الطاقة
محركات احتراق الهيدروجين تبدو أكثر قابلية للتطبيق مع قطاع النقل في حالة تغير
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
مع تزايد اللوائح التي تحدّ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على الصعيد العالمي، أدّى السعي إلى النقل المستدام إلى توجيهنا نحو الهيدروجين كوقود بديل.
ظهر الهيدروجين (H) كخيار واعد بفضل قدرته على الاحتراق دون أي انبعاثات غازات دفيئة. هذا العنصر القابل للاشتعال لا لون له ولا طعم ولا رائحة، وله كثافة طاقة مرتفعة نسبياً، مما يعني أن الهيدروجين يحتوي على كمية كبيرة من الطاقة لكل وحدة حجم، مما يجعله مصدر وقود ممتاز للمركبات.
هذا العنصر الأخف قد حظي باهتمام كبير من قطاع النقل لتشغيل المركبات الكهربائية عبر خلايا الوقود. ومع ذلك، يتم الآن استكشاف محركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين (HICEs) لتحقيق انبعاثات صفرية. ولكن ما هو الموضوع كله؟
ما هو احتراق الهيدروجين؟
الهيدروجين عنصر كيميائي، والاحتراق عملية كيميائية تُطلق الطاقة من مزيج الوقود والهواء. ينتج احتراق الهيدروجين، سواءً في الشكل السائل أو الغازي، قوة.
بسبب نطاق احتراقه الواسع، يُعدّ الهيدروجين مناسباً جداً للاحتراق. يوفر اقتصاداً ممتازاً للوقود ويتميز بدرجة حرارة اشتعال ذاتية عالية، مما يتيح نسب ضغط أعلى تقلل فقدان الطاقة أثناء الاحتراق. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي انخفاض درجة حرارة الاحتراق النهائية إلى تقليل عدد الملوثات المنبعثة عبر العادم.
كيف يعمل هذا المحرك النظيف الاحتراق فعلياً في المركبة؟
الهيدروجين، على عكس البنزين السائل، غاز يتطلب نظام توصيل وقود خاص. لهذا الغرض، تحتفظ خزانات التخزين عالية الضغط بغاز الهيدروجين، مما يضمن تخزيناً كافياً للوقود لتلبية متطلبات الرحلة.
في الوقت نفسه، يتحكم صمام التحكم في تدفق الغاز إلى مجمع السحب بالمحرك، مما يضمن مزيج هواء‑وقود مثالي للاحتراق الفعال. خلال عملية السحب، يُخلط الوقود بالهواء ويُدخل إلى الأسطوانة.
لتحقيق احتراق نظيف وفعّال، يلزم مزيج هواء‑وقود مناسب. تستخدم محركات احتراق الهيدروجين أنظمة حقن وقود متطورة لتقليل الانبعاثات الضارة وتحسين إنتاجية الطاقة.
يضغط المكبس المزيج المناسب من الوقود والهواء، ثم تُشعل شمعات الإشعال عالية الطاقة ذلك، مما ينتج احتراقاً. بما أن الهيدروجين يحترق بسرعة ويطلق حرارة كبيرة، فإن غازات الاحتراق تتمدد بسرعة.
تدفع هذه الغازات المتوسعة المكبس، حيث يُحوَّل حركته إلى طاقة دورانية عبر العمود المرفقي. ثم تدفع هذه القوة العجلات، مما يحرك المركبة إلى الأمام.
توضح هذه العملية تجربة قيادة أنظف وأكثر قوة يمكن أن توفرها محركات احتراق الهيدروجين، واعدةً بمستقبل نقل أكثر استدامة. ومع ذلك، يتم تحقيق السرعة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة في محركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين (HICEs) من خلال مواد صديقة للهيدروجين، وتصميم محرك متقدم، وتكنولوجيا حقن وقود مبتكرة.
كيف يختلف عن خلايا الوقود الهيدروجينية؟
يُستخدم الهيدروجين في قطاع النقل بطريقتين مميزتين: عبر خلايا الوقود ومحركات الاحتراق. على الرغم من أن كلا العمليتين تستخدمان هيدروجيناً خالياً من الكربون، إلا أنهما تستغلانه بطرق مختلفة لتشغيل المركبات.
كما ذكر أعلاه، تنتج محركات احتراق الهيدروجين الطاقة عن طريق حرق الهيدروجين، مشابهةً للمحركات التقليدية. هنا، يُخلط الهيدروجين بالهواء لإنشاء انفجار مُتحكم فيه، مما يولد طاقة ميكانيكية لدفع المركبة.
في الوقت نفسه، تحول خلايا الوقود والمركبات الهيدروجينية الهيدروجين إلى كهرباء عبر عملية كيميائية. في هذه العملية، يحول جهاز كيميائي كهربائي الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء، حرارة، وبخار ماء. وبشكل أكثر تحديداً، يولد الكهرباء عن طريق تفكيك الهيدروجين إلى بروتون وإلكترون. ثم تُشغل هذه الكهرباء محركاً كهربائياً يدفع المركبة.
تكون مركبات خلايا الوقود (FCEVs) أكثر كفاءة عند الأحمال الخفيفة، بينما تؤدي محركات احتراق الهيدروجين بشكل أفضل تحت الأحمال الثقيلة. هذا يجعل HICEs خياراً أفضل للشاحنات الثقيلة التي تنقل حمولات كبيرة معظم الوقت. وعلى النقيض من ذلك، قد تستفيد السيارات والحافلات وشاحنات السحب أكثر من خلايا الوقود، حيث تعمل عادةً تحت أحمال أقل بكثير.
ومع ذلك، نظراً لاستخدامهما للهيدروجين، فإنهما ينتجان انبعاثات مشابهة. لا تولد مركبات خلايا الوقود أي انبعاثات، بينما تُصدر محركات احتراق الهيدروجين كميات شبه صفرية من ثاني أكسيد الكربون، رغم أنها قد تنتج أكسيد النيتروجين (NOx). بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمحركات الهيدروجين العمل بوقود هيدروجين منخفض الجودة، مما يتيح حالات استخدام محددة.
تم استخدام محركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين لعدة عقود ولا تتطلب تغييراً في البنية التحتية. لذا، بالنسبة لمصنعي المركبات، فإن التحول إلى محرك هيدروجين أقل تحدياً بفضل استخدام التكنولوجيا الحالية. من ناحية أخرى، تُعد خلايا الوقود أخف وزنًا، أكثر هدوءًا، وتُعرف بكفاءتها العالية. فهي تحول ما يصل إلى 60٪ من الطاقة المخزنة في الهيدروجين إلى طاقة كهربائية.
نظرًا لأنها تعمل عند درجة حرارة أقل من محركات الاحتراق، فإن خلايا الوقود لديها خطر أقل للحرائق أو الانفجارات. ومع ذلك، وبما أنها تقنية حديثة نسبياً، فإن خلايا الوقود تُعد خياراً أكثر تكلفة من محركات احتراق الهيدروجين.
هذا لا يعني أنهما يتنافسان مع بعضهما، بل إن HICEs وFCEVs يكملان بعضهما البعض. في النهاية، كلاهما يعتمد على نفس بنية إنتاج الهيدروجين، وتخزينه، ونقله، وتوزيعه، وهو جزء من تقليل انبعاثات النقل إلى الصفر.
تقييم الإيجابيات والسلبيات لاحتراق الهيدروجين
إذن، من الواضح أن استخدام الهيدروجين له مزايا كبيرة، لكن ماذا عن احتراق الهيدروجين تحديداً؟ حسناً، كما ذكرنا أعلاه، الفائدة الرئيسية هي الأثر البيئي لـ HICEs.
تُعرف هذه المحركات بمنتجها الجانبي النظيف، وهو بخار الماء في المقام الأول، مما يمنحها ميزة كبيرة على محركات البنزين التقليدية. بالإضافة إلى المساهمة في خفض انبعاثات غازات الدفيئة، تتمتع محركات احتراق الهيدروجين بكفاءة حرارية أعلى بكثير، حوالي 45٪ مقارنةً بمحركات الديزل التي تقل عن 40٪، ومحركات البنزين التي تقل عن 30٪.
فائدة أخرى كبيرة لـ HICEs هي إمكانية بنائها باستخدام تقنية محركات الاحتراق الداخلي الحالية، لذا لا حاجة لبنية تحتية إضافية أو لإعادة تدريب القوى العاملة. علاوةً على ذلك، يمكن إنتاج العنصر نفسه من مصادر متعددة مثل الكتلة الحيوية، التحليل الكهربائي للماء، والغاز الطبيعي، وبالتالي فهو قادر على تلبية الطلب المتزايد على الطاقة النظيفة.
الحجة لصالح الهيدروجين كوقود قوية بالتأكيد، لكن هذا لا يعني عدم وجود أية مشكلات. في الواقع، تواجه محركات احتراق الهيدروجين عدة تحديات تحتاج إلى معالجة.
في البداية، نحتاج إلى مساحة تخزين كبيرة لخزانات الهيدروجين، مما يضيف وزنًا كبيرًا إلى المركبة. وهذا بالطبع يزيد من خطر التآكل والاهتراء، وبالتالي يقلل من عمر المركبة. كما أن الوقود يحترق بسهولة نسبية، مما يعني وجود مخاطر على أجزاء المحرك. استخراج الهيدروجين ليس سهلاً أيضاً؛ فهو عملية تستغرق وقتًا وتستهلك طاقة.
في الوقت نفسه، كثافة طاقته أقل، مما يعني أن الطاقة المتولدة أقل نسبياً مقارنةً بمحركات الاحتراق التقليدية. بالمقارنة مع وقود آخر مثل البنزين الذي يحتاج إلى نسبة ضغط 8:1، تحتاج محركات احتراق الهيدروجين إلى نسبة 40:1، مما يشكل مشكلة أخرى. ولا ننسى أن إنتاج هذه المحركات على نطاق واسع مهمة مكلفة.
بينما يُختار الهيدروجين لتقليل الانبعاثات، لا يزال محرك الاحتراق يخلق بصمة كربونية لأنه ينتج بعض انبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx)، مما يُقَلّب هدف هذه المحركات. لذلك، من المهم إدارة الحرارة وأية انبعاثات متبقية عبر أنظمة المعالجة اللاحقة.
انقر هنا لتعرف على مخاوف السلامة المتعلقة بالمركبات الهيدروجينية.
هل محركات احتراق الهيدروجين هي المستقبل؟
توجد محركات احتراق الهيدروجين (HICEs) منذ عقود. أول طائرة تجارية تجريبية في العالم تعمل بالهيدروجين السائل، توپوليف Tu-155، حلّقت في السماء عام 1988. هذا يُظهر أن HICEs ليست جديدة كما يعتقد الكثيرون.
على الرغم من عدم حصولها على تبني واسع على مر السنين، فقد جذبت HICEs مؤخراً اهتماماً متجدداً من كبرى العلامات التجارية للسيارات، بما في ذلك تويوتا، بوش، هوندا، كومينز، دايملر، سوزوكي، وفولفو. حتى قطاع الطيران يستكشف احتراق الهيدروجين. على سبيل المثال، تتعاون إيرباص مع شركاء عبر الصناعات لتطوير طائرة مفهوم ZEROe، المصممة لتعمل على احتراق الهيدروجين.
هناك اهتمام متزايد باستخدام محركات احتراق الهيدروجين في قطاع النقل، لكن في الوقت الحالي، تواجه منافسة شديدة من المركبات الكهربائية (EVs).
بينما تُنتج HICEs انبعاثات شبه صفرية، تعتمد المركبات الكهربائية على الكهرباء لتشغيلها وبالتالي تتمتع بانعدام انبعاثات العادم. كما أن كفاءة الطاقة للمركبات الكهربائية أعلى مقارنةً بـ HICEs التي تفقد جزءاً من الطاقة أثناء عملية الاحتراق.
على الرغم من أن المركبات الكهربائية تتطلب بنية تحتية جديدة، فإن عدد محطات الشحن يتزايد بسرعة. أما محطات تعبئة الهيدروجين، فهي نادرة نسبياً، رغم أن تعبئة سيارة هيدروجين أسرع من شحن سيارة كهربائية.
قامت شركات مثل BYD، تسلا، ريفيان، جنرال موتورز، فولفو، والعديد غيرها بتحقيق تقدم هائل في مجال المركبات الكهربائية. كان سوق المركبات الكهربائية (EV) يُقدّر بحوالي 384 مليار دولار في عام 2022، بينما من المتوقع أن يصل السوق العالمي لمحركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين (HICEs) إلى 35 مليار دولار بحلول عام 2030.
يُجرب الآن صانعو السيارات تقنية احتراق الهيدروجين، لكن التقدم بطيء نسبياً مقارنةً بالتطورات في تكنولوجيا المركبات الكهربائية. تحتاج الصناعة إلى تجاوز العديد من العقبات الإنتاجية، مثل التكلفة، مما يعني أن المركبات الكهربائية ستستمر في هيمنة قطاع النقل في الوقت الحالي. ومع ذلك، يمكن أن تصبح HICEs جزءاً مهماً من مزيج وقود النقل في المستقبل القريب.
لا يمكن تجاهل الهيدروجين كوقود، وتلعب HICEs دوراً حاسماً في مستقبل النقل المستدام. ومع ذلك، لتحقيق ذلك، يلزم دعم حكومي وتقدم تكنولوجي.
انقر هنا لتعرف لماذا قد يظل الهيدروجين هو الوقود للمستقبل.
التطورات الأخيرة في مجال HICEs
على مدار العقد الماضي، أصبحت إزالة الكربون ذات أهمية بالغة للبلدان والشركات حول العالم. يُعد قطاع النقل حاسماً بشكل خاص، نظراً لأنه يُنتج 10٪ من انبعاثات غازات الدفيئة العالمية.
وفقاً لاتفاقيات باريس (COP21) وغلاسكو (COP26)، تحتاج تقنيات دفع النقل إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بسرعة. لهذا، نحتاج إلى حل فعال، لكن لا يوجد حل واحد يمكنه تقديم جميع الإجابات. يمكن لمزيج من الحلول المختلفة أن يساعد فعلياً في تخفيف المشكلات بشكل أكثر فاعلية. وهذا يشمل محركات احتراق الهيدروجين، التي تتطلب أقل قدر من التغييرات في بنية المركبة الحالية.
كخيار منطقي وعالي الكفاءة، تشهد HICEs الكثير من الزخم والتقدم. مؤخراً، توصل باحثون في جامعة ألبرتا إلى مادة طلاء جديدة تبدو واعدة لمحركات احتراق الهيدروجين. السبيكة المركبة المركزة الجديدة، AlCrTiVNi5، تتمتع بخصائص حرارية ميكانيكية متفوقة، بما في ذلك التمدد المنخفض، الاستقرار العالي، تحمل الكسر، والقدرة على تحمل درجات حرارة مرتفعة وكذلك بيئات الضغط العالي.
بمقارنة الطلاء الجديد مع السبائك المتاحة تجارياً، وجد الباحثون أن AlCrTiVNi5 يتحمل “البيئات المتآكلة لمدة تصل إلى 100 ساعة عند 900 درجة مئوية” و”يتفوق على أي شيء آخر في السوق حالياً”، مما يفتح الباب لتطوير اقتصاد الهيدروجين.
في وقت سابق من هذا الشهر، أعلنت تويوتا أيضاً أنها في سعيها لجعل احتراق الهيدروجين قابلاً للتطبيق، أنشأت محرك احتراق داخلي يمكنه العمل على الوقود الصناعي، والديزل الحيوي، والبنزين، والهيدروجين. لتحقيق ذلك، استخدم المهندسون محركاً سعة 1.6 لتر من سيارة السباق GR Corolla، مما ساعد الشركة على التغلب على تحدي موازنة الكفاءة الحرارية. محركاتها الجديدة أصغر بنسبة 10٪ إلى 20٪ لكنها أكثر قوة.
“تطوير هذا المحرك كجزء من جهودها لتحقيق الحياد الكربوني وتعزيز استخدام الهيدروجين كمصدر طاقة نظيف ومتجدد.”
هذا التطور المتعلق بالهيدروجين يحدث في جميع أنحاء العالم. في أواخر العام الماضي، كشفت أكبر شركة سيارات في الهند، تاتا موتورز، عن مرافق البحث والتطوير التي تشمل خلية اختبار محرك لتطوير HICEs بالإضافة إلى بنية تحتية لتخزين وتوزيع وقود الهيدروجين.
هذا العام، تعاونت تاتا مع عملاق الولايات المتحدة كومينز لإنشاء مرفق تصنيع في الهند لمحركات HICEs للمركبات التجارية المتوسطة والثقيلة. جاء ذلك بعد أن أعلن المشروع المشترك العام الماضي أنه سينفق 424 مليون دولار على المصنع لإنتاج 4,000 محرك H2 سنوياً و10,000 نظام بطاريات.
الشركات التي تطور محركات احتراق الهيدروجين
الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الأسماء الكبيرة في هذا القطاع:
#1. هوندا
هذه الشركة المصنعة للسيارات شاركت بنشاط في محركات احتراق الهيدروجين عبر مشروع تعاوني يُدعى HySE (تقنية الهيدروجين للتنقل الصغير والمحركات) مع تويوتا، ياماها، كاواساكي، وسوزوكي لاستكشاف إمكانات HICEs. في البداية كانت متشككة بشأن جدوى التقنية، طورت هوندا محرك ‘HySE‑X1’ الذي يتميز بمحرك هيدروجيني رباعي الأسطوانات سعة 1.6 لتر. (TSLA ) (GM )
HMC مخطط السعر
هوندا شركة ذات قيمة سوقية تبلغ 56.188 مليار دولار، وأسهمها تتداول حالياً عند 31.93 دولار، بارتفاع 3.25٪ منذ بداية العام. بلغت إيرادات الشركة (TTM) 130 مليار دولار، وربح السهم (TTM) 7.37، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 4.33، وعائد توزيعات الأرباح 4.19٪.
#2. تويوتا
هذه الشركة المصنعة للسيارات في اليابان تستخدم الهيدروجين كوقود منذ عدة عقود الآن. تشمل مركباتها التي تعمل باحتراق الهيدروجين طرازات GR Corolla H2 و GR Yaris H2. شاركت تويوتا أيضاً في سباقات التحمل Super Taikyu لتسريع تطوير مركباتها. هذا الأسبوع فقط، عرضت تويوتا محركاتها الجديدة التي يمكنها العمل على وقود مختلف، بما في ذلك الهيدروجين.
TM مخطط السعر
تويوتا شركة ذات قيمة سوقية تبلغ 314 مليار دولار، وأسهمها تتداول حالياً عند 198.86 دولار، بارتفاع 8.53٪ منذ بداية العام. بلغت إيرادات الشركة (TTM) 287 مليار دولار، وربح السهم (TTM) 24.18، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 8.22، وعائد توزيعات الأرباح 2.45٪.
الخلاصة
من الواضح أن محركات احتراق الهيدروجين تقدم فوائد كبيرة من حيث تقليل الأثر البيئي، الاعتماد على البنية التحتية القائمة، والكفاءة الحرارية العالية. لكن بالطبع، لا يمكن لـ HICEs وحدها توفير نقل مستدام. بل من خلال مزيج من الحلول، يمكننا تحقيق بيئة أكثر أماناً. وفي هذا المزيج، يمكن لـ HICEs أن تلعب دوراً حاسماً وتساعد في الانتقال بعيداً عن الوقود الأحفوري.
الآن، بعد عقود من الإمكانات غير المستغلة، قد تكون المركبات التي تعمل بالهيدروجين أخيراً في دائرة الضوء بفضل الاهتمام المتجدد، الاستثمارات الخاصة، الدعم الحكومي، والتقدم التكنولوجي.
انقر هنا لتعرف ما الذي جعل الهيدروجين أكثر جاذبية كمصدر للطاقة مؤخراً.
