الطاقة
قد تمثل المركبات الهيدروجينية مستقبل النقل – هل هناك أسباب للقلق بشأن السلامة؟
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
المركبات الهيدروجينية أو المركبات التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية ظهرت كظاهرة منذ عام 2015. على الرغم من أنه من المبكر جدًا التنبؤ بمستقبل المركبات الهيدروجينية، لا يمكن إنكار أن الاهتمام بها كان واضحًا لكنه متقلب.
بين عامي 2022 و2023، شهد عدد المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية انخفاضًا في الأعداد، من 20,704 إلى 14,451. لا يكفي الانخفاض السنوي لتحديد اتجاه في اهتمام المستهلكين بالمركبات الهيدروجينية. لكن هناك نقاشات من كلا الجانبين. بينما توجد العديد من مزايا المركبة الهيدروجينية، هناك أيضًا الكثير من المناقشات حول مدى أمانها. في الفقرات التالية، سنستعرض كلا الجانبين من المركبات الهيدروجينية.
تفرد المركبات الهيدروجينية
على الرغم من كونها مركبة كهربائية، لا تحتاج المركبات الهيدروجينية إلى بطاريات مدمجة. لديها محطة طاقة على متنها، قادرة على تحويل الهيدروجين الموجود في خزان الوقود إلى كهرباء. تقود سيارات الهيدروجين دون انبعاثات محلية.
مع ذلك، أكبر ميزة تقدمها حتى الآن هي زمن التعبئة القصير. على عكس المركبات الكهربائية الأخرى، لا يعتمد شحن المركبات الهيدروجينية على طراز المركبة والبنية التحتية. لديها تخزين بطارية طويل، ولا تعتمد مدتها على درجة الحرارة الخارجية، مما يلغي احتمال التدهور في الطقس البارد.
كما أن الهيدروجين طريقة فعّالة للغاية لتخزين ونقل الطاقة المتجددة، ويساعد اعتماده على خفض التكاليف على المدى الطويل.
بينما الفوائد متاحة للجميع، تشير بعض الدراسات أيضًا إلى مخاطرها وإمكانات الضرر. سنستعرض اليوم حالة حيث فريق من جامعة TU Graz حلل مخاطر وإمكانات الضرر للمركبات الهيدروجينية في الأنفاق. وقد قدمت الدراسة أيضًا بعض التوصيات.
مخاطر وإمكانات الضرر للمركبات الهيدروجينية: كيفية تقليل المخاطر
في إطار مشروع HyTRA، قامت جامعة غراتس للتقنية بدراسة عدة جوانب قد تكون خطرة. قيمت الدراسة أنواع الحوادث المحتملة، المخاطر على الأشخاص، وهيكل النفق، وقدمت توصيات بإجراءات يمكن اتخاذها لتقليل هذه المخاطر.
بينما حدد الباحثون أن احتمالية وقوع حوادث تشمل مركبات هيدروجينية في نفق منخفضة، فإن الكثافة الطاقية العالية للهيدروجين وضغط تخزينه الكبير يجعل هذه المركبات التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية تشكل خطرًا كبيرًا على حدوث أضرار واسعة.
تخزين الهيدروجين في خزانات السيارات عند ضغط 700 بار قد يؤدي إلى إطلاق سريع لكميات هائلة من الطاقة. إذا اشتعل، قد يحترق الهيدروجين عند درجات حرارة تتجاوز 2000 درجة مئوية. يصمم المصنعون خزانات الوقود لتكون قوية ومحمية جيدًا ضد الصدمات الميكانيكية؛ إلا أنها قد لا تصمد في حالات التصادم الخلفي مع شاحنات كبيرة.
هناك بشكل عام ثلاثة سيناريوهات خطرة قد تنشأ نتيجة مثل هذا التصادم.
في الحالة الأولى، قد يتفعيل جهاز تخفيف الضغط الحراري (TPRD) عندما يزداد الضغط نتيجة تأثير حراري، مما يطلق الهيدروجين من الخزان على شكل نفث مُتحكم فيه. يساعد هذا الآلية في الحفاظ على الضغط عند مستوى آمن، مما يمنع انفجار الخزان. ومع ذلك، قد يظل ذلك خطرًا إذا اختلط الهيدروجين المتفري مع الهواء واشتعل. ومع ذلك، ستظل منطقة الخطر محصورة.
يتفاقم هذا السيناريو إذا فشل جهاز تخفيف الضغط الحراري، مما قد يؤدي إلى انفجار الخزان. قد ينتشر موجة الانفجار عبر القناة بأكملها. قد يمتد خطر الوفاة حتى حوالي 30 مترًا، بينما قد تمتد احتمالية الإصابات الداخلية الخطيرة حتى 300 متر. وعلى مسافات أبعد، لا يزال هناك خطر تمزق طبلة الأذن.
في السيناريو الثالث، وهو الأقل احتمالًا، يُطلق الهيدروجين أولًا دون اشتعال. وبما أنه أخف عنصر في الجدول الدوري، يرتفع الغاز ويتجمع على شكل سحابة تحت سقف النفق. إذا كان هناك مصدر إشعال، مثل مصابيح ساخنة أو نبضة كهربائية، قد يتسبب ذلك في انفجار سحابة الهيدروجين، محدثًا موجة انفجار قوية.
اقترح محققو سيناريو المخاطر مجموعة من الاستراتيجيات المخففة. أوصى الفريق بتنفيذ حدود سرعة أكثر صرامة، تُراقب عبر التحكم في الأقسام. كما نصحوا باستراتيجيات دقيقة للتحكم في المسافة، مدعومة بآلية إشارة قوية لتنبيه السائقين عندما يتبعون عن قرب.
أثناء مناقشة مخاطر وإمكانات الضرر للمركبات الهيدروجينية، لم ينس فريق TU Graz الإشارة إلى السياق الذي تعمل فيه وكيف يتم قياس مخاطرها وإمكانات الضرر.
«خزانات الهيدروجين الحديثة مبنية بأمانٍ كبير بحيث يجب أن يحدث الكثير من الأخطاء لكي يهرب الهيدروجين.»
– دانييل فروهفيرت، معهد الديناميكا الحرارية وأنظمة الدفع المستدام في TU Graz
الدفع نحو المركبات الهيدروجينية
يتوقع الباحثون زيادة ملحوظة في اعتماد المركبات الهيدروجينية في السنوات القادمة. يقدر الباحثون الصناعيون والمحللون أن عدد المركبات الهيدروجينية العاملة عالميًا سيتجاوز المليون في عام 2027، ارتفاعًا من أكثر من 60,000 في عام 2022، مما يمثل زيادة بأكثر من 1500٪. من المتوقع أن يكون السوق الاستهلاكي هو القطاع الرائد في مجال المركبات الهيدروجينية، حيث سيشكل أكثر من 60٪ بحلول 2027.
هناك مبادرات حكومية تهدف إلى تعزيز المركبات التي تعمل بخلايا الوقود. على سبيل المثال، أطلقت مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة، وهو وحدة تابعة لوزارة الطاقة، برنامج مهمة H2USA:
«مهمة H2USA هي تعزيز إدخال واعتماد واسع النطاق للمركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود في جميع أنحاء أمريكا. تشمل الأعضاء الوكالات الفدرالية، وجمعية تجارة خلايا الوقود، وصانعي السيارات، ومزودي الهيدروجين، ومطوري خلايا الوقود، والمختبرات الوطنية، وغيرهم من أصحاب المصلحة. توفر هذه التعاون منصة للولايات المتحدة مشابهة للتعاونات العامة-الخاصة في دول أخرى تركز على الهيدروجين، لا سيما ألمانيا واليابان والمملكة المتحدة.»
وفقًا للتقارير، لدى H2USA الآن أكثر من 30 مشاركًا.
إلى جانب المبادرات الحكومية، هناك العديد من الأبحاث التي تهدف إلى تحسين الأداء جارية، والتي تساعد على بناء الاهتمام والثقة بين المستهلكين المحتملين للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية.
على سبيل المثال، أجرت دراسة حديثة فريق من الباحثين من جامعة هارفارد وجامعة إنتشون الوطنية نهجًا لتطوير خلايا الوقود التي تحقق درجات عالية من المتانة وعمر الخدمة. تدور الدراسة حول تطوير فئة من أغشية الإلكتروليت المقاومة للتعب والتي تتكون من شبكة متداخلة من نافيون و perfluoropolyether (PFPE). لاحظ الفريق تدهورًا طفيفًا في أداء خلية الوقود مقابل «تحسين مذهل في المتانة/العمر الافتراضي.»
تطوير مثير آخر كان خاصةً إدخال إنزيمات متخصصة في الآبار النفطية المستنفدة. هذه الإنزيمات تحلل الهيدروكربونات المتبقية إلى مكونات مختلفة، بما في ذلك الهيدروجين. قد يؤدي هذا التقدم إلى تحويل عدد لا يحصى من الآبار النفطية المستنفدة والمتروكة حول العالم إلى مصادر لوقود أكثر استدامة من أعماقها — الهيدروجين.
يتماشى الدفع نحو المركبات الهيدروجينية مع الرؤية المتمثلة في إنشاء بدائل نقل أكثر استدامة للمستقبل، وربما أكثر استدامة من المركبات الكهربائية (EVs). ذلك لأن المركبات الكهربائية لا تحقق الاستدامة بالكامل؛ فإمكانات الانبعاثات تعتمد على طريقة توليد الكهرباء.
تعمل العديد من الشركات على تطوير حلول للمركبات الهيدروجينية، متوقعةً أن الحكومات والسلطات النقلية ستفضل هذه المركبات على المركبات الكهربائية في المستقبل. في الفقرات التالية، سنناقش بعض هذه الشركات.
#1. منصة Ultium ومكعبات طاقة خلايا الوقود HYDROTEC من شركة جنرال موتورز
تقنية خلايا الوقود GM Hydrotec تدعي أنها حل طاقة خلايا وقود ميسور التكلفة للتطبيقات البرية والجوية والبحرية. في عام 2021، أعلنت شركة Wabtec Corporation (NYSE: WAB) وشركة جنرال موتورز (NYSE: GM) عن تعاونهما لتطوير وتسويق تقنية بطارية Ultium من GM وأنظمة خلايا الوقود الهيدروجيني HYDROTEC لقطارات Wabtec.
أثناء الحديث عن القيمة المضافة التي ستجلبها حلول GM لـ Wabtec، صرح الرئيس التنفيذي ورئيس Wabtec، رافاييل سانتانا، بما يلي:
«قطارنا FLXdrive، أول قطار في العالم يعمل ببطارية 100٪، أثبت قدرته على خفض الانبعاثات الكربونية بنسبة تصل إلى 30٪ عند تشغيله بقدرة 6 م.واط. لكن لا يمكننا التوقف عند هذا الحد. من خلال العمل مع GM على تقنيتي بطارية Ultium وخلايا الوقود الهيدروجيني HYDROTEC، يمكننا تسريع مسار صناعة السكك الحديدية نحو خفض الكربون والمسار نحو قطارات خالية من الانبعاثات من خلال الاستفادة من هاتين التقنيتين المهمتين للدفع.»
توفر حل GM Hydrotec مكعبات طاقة خلايا وقود مدمجة وسهلة التعبئة لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك القطارات. تُعد Ultium تقنية البطارية التي تضيف المرونة والكفاءة والقوة والموثوقية التي تحتاجها السكك الحديدية.
في عام 2021، أبرمت شركة جنرال موتورز أيضًا تعاونًا مع Liebherr-Aerospace لتطوير نظام تجريبي لتوليد الطاقة بخلايا الوقود الهيدروجيني للطائرات. وفي العام التالي، قررت GM توسيع نطاق حل Hydrotec ليشمل ما هو أبعد من مجال المركبات والنقل البري.
أعلنت الشركة عن خططها لتطوير عدة مولدات طاقة تعتمد على HYDROTEC وتعمل بواسطة مكعبات طاقة خلايا الوقود الجيل الثاني من GM. وتشمل هذه:
- مولد طاقة محمول (MPG) يوفّر قدرات شحن سريع للمركبات الكهربائية دون الحاجة إلى تركيب نقاط شحن دائمة.
- شاحن EMPOWER السريع الذي يتيح لمحطات الوقود التجزئة إضافة شحن DC سريع ميسور التكلفة دون توسيع الشبكة.
- مولد MPG على منصة (Palletized) لتزويد المعسكرات والمنشآت العسكرية بالطاقة بهدوء وكفاءة.
GM مخطط السعر
للسنة المالية 2023، أبلغت GM عن إيرادات بلغت 171.8 مليار دولار، مع صافي دخل مخصص للمساهمين يتجاوز 10 مليارات دولار وEBIT المعدل بقيمة 12 مليار دولار.
#2. Cellcentric: تعاون بنسبة خمسين في المئة بين دايملر وفولفو
Cellcentric، مشروع مشترك بنسبة 50:50 بين مجموعة فولفو وDaimler Truck (DTG.DE ) AG، يهدف إلى أن يصبح مصنعًا عالميًا رائدًا لخلايا الوقود لمساعدة العالم على تحقيق هدفه في تقديم نقل محايد ومستدام بحلول عام 2050.
في مايو 2024، أعلنت Cellcentric عن نظام خلايا الوقود NextGen، وهو حل مخصص لشاحنات النقل الطويل في أوروبا وأمريكا الشمالية. النظام عبارة عن حزمة نظامية واحدة مدمجة وخفيفة الوزن للغاية يمكنها توفير طاقة تزيد عن 350 كيلواط في أقصى أداء لها.
(GM )وفقًا لتقديرات Cellcentric، من المتوقع أن يوفر الحل توفيرًا في الاستهلاك بنسبة 20٪ مقارنةً بجيل BZA150. كما يتميز نظام NextGen بزيادة كثافة الطاقة بنسبة 30٪ مقارنةً بالجيل الحالي وتقليل حرارة الفاقد بنسبة 40٪ عند الحمل الأقصى، بفضل تصميمه المتقن وأدائه المثالي. كما يقلل الحل من متطلبات التبريد، محسنًا مستويات ملاءمة المنتج.
للسنة الكاملة 2023، ارتفعت مبيعات فولفو الصافية بنحو 80 مليار كرونة سويدية إلى 553 مليار كرونة سويدية، وزاد الدخل التشغيلي المعدل إلى 77.6 مليار كرونة (50.5)، مع هامش تشغيلي معدل بنسبة 14.0٪ (10.7). إيرادات مجموعة دايملر ارتفعت بنسبة 10٪ لتصل إلى مستوى قياسي قدره 55.9 مليار يورو في عام 2023.
مستقبل مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية
بشكل عام، يبدو مستقبل المركبات الهيدروجينية واعدًا نظرًا للطلب العالمي المتزايد على حلول النقل المستدامة. ومع ذلك، لكي تصبح أكثر كفاءة وأمانًا، سيتعين على المصنعين والباحثين في التكنولوجيا العمل على جميع جوانب سيارة خلايا الوقود الكهربائية الهيدروجينية، بما في ذلك مجموعة الخلايا، ومعبئ الوقود، وخزان الوقود، ووحدة التحكم، والنظام الحراري.
توفر هذه المركبات عدة فوائد، بما في ذلك عزم دوران فوري وميزات طاقة سلسة ومتسقة، ومتطلبات صيانة منخفضة، وفوائد تعبئة سريعة، وانبعاثات صفرية، وأكثر من ذلك. ومع ذلك، سيتعين على المصنعين التركيز أكثر على تقليل التكاليف.
قد تكون تكلفة الحصول على سيارة خلية وقود أعلى من السيارات التقليدية ذات الحجم المقارن. ومع ذلك، تتوفر عدة حوافز في الاقتصادات المتقدمة، مثل خصم بقيمة 4,500 دولار (7,500 دولار للمشترين المؤهلين حسب الدخل) من مشروع خصم المركبات النظيفة في كاليفورنيا وغيرها. بينما ستعزز هذه الحوافز الاعتماد والرؤية على المدى القصير، فإن النجاح على المدى الطويل سيعتمد فقط على معايير السلامة والأداء المقدمة.
انقر هنا لتعرف ما الذي جعل الهيدروجين مصدر طاقة جذابًا مرة أخرى.
