق وسط المدينة الذي تكون فيه الأسلاك جاهزة للاسترداد.
عملية " بيتاديس " الخالية من الأسلحة الكيميائية في نيس
ويستخدم خط سيتاديس في نيس، فرنسا، إمدادات الطاقة الأرضية والمكثفات فوق سطح السفينة لتشغيلها دون أسلاك عامة في مركز المدينة التاريخي، وتُحمَّل المكثفات الخارقة في كل محطة عبر قطاع قصير من الأسلاك العامة أو سكة أرضية موصلة، وتوفر الطاقة الكافية للمحطة التالية، ولا يزيل هذا النهج التلوث البصري فحسب، بل يستعيد أيضا الطاقة التقليدية التي تقل عن 30 في المائة.
بومباردير فليكسيتي في تورنتو وبرلين
وتحتوي سيارات ترونتو الجديدة لتوقعات المرونة، التي سلمت من عام 2014 فصاعدا، على مكابح متجددة قادرة على إعادة توليد الطاقة إلى خط الرأس العام، ويستهدف هذا النظام العمل مع شبكة ترونتو القديمة من طراز DC، التي تبلغ مساحتها 600-V، ولكن يلزم إدخال تعديلات للسماح بتدفق الطاقة العكسية في فترات فرعية، وقد نتج عن ذلك انخفاض في الطاقة الكهربائية بالنسبة للأسطول بنسبة 40 في المائة، كما قامت لجنة المرور العابر في تورونتي.
الاتجاهات والابتكارات في المستقبل
وتتطور المشهد التكنولوجي لاسترداد الطاقة بسرعة، وتشير عدة اتجاهات إلى تعميق التكامل في النظام الإيكولوجي الأوسع نطاقاً للنقل والطاقة.
التكامل مع خضراء الذكاء والطاقة المتجددة
ومع قيام المدن بنشر المزيد من الطاقة الشمسية والريحية، يمكن أن تصبح وحدات الطاقة الفرعية للسيارات مشاركا نشطا في الشبكة الذكية، وبإعانة باستبدال ذي توجهين، يمكن لمشغل السكك الحديدية الخفيفة أن يبيع الطاقة المتجددة الزائدة خلال فترات الذروة، أو يسحب الطاقة عندما تكون المصادر المتجددة وفرة، كما يمكن أن يكون تخزين الشبكة على متنها عائقا يحول دون الطابع المتقطع للترددات المتجددة.
المواد المتقدمة والموصلات الشبهية
أما النواقل شبه الموصلات السيليكونية فتستبدل مركبات الإيليكون التقليدية في أجهزة التكتل الخبيثة، كما أن أجهزة سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون ويون وي
إدارة الطاقة الافتراضية مع منظمة العفو الدولية
ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الماكنة بالصورة المُبخرة لكل قطار على أساس الجدول الزمني، وعبء الركاب، وتتبع التدرجات، ويمكن لهذه النظم أن تُسلّح تخزين الطاقة أو أن تُسدي المشورة إلى السائق على السرعة القصوى للانتعاش، كما أن بعض النظم التي تُعد بالفعل في مرحلة التطوير في Alstom يجري اختبارها لخفض استهلاك الطاقة الإجمالية بنسبة 10 في المائة من أعلى من نظامي
شحن بلا سلك وخزنة على جانب المحطة
وثمة مفهوم جديد آخر هو استخدام تخزين الطاقة في مواضع فرعية، ويمكن لهذه الوحدات أن تستوعب الطاقة المتجددة عندما لا يكون الخط مستقبلاً وتطلقه عندما يتسارع القطار، فعلى سبيل المثال، قامت ABB بنشر هذه النظم في عدة مدن أوروبية، مما أدى إلى خفض الطلب على الطاقة في ذروتها من الشبكة.
دليل عملي للمهنيين العابرين
وبالنسبة للوكالات التي تنظر في تحسين مستوى استعادة الطاقة، هناك خطوات رئيسية يتعين اتخاذها، استنادا إلى أفضل الممارسات في مجال الصناعة.
إجراء مراجعة حسابات الطاقة ودراسة جدوى
وقبل اختيار أي تكنولوجيا، قياس أنماط استهلاك الطاقة الحالية، بما في ذلك التراكب، والحمولات الإضافية، وإمكانات التجديد، وتحليل مسارك، ووصف التدرج، وفترة المباعدة بين محطات العمل، وقدرات الإحلال، ويمكن أن تُمثل أدوات المحاكاة أثر مختلف نظم الاسترداد على تحديد أفضل الملاءمة.
تقييم تحسين الهياكل الأساسية
تحديد ما إذا كانت مواضعكم الفرعية غير مباشرة أو ثنائية الاتجاه، والتحقق من حالة المكشوف ونظام الاتصالات، وللاطلاع على أماكن التخزين، والنظر في الحيز المادي المتاح في محطات فرعية، وتكلفة الخنادق لتركيب معدات جديدة، وفحص حدود وزن المركبات، وحيز السقف، وملامح التطهير.
تكاليف دورة الحياة المقارنة
وعند وضع الميزانية، لا تشمل المعدات والتركيب فحسب، بل تشمل أيضا وفورات الطاقة، ووفورات صيانة المكابح، وتكاليف استبدال البطاريات، واستخدام معدل خصم واقعي، والعوامل التي يمكن أن تحدث في المستقبل زيادات في أسعار الكهرباء أو ضرائب الكربون، وكثيرا ما تفض المقارنة بين التكلفة الإجمالية للملكية إلى إيجاد حل هجين على متن السفينة (المديرون بالإضافة إلى البطاريات) لتحسين الأسطول، في حين أن التخزين على جانب خط أفضل بالنسبة للخطوط الجديدة ذات التردد العالي.
رائد قبل الصعود
إجراء اختبار تجريبي لعدد صغير من المركبات أو قطاع واحد من المسارات، ورصد تدفقات الطاقة، ودرجة الحرارة، والموثوقية، وردود فعل السائقين، والعمل مع المورّد على خوارزميات التحكم الدقيقة، وخطّط، بمجرد أن يُثبت الطيار موثوقيته، لتدفقات الطاقة تدريجيا إلى الأسطول بأكمله.
حوافز وبرامج التمويل
وتقدم كيانات حكومية عديدة منح أو قروض منخفضة الفائدة من أجل مشاريع كفاءة الطاقة والنقل المستدام، وتتحقق من ارتباط سلطتكم في مجال النقل العابر، أو مكتب الطاقة الحكومي، أو إدارة الهياكل الأساسية الاتحادية، ويمكن أيضا للشراكات بين القطاعين الخاص والعام أن تتحمل تكاليف أولية مقابل حصة من وفورات الطاقة على مر الزمن.
خاتمة
إن نظم استعادة الطاقة قد انتقلت من الإضافات التجريبية إلى عنصر التصميم الأساسي للسكك الحديدية الخفيفة الحديثة، سواء من خلال تجديد خطي، أو من خلال المكثفات السطحية، أو تخزين العجلات، فإن هذه التكنولوجيات تحقق تخفيضات قابلة للقياس في استهلاك الطاقة، وتكاليف التشغيل، والأثر البيئي، ولا تزال التحديات قائمة - ولا سيما في مجال توافق الهياكل الأساسية، وتكاليف رأس المال، وإدارة الوزن - ولكن المسار واضح: ينبغي أن تتضمن كل مجموعة جديدة من مركبات السك الحديدية قدرا من أنواعا من الطاقة الخفيفة.