هل خلايا الوقود الهيدروجينية هي مستقبل المركبات الكهربائية؟

يبدو أن تبني المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEVs) في أمريكا الشمالية قد واجه عائقًا.  مع قيم إعادة البيع الضعيفة، تكاليف الإصلاح الباهظة، والبنية التحتية المتأخرة، تراجعت المبيعات – بشكل ملحوظ.  وقد شهدت حتى عكس قرارات من قبل شركات تأجير كبيرة مثل Hertz التي قررت التخلص من جزء كبير من المركبات الكهربائية في أسطولها، والعودة إلى نظيراتها التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي (ICE).

بينما قد يكون هذا هو الحال، سيكون من الجنون التفكير أن الانتقال بعيدًا عن شيء شائع مثل محرك الاحتراق الداخلي (ICE) سيحدث بسلاسة. كان من المتوقع دائمًا وجود نكسات، وكان من المتوقع دائمًا طرح أسئلة صحيحة على طول الطريق حول مزايا المركبات الكهربائية.

النتيجة النهائية هي أن التحول نحو المركبات الكهربائية ليس مجرد رغبة القلة؛ بل هو حاجة الجماهير في مكافحة تغير المناخ. ومع ذلك، إذا لم تكن الجيل الحالي من المركبات الكهربائية قادرًا على المهمة، ما الخيارات الأخرى المتاحة؟ بالنسبة للكثيرين، الجواب هو ما تم التفكير فيه لسنوات عديدة والآن شهد تطورات حاسمة – المركبات الكهربائية الهيدروجينية (HEVs).

تحسين متانة خلايا الوقود الهيدروجينية

في دراسة¹ حديثة، قدم فريق بحث مشترك مكوّن من علماء من جامعة هارفارد وجامعة إنتشون الوطنية نهجًا جديدًا لبناء خلايا الوقود الهيدروجينية سيؤدي إلى تحسين المتانة وعمر الخدمة.

وبشكل أكثر تحديدًا، لاحظت الدراسة تطوير “فئة من الأغشية الكهرلية المقاومة للتعب، تتكون من شبكة متشابكة من نافيون و perfluoropolyether (PFPE).” عند استخدامها، لوحظ أن التعب المعتاد، الذي يظهر على شكل تشققات إجهادية تحدث أثناء الاستخدام المنتظم لخلايا الوقود، يمكن تقليله بشكل كبير.

من خلال دمج المادة في الأغشية الكهرلية داخل خلية الوقود، أظهرت الدراسة أنها ارتفعت “…حدود تحمل التعب بنسبة 175٪ وتطيل عمر خلية الوقود بمقدار 1.7 مرة. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر غشاء نافيون غير المعدل عمرًا قدره 242 ساعة، في حين لوحظ أن الغشاء المركب يمتلك عمرًا قدره 410 ساعات.”

بينما أشار الفريق إلى أن إدخال هذه المادة قلل قليلاً من أداء خلايا الوقود، فإن التحسين الهائل في المتانة/العمر يُظهر أنه تبادل مجزي. مع تقدم الوقت، إذا كان من المتوقع أن تحل خلايا الوقود الهيدروجينية محل نظيراتها من حزم البطاريات في قطاع المركبات الكهربائية، فإن هذه هي الأنواع من التطورات التي يجب إجراؤها. ومع ذلك، من المهم أن نتذكر أن أفضل تقنية لا تفوز دائمًا. ميزة المتقدم الأول حقيقية، والمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات تتصدر بوضوح، رغم الانخفاض الأخير في السوق.

ما هي المركبات الكهربائية الهيدروجينية (HEVs)؟

المركبة الكهربائية هي تلك التي تعتمد على محركات تعمل بالكهرباء بدلاً من محرك يعمل بالوقود المحترق. في الوقت الحالي، الغالبية العظمى من المركبات الكهربائية تستخدم حزم بطاريات ضخمة لتخزين وتوصيل الكهرباء لتشغيل هذه المحركات. كما ذُكر، هناك نهج آخر للمركبات الكهربائية يبدو أنه يكتسب زخماً – خلايا الوقود الهيدروجينية.

في المركبات الكهربائية الهيدروجينية (HEVs)، التي تُسمى أحيانًا مركبات خلايا الوقود الكهربائية (FCEVs)، يتم توفير الكهرباء اللازمة لتشغيل المحرك(ات) من خلال تفاعل كيميائي كهربائي يُقسم الهيدروجين، المخزن إما كسائل أو غاز مضغوط، إلى بروتونات وإلكترونات. العملية بأكملها تعمل كما يلي:

1. يُفرَغ الهيدروجين المخزن في خزان عالي الضغط عند الطلب إلى خلية الوقود.
2. يُقسم الهيدروجين المُدخل إلى خلية الوقود إلى بروتونات وإلكترونات.
3. تُستخدم الإلكترونات لتشغيل المحركات، التي تدفع العجلات.
4. تتحد البروتونات مع الأكسجين في الهواء، مُنتجةً ناتجين فرعيين: الحرارة وبخار الماء.

ومن المثير للاهتمام أن عددًا قليلًا من الـ HEVs الهجينة يستخدم حزمة بطارية أصغر لالتقاط الطاقة المفقودة عبر الكبح المتجدد، مما يجمع بين أفضل ما في العالمين.

ما هو جاذبية الهيدروجين؟

التوليد والتخزين: عادةً ما تتكون حزم البطاريات من مواد تُستخرج عبر عمليات تعدين ضخمة ومُدخلة تُحدث دمارًا للأرض، مما يُقوّض الفرضية القائلة إن استخدامها مفيد للبيئة. من ناحية أخرى، يمكن التقاط الهيدروجين بوسائل مثل التحليل الكهربائي المستدام والاحتياطيات الطبيعية المحتملة.

علاوة على ذلك، يمكن ضغط الهيدروجين بسهولة إلى سائل ونقله دون مشكلة بكميات هائلة. لا يتطلب خطوط نقل من نقطة الإنشاء، مما يجعل العملية أكثر مرونة.

الأداء: من منظور الأداء، لا يوجد فرق كبير بين الـ HEVs والـ BEVs. كلا النوعين من المركبات يستخدمان محركات لتشغيل عجلات القيادة، مما يعني أن كلاهما سيستفيد من عزم الدوران الفوري والإنتاجية المرتبطة بهذه التقنية.

الانبعاثات: من حيث الانبعاثات، يُعتبر الهيدروجين أفضل على الأرجح. على الرغم من أنه يُعد مُنبِعًا ثانويًا، إلا أن ذلك يقتصر على بخار الماء الخارج من العادم. في المقابل، لا تُصدر الـ BEVs أي انبعاثات على الإطلاق. ما يميز الهيدروجين هو عملية التصنيع، حيث تتطلب حزم البطاريات التي يتخلى عنها استخراجًا مكثفًا يضر بالأرض.

إعادة الوقود: إعادة الوقود هي واحدة من أكبر جاذبيات الهيدروجين، لأنها عامل سيتعامل معه المستخدمون النهائيون بانتظام. بينما تتطلب الـ BEVs عادةً أوقات شحن طويلة وبنية تحتية متخصصة، يمكن للـ HEVs إعادة الوقود بسرعة مماثلة للسيارات التي تعمل بالبنزين/الديزل.

المدى: على الرغم من تحسن تكنولوجيا البطاريات، فإن الـ BEV يحتاج إلى حزمة بطارية ضخمة لتوفير نفس المدى كما في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية. يؤدي ذلك إلى أوقات شحن أطول، وبصمة بيئية أكبر، وفقدان الكفاءة بسبب الوزن. من ناحية أخرى، يتمتع الهيدروجين بمدى عادةً ما يكون مساويًا للـ ICE، مما يزيل قلق المدى تمامًا.

المناخات الباردة: جزء من قلق المدى الذي يعاني منه مالكو الـ BEV يعود إلى المنطقة. القليل من الأماكن تتمتع بظروف مناخية مثالية للـ BEV، مما يؤدي إلى تقليل كبير في المدى للعديد من العملاء. بينما يفقد الهيدروجين بعض المدى في الطقس البارد، إلا أن ذلك ليس دراماتيكيًا، مما يجعله خيارًا أكثر جاذبية للكثيرين.

كما ترى، هناك عدة مجالات حاسمة يمكن للـ HEVs أن تتفوق فيها على نظيراتها التي تعمل بالبطاريات. أما ما يسبب تأخرها فهو التعقيد، والحاجة إلى تعديل بنية تحتية موجودة لإعادة الوقود، وإمكانية ظهور بطاريات الحالة الصلبة.

الشركات الرائدة في تطوير حلول الهيدروجين

قد يواجه قطاع المركبات الكهربائية بعض العوائق الآن، لكنه لا يزال واضحًا أنها مستقبل النقل. ما ليس واضحًا هو الشكل الذي ستتخذه المركبات الكهربائية. هل ستكون مدفوعة بالبطاريات؟ أم ستعتمد على خلايا الوقود الهيدروجينية؟ الشركتان التاليتان تضعان رهنًا على الخيار الأخير وقد بدآ بالفعل في التخطيط لمثل هذا المستقبل.

*الأرقام المذكورة أدناه كانت دقيقة وقت كتابة المقال وتخضع للتغيير. يجب على أي مستثمر محتمل التحقق من المقاييس*

1. Toyota

باعتبارها أكبر شركة تصنيع سيارات في العالم، ليس من المفاجئ أن تتجه تويوتا إلى مجال الـ HEVs. من المثير للاهتمام أنه بينما تطور الشركة حلول بطاريات الحالة الصلبة بنشاط، فقد عارضت تويوتا سيارات البطاريات الحالية. بدلاً من ذلك، أكدت تويوتا إيمانها بأن مستقبلًا أكثر إشراقًا يكمن في الـ HEVs وحتى محركات الاحتراق الهيدروجيني.

ومن الجدير بالذكر أن تويوتا بدأت في تطوير تقنية الـ HEV عام 1992، وصولاً إلى إطلاق “ميراي” – سيارة سيدان تتميز بإعادة وقود خلال 5 دقائق، ومدى 650 كلم، وانعدام الانبعاثات الضارة.

2. Plug Power

PLUG مخطط السعر

تأسست شركة Plug Power Inc. (PLUG ) في عام 1997 ومقرها في لاثام، نيويورك، وتظل لاعبًا رئيسيًا في تطوير تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية. من الجدير بالذكر أن Plug Power لا تركز فقط على السيارات والشاحنات؛ فالشركة تصمم وتصنع أنظمة مماثلة للتركيبات الصغيرة التي تستخدم محركات كهربائية.

في السنوات الأخيرة، وسعت Plug Power تركيزها إلى ما وراء خلايا الوقود لتعامل المواد وبدأت تستهدف أسواقًا أوسع. يشمل ذلك أنظمة الطاقة الثابتة، أساطيل مركبات التوصيل، وحتى تطبيقات محتملة في الطيران. إن الاستحواذات الاستراتيجية للشركة، مثل United Hydrogen و Giner ELX، عززت موقعها في اقتصاد الهيدروجين من خلال تحسين قدراتها في توليد الهيدروجين وتسييله وتوزيعه.

الكلمة الأخيرة

مع تعثر المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات، يتم توجيه مزيد من التركيز إلى البدائل المحتملة. في الوقت الحالي، حلول الهيدروجين تتصدر القائمة، وعلى الرغم من أنه قد يكون من السهل استبعاد التقنية للوهلة الأولى، يجب أن نتذكر أن تويوتا ليست الوحيدة التي تدفع نحو الهيدروجين. شراكات وتطوير حلول هيدروجينية تشمل شركات مثل هوندا، جنرال موتورز، هيونداي، وغيرها موجودة بالفعل.

مع تزايد الوصول إلى هيدروجين مستدام المصدر يوميًا، قد يبدو مستقبل المركبات الكهربائية مختلفًا قليلًا عما يدركه الكثيرون.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). أغشية كهرلية مقاومة للتعب لخلايا الوقود البوليمرية المتينة. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}