خمسة محركات احتراق الهيدروجين تستعد لتغيير القواعد

ظهر احتراق الهيدروجين كأحد أكثر خيارات الوقود واعدة، حيث يقدم قيمة بيئية كبيرة وأداءً متميزًا. على مستوى التصميم، تعود هذه المحركات إلى أكثر من أربعة عقود.

في عام 1970، حصل المخترع بول ديغس على براءة اختراع لتعديل يتيح للمحركات الداخلية التي تعمل بالغاز أن تعمل على الهيدروجين. ومنذ ذلك الحين، تقدمت هذه التقنية بشكل كبير في قدرتها على تشغيل المركبات والسيارات والحافلات. وإمكاناتها كبيرة لدرجة أن الطائرات التجارية المستقبلية قد تعتمد أيضًا على الهيدروجين كوقود أساسي لها.

في محركات احتراق الهيدروجين، يحترق الهيدروجين سواء كان سائلًا أو غازيًا داخل محرك توربين غازي معدل لتوليد الدفع. هذه العملية تحاكي الاحتراق الداخلي التقليدي ولكن مع استبدال الهيدروجين للوقود الأحفوري.

مع تزايد استخدامه وأهميته، تنتشر التكهنات حول أي محرك احتراق هيدروجين يمتلك المستقبل الأكثر إثارة. في الفقرات التالية، نستعرض خمسة محركات احتراق هيدروجين تستعد جميعها لتغيير القواعد.

محرك هيدروجين Cummins سعة 15 لتر

منصة محرك Cummins سعة 15 لتر، التي نناقشها، لا تعتمد على نوع الوقود في جوهرها. فهي متوافقة مع الهيدروجين والغاز الطبيعي والديزل. ولكن عند تشغيلها بالهيدروجين، يمكنها حقًا كسر القواعد من خلال أن تصبح أفضل نسخة من نطاق قدراتها على الوقود منخفض إلى صفر الكربون وتسريع خفض الكربون لتطبيقات الشاحنات الثقيلة خارج الطرق إلى أقصى حد. 

أثناء حديثه عن تخصصه، قال أنطونيو ليتاو، نائب رئيس قسم محركات Cummins العالمية للطرق غير المعبدة، ما التالي:

“تأخذ منصة Cummins الجديدة تمامًا الاحتراق الداخلي إلى مستوى جديد، قادرة على تلبية معايير الانبعاثات الفائقة المنخفضة المستقبلية مثل EPA Tier 5 وEU Stage 6، إلى جانب قدرة الوقود منخفض إلى صفر الكربون للمساعدة في وضع مواقع البناء والمحاجر على مسار أقل تكلفة لتقليل الكربون. يتميز محرك الـ15 لتر بزيادة ملحوظة في كثافة الطاقة مع حيز تركيب أكثر تكثيفًا، مما يمنح مصنعي المعدات القدرة على تحقيق المزيد بآلاتهم.”

إذا ناقشنا الحالة المحددة لمحرك الهيدروجين، فإنه يأتي مع حقن مباشر واحتراق غني بالهواء مع تصنيفات تتراوح بين 400 إلى 530 حصان (298-395 كيلواط) وعزم أقصى يبلغ 2600 نيوتن·متر. يستمد الطاقة من الهيدروجين الأخضر خالٍ من الكربون، ويمكنه استخدام نظام تخزين وقود عالي السعة بضغط 700 بار لتحقيق أقصى ساعات تشغيل بين عمليات إعادة التعبئة. 

من المتوقع أن يكون هذا الإصدار في الإنتاج الكامل بحلول عام 2027. ستقوم الشركة بإنتاج هذه المحركات بسعات 15 لتر و6.7 لتر. 

لقد حصل المحرك على تصديق من أصحاب المصلحة في الصناعة منذ أيامه الأولى. في يناير 2022، قامت شركة Werner Enterprises (WERN ) (Nasdaq: WERN)، وهي مزود رائد للنقل واللوجستيات، بـقررت البدء في التحقق من صحة وتكامل محركات Cummins الداخلية للوقود الهيدروجيني سعة 15 لتر في مركباتها.

أعلنت Cummins عن نتائج الربع الرابع والسنة الكاملة 2023 في 6 فبراير 2024. بلغت إيرادات الربع الرابع من عام 2023 مبلغ 8.5 مليار دولار، بزيادة 10٪ مقارنة بالربع نفسه في 2022، بينما بلغت إيرادات السنة الكاملة 2023 مبلغ 34.1 مليار دولار، بارتفاع 21٪ عن عام 2022.

محركات Yamaha V8 سعة 5.0 لتر تعمل بنسبة 100٪ على الهيدروجين لتويوتا

قامت شركة Toyota Motor Corporation (TM ) بتكليف Yamaha Motor لتطوير محرك الهيدروجين المستقبلي. قررت الشركات الخمس — Kawasaki Heavy Industries، Subaru Corporation، Toyota Motor Corporation، Mazda Motor Corporation، وYamaha Motor — إجراء أبحاث تعاونية لاستكشاف وتوسيع نطاق خيارات الوقود للمحركات الداخلية المناسبة للحياد الكربوني.

أثناء حديثه عن التطوير، قال رئيس Yamaha Motor يوشيهيرو هيداكا:

“لدى محركات الهيدروجين القدرة على أن تكون محايدة كربونيًا مع الحفاظ على شغفنا بالمحرك الداخلي حياً في الوقت نفسه. التعاون مع شركات ذات ثقافات مؤسسية ومجالات خبرة مختلفة، بالإضافة إلى زيادة عدد الشركاء لدينا، هو ما نرغب في القيام به لقيادة المستقبل.”

في حفل الكشف عن المحرك، بدا أن V8 سعة 5.0 لتر مستند إلى محرك سعة 5.0 لتر في سيارة Lexus RC F الفاخرة الرياضية، مع تعديلات على الحاقنات، رؤوس الأسطوانات، مشعب السحب، وأكثر. يمكن للمحرك أن ينتج حتى 450 حصان عند 6800 دورة في الدقيقة وعزم أقصى يبلغ 540 نيوتن·متر عند 3600 دورة في الدقيقة. تم تحويل محرك V8 DOHC بزاوية 90 درجة وسعة 5.0 لتر و32 صمامًا عالي الأداء من قبل Yamaha لاستخدام الهيدروجين. 

وفقًا لتقريرها السنوي لعام 2023، سجلت Yamaha إيرادات موحدة للمجموعة بقيمة 451.4 مليار ين مع ربح تشغيلي أساسي قدره 45.9 مليار ين.

المحرك لسيارة BMW iX5 الهيدروجين 

تقوم BMW باختبار سيارتها المستقبلية منذ عام 2023. من درجات حرارة تصل إلى 45°C إلى الرمال والغبار ومختلف الانحدارات وتغيّر مستويات الرطوبة، اختبرت الشركة كل ذلك. كما وجدت الشركة أن تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية مناسبة للاستخدام اليومي في درجات حرارة تحت الصفر القصوى. 

من حيث التفاصيل، يمكن لـنظام خلايا الوقود في BMW iX5 Hydrogen أن يقدم باستمرار قدرة عالية تبلغ 125 كيلواط/170 حصان. 

تم تكليف شركة Toyota Motor Corporation بتصنيع الخلايا الفردية لمجموعة BMW. تقوم مصنع مجموعة BMW في لاندشوت بصنع الغلاف للمجموعة، وهو الخطوة الثانية في عملية التصنيع ذات الخطوتين. تتضمن الخطوة الأولى تجميع الخلايا وتركيب المكونات الأخرى. 

خلايا الوقود التي توفر أداء 125 كيلواط/170 حصان هي تركيبة مبتكرة تأتي من مجموعة BMW Gen-5 من تقنيات eDrive وبطارية مطورة خصيصًا. عند الجمع، يمكن للنظام أن يقدم قدرة تصل إلى 285 كيلواط/401 حصان. 

كما قامت مجموعة BMW بتطوير المكونات المخصصة للهيدروجين، بما في ذلك الضاغط عالي الدقة مع توربين ومضخة تبريد عالية الجهد. تحفز الآلية الداخلية لخلايا الوقود الهيدروجين من الخزانات لتتفاعل مع الأكسجين من الجو لتوليد الكهرباء التي تشغل المحرك. الخزانان الموجودان في BMW iX5 Hydrogen قادران على احتواء إجمالي 6 كغ من الغاز وتزويد النظام بمدى قيادة يبلغ 504 كيلومتر وفق دورة WLTP. 

تعتبر مجموعة BMW أيضًا محرك iX5 مستقبل عملية التزود بالوقود، حيث إن تعبئة الهيدروجين أسرع من شحن سيارة كهربائية بالبطارية. 

كانت علاقة BMW بالهيدروجين شاملة. فقد استخدمت لوجستيات مصنع المجموعة الغاز منذ عام 2013. وكانت الشركة أيضًا التي أقامت أول محطة هيدروجين داخلية في ألمانيا في مصنع لايبزيغ. كما يشارك قسم الدهان في مصنع لايبزيغ في تجربة استخدام الهيدروجين في إنتاج السيارات. 

في عام 2023، أعلنت مجموعة BMW عن إيرادات سنوية تبلغ حوالي 155.5 مليار يورو، بزيادة قدرها 9٪ مقارنةً برقم 2022 الذي كان يقارب 143 مليار يورو. 

محركات فولفو لاحتراق الهيدروجين بتقنية الحقن المباشر عالي الضغط (HPDI)

ستأتي شاحنات فولفو المزودة بمحرك احتراق هيدروجين بتقنية الحقن المباشر عالي الضغط (HPDI)، مما يعني أن كمية صغيرة من وقود الإشعال، تُحقن بضغط عالٍ، يمكنها تمكين الاشتعال بالضغط حتى قبل إضافة الهيدروجين. أحد الفوائد العديدة لهذه التقنية هو أنها تحافظ على مستويات عالية من كفاءة الطاقة مع استهلاك أقل للوقود. وتضمن أن قوة المحرك لا تتأثر في العملية. 

وقعت مجموعة فولفو بالفعل اتفاقية مع Westport Fuel Systems (WPRT ) لإنشاء مشروع مشترك يستخدم تقنية HPDI، ومن المتوقع أن يبدأ تشغيله في الربع الثاني من عام 2024. 

أثناء توضيحه لاستراتيجية فولفو مع محركاتها الهيدروجينية، قال جان هيلمغرين، رئيس إدارة المنتج والجودة في Volvo Trucks، ما التالي،  

“الشاحنات التي لا يزال فيها محرك الاحتراق الداخلي التقليدي ولكن يعمل بالهيدروجين ستحافظ على نفس الأداء والموثوقية كما في شاحنات الديزل لدينا، مع إضافة فائدة محتملة وهي صافي انبعاثات CO2 صفرية من المصدر إلى العجلة. وستكون مكملًا قيمًا لشاحناتنا الكهربائية التي تعمل بالبطاريات، والتي موجودة في السوق منذ عدة سنوات.”

ستبدأ اختبارات العملاء مع شاحنات فولفو التي تستخدم الهيدروجين في محركات الاحتراق في عام 2026، وستصبح الشاحنات متاحة تجاريًا نحو نهاية هذا العقد. 

تقنية HPDI هي إضافة تحويلية لكيفية عمل أنظمة النقل لدينا في المستقبل. إنها تعالج التحديات المتعلقة بالامتثال للمتطلبات التنظيمية لأوروبا 7 والوكالة الأمريكية لحماية البيئة لمصنعي الشاحنات ومعدات الطرق غير المعبدة عالميًا. 

يمكن للحقن ذو التصميم المزدوج للإبر المتحدة المركز تقليل انبعاثات CO2 بنسبة 97٪. لهذا السبب يمكن تصنيف الشاحنات التي تعمل بهذه التقنية كـ “مركبات صفر انبعاثات” وفقًا لمعايير الانبعاثات الجديدة للاتحاد الأوروبي. كما ستنتج المحركات كميات قليلة جدًا من أكسيد النيتروجين والجسيمات. 

في عام 2023، ارتفعت صافي مبيعات مجموعة فولفو المعدلة حسب العملة بنسبة 11٪ لتصل إلى 552.8 مليار كرونة سويدية، وتحسّن دخلها التشغيلي المعدل إلى 77.6 مليار كرونة سويدية.

انقر هنا لتعرف ما الذي جعل الهيدروجين أكثر جاذبية كمصدر للطاقة مؤخرًا.

محرك احتراق الهيدروجين المطور بالتعاون بين كيا وهيونداي

في خطوة حديثة قد تكون رائدة، تعاونت كيا وهيونداي، عملاقا السيارات الكوريين، لتصميم محرك احتراق هيدروجين. قد يصبح هذا المحرك جاهزًا للسيارات الشخصية بحلول عام 2025. 

تشير التقارير إلى أن هذا المحرك يمكنه بشكل محتمل حل جميع مشكلات المتانة والقابلية للتوسع التي واجهتها محركات الهيدروجين حتى الآن.

النموذج الأولي هو محرك هيدروجين سعة 2 لتر بقوة 180-200 حصان مع منحنيات عزم وقوة مماثلة للمحركات البنزينية المكافئة في الحجم. الفائدة هي أن محرك الهيدروجين يتفوق كثيرًا من حيث استهلاك الوقود. يمكن للمحرك الحفاظ على كفاءة حرارية عالية طوال تشغيله عن طريق حقن الهيدروجين في غرفة الاحتراق بضغط 30 بار.

لتعزيز إنتاج المحرك، قامت هيونداي وكيا أيضًا بإبرام شراكات مع عدد من الموردين. على سبيل المثال، وقعوا مذكرة تفاهم مع شركة Next Hydrogen Corporation الكندية المتخصصة في تقنية تحليل الماء كهربائيًا. سيعمل تطوير نظام تحليل الماء القلوي على تحسين القدرة التنافسية لسعر الهيدروجين النظيف بالنسبة لهيونداي وكيا.

كما وقعت الشركة اتفاقية مع W. L. Gore & Associates (Gore) لتطوير مشترك لطبقة غشاء بوليمرية إلكتروليتية متقدمة (PEM) لأنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية. تسهل الـ PEM نقل البروتونات بين الأقطاب في خلية الوقود. حيث تمنع الـ PEM الجمع المباشر بين الهيدروجين القادم والأكسجين، مما يؤدي إلى توصيل انتقائي للبروتونات، وبالتالي توليد تيار كهربائي لتشغيل المركبة.

وفقًا لتصريح تشانغ هوان كيم، رئيس تطوير البطاريات وتطوير الهيدروجين وخلايا الوقود في شركة هيونداي موتور وشركة كيا:

“نحن ندخل الفصل التالي من شراكتنا مع Gore. من خلال الاستفادة من 15 عامًا من التعاون، سنحصل على تقنية خلايا وقود متقدمة ونقود سوق المركبات الكهربائية ذات خلايا الوقود، مما يسرّع الانتقال نحو مستقبل مستدام.”

للسنة المالية 2023، سجلت هيونداي إيرادات سنوية قدرها 162,664 مليار وون كوري، بزيادة تزيد عن 14٪ مقارنةً بإيراداتها في 2022 التي بلغت 142,152 مليار وون كوري. في عام 2023، سجلت كيا إيرادًا قدره 99,808,420 مليون وون كوري.

مستقبل محركات احتراق الهيدروجين يبدو أكثر واعدًا من أي وقت مضى

من السيارات الشخصية إلى الشاحنات، تستثمر جميع الشركات المصنعة للسيارات العالمية الرائدة بأكبر قدر ممكن من الموارد والبحوث لجعل محركات احتراق الهيدروجين الخيار الأفضل لمستقبل خالٍ من الكربون، مستدام، وصديق للبيئة. 

بالإضافة إلى توفير بيئة نظيفة، تتميز هذه المحركات بميزات أخرى عديدة. على سبيل المثال، تلغي الحاجة إلى حزمة بطارية ثقيلة، وهي سمة شائعة في السيارات الكهربائية. إن مجموعة تحويل الهيدروجين إلى كهرباء مدمجة وأخف وزنًا من بطارية الليثيوم أيون ذات نظام دفع بمدى مماثل. يستغرق تعبئة محرك احتراق الهيدروجين فقط من 3 إلى 5 دقائق، وكثافة طاقتها على الأقل ثلاثة أضعاف ما هي عليه البطاريات، بينما يمكنها، بعد تعبئة واحدة، أن تقطع مسافة تتراوح بين 2 إلى 3 أضعاف ما تقطعه معظم السيارات الكهربائية.

هنا، أتيحت لنا الفرصة لاستعراض تقريبًا جميع أنواع المحركات الرئيسية في الفئة التي تستعد لتغيير القواعد. من المتوقع أن يكون المستقبل مليئًا بمزيد من الابتكارات المتطورة كهذه. 

انقر هنا لتعرف لماذا قد يظل الهيدروجين هو الوقود للمستقبل.