هل تشكل خلايا وقود الهيدروجين مستقبل السيارات الكهربائية؟

يبدو أن اعتماد السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية (BEVs) في أمريكا الشمالية قد واجه عقبة. مع قيم إعادة البيع سيئة, تكاليف الإصلاح باهظة الثمنوالبنية التحتية المتخلفة تباطأت المبيعات - بشكل ملحوظ. حتى أنه كانت هناك تراجعات في القرار من قبل شركات تأجير كبيرة مثل هيرتز والتي قررت ذلك تفريغ جزء كبير من المركبات الكهربائية في أسطولها، والعودة إلى نظيراتها من محركات الاحتراق الداخلي (ICE).

على الرغم من أن هذا قد يكون هو الحال، إلا أنه سيكون من الجنون الاعتقاد بأن التحول بعيدًا عن شيء واسع الانتشار مثل ICE سيحدث بسلاسة. ستكون هناك دائمًا انتكاسات، وستكون هناك دائمًا أسئلة صحيحة تُطرح على طول الطريق المحيطة بمزايا المركبات الكهربائية.

خلاصة القول هي أن التحول نحو المركبات الكهربائية ليس مجرد رغبة لدى قلة، بل هو حاجة ملحة للكثيرين في مكافحة تغير المناخ. ومع ذلك، إذا لم يكن الجيل الحالي من المركبات الكهربائية على قدر المسؤولية، فما هي الخيارات الأخرى المتاحة لنا؟ بالنسبة للكثيرين، يكمن الحل في ما تم دراسته لسنوات عديدة، وشهد مؤخرًا تطورات جوهرية - المركبات الكهربائية الهيدروجينية (HEVs).

تحسين متانة خلايا وقود الهيدروجين

في الآونة الأخيرة دراسة¹قام فريق بحث مشترك مكون من علماء من جامعتي هارفارد وإنتشون الوطنيتين بتفصيل طريقة جديدة لبناء خلايا وقود الهيدروجين التي من شأنها أن تؤدي إلى تحسين المتانة وعمر الخدمة.

وبشكل أكثر تحديدًا، شهدت الدراسة تطور أ "فئة من أغشية الإلكتروليت المقاومة للتعب، والتي تتكون من شبكة متداخلة من نافيون وبولي إيثر البيرفلورو (PFPE)." عند الاستخدام، لوحظ أن التعب النموذجي، الذي يظهر على شكل كسور إجهاد تحدث أثناء الاستخدام المنتظم لخلايا الوقود، يمكن أن يتضاءل إلى حد كبير.

ومن خلال دمج المادة في أغشية الإلكتروليت داخل خلية الوقود، أظهرت الدراسة أنها رفعت مستوى “…عتبة التعب بنسبة 175% وتطيل عمر خلية الوقود بمقدار 1.7 مرة. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر غشاء Nafion غير المعدل عمرًا افتراضيًا يبلغ 242 ساعة، بينما لوحظ أن عمر الغشاء المركب يبلغ 410 ساعات.

في حين لاحظ الفريق أن إدخال هذه المادة قد أدى إلى تراجع طفيف في أداء خلايا الوقود، إلا أن التحسن المذهل في المتانة وطول العمر يُعدّ بلا شكّ تنازلاً جديراً بالاهتمام. في المستقبل، إذا كان من المتوقع أن تحل خلايا وقود الهيدروجين محل نظيراتها من البطاريات في قطاع السيارات الكهربائية، فهذه هي أنواع التطورات التي يجب إجراؤها. ومع ذلك، من المهم تذكر أن أفضل التقنيات لا تفوز دائماً. ميزة الريادة حقيقية، والسيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات تتصدر السوق بوضوح، على الرغم من الركود الأخير في السوق.

ما هي المركبات الكهربائية الهيدروجينية (HEVs)؟

السيارة الكهربائية هي السيارة التي تعتمد على محركات تعمل بالكهرباء بدلاً من محرك يعمل باحتراق الوقود. في الوقت الحالي، تستخدم الغالبية العظمى من السيارات الكهربائية حزم البطاريات الثقيلة لتخزين وتوصيل الكهرباء لتشغيل هذه المحركات. كما ذكرنا سابقًا، هناك نهج آخر للسيارات الكهربائية يبدو أنه يكتسب المزيد من الاهتمام، ألا وهو خلايا وقود الهيدروجين.

في المركبات الكهربائية الهيدروجينية (HEVs)، التي تسمى أحيانًا المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs)، يتم توفير الكهرباء اللازمة لتشغيل المحرك (المحركات) من خلال تفاعل كهروكيميائي يرى الهيدروجين، المخزن كغاز سائل أو مضغوط، ينقسم إلى بروتونات والإلكترونات. العملية برمتها تعمل على النحو التالي:

1. يتم إطلاق الهيدروجين المخزن في خزان الضغط العالي عند الطلب إلى خلية الوقود.
2. ينقسم الهيدروجين المُدخل إلى خلية الوقود إلى بروتونات وإلكترونات.
3. تُستخدم الإلكترونات لتشغيل المحركات، والتي بدورها تقود العجلات.
4. تتحد البروتونات مع الأكسجين الموجود في الهواء لتنتج منتجين ثانويين: الحرارة وبخار الماء.

ومن المثير للاهتمام أن عددًا قليلاً من السيارات الهجينة الهجينة تستخدم حزمة بطارية أصغر لالتقاط الطاقة المفقودة من خلال الكبح المتجدد، والجمع بين أفضل ما في العالمين.

ما هي جاذبية الهيدروجين؟

إن جاذبية السيارات الكهربائية الهجينة متنوعة ولكنها جوهرية، وإن كان الأمر كذلك بالنسبة للمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية. لذا، ففي حين تهيمن المتغيرات التي تعمل بالبطاريات على السوق حاليا، فإنها لم تعلن بأي حال من الأحوال النهج الفائز. في الواقع، يشير كل من العوامل التالية إلى تفوق المركبات الكهربائية الهجينة بطريقة ما.

التوليد والتخزين: تشتمل حزم البطاريات عادةً على مواد تم جمعها عن طريق عمليات التعدين الكبيرة والغزوية التي تعيث فسادًا في الأرض، مما يقوض الفرضية القائلة بأن استخدامها مفيد للبيئة. من ناحية أخرى، يمكن الحصول على الهيدروجين من خلال وسائل مثل التحليل الكهربائي المستدام وربما الاحتياطيات الطبيعية.

علاوة على ذلك، يمكن بسهولة ضغط الهيدروجين وتحويله إلى سائل ونقله بكميات كبيرة بدون مشكلة. لا يحتاج إلى خطوط نقل من نقطة الإنشاء، مما يجعل العملية أكثر مرونة.

الأداء: من ناحية الأداء، لا يوجد فرق كبير بين السيارات الكهربائية الهجينة والسيارات التي تعمل بالبطارية. يستخدم كلا النوعين من المركبات محركات لتشغيل عجلات القيادة الخاصة بها، مما يعني أن كلاهما سيستفيد من عزم الدوران الفوري والإخراج المرادف لهذه التكنولوجيا.

انبعاثات: ومن ناحية الانبعاثات، يمكن القول إن الهيدروجين أفضل. على الرغم من أنه من الناحية الفنية باعث ثانوي، إلا أنه يتضمن فقط بخار الماء الخارج من أنبوب العادم. وفي الوقت نفسه، لا تصدر المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية أي انبعاثات على الإطلاق. حيث يميز الهيدروجين نفسه في عملية التصنيع، حيث تتطلب حزم البطاريات التي يتخلى عنها تعدينًا مكثفًا لتكوينها، مما يؤدي إلى إتلاف الأرض في هذه العملية.

التزود بالوقود: يعد التزود بالوقود أحد أكبر عوامل الجذب للهيدروجين، لأنه عامل سيتعامل معه المستخدمون النهائيون بشكل مباشر على أساس منتظم. في حين أن السيارات الكهربائية بالبطارية تتطلب عادة فترات شحن طويلة وبنية تحتية متخصصة، إلا أن السيارات الكهربائية الهجينة يمكنها التزود بالوقود بنفس سرعة المركبات العادية التي تعمل بالغاز/الديزل.

المدى: على الرغم من أن تكنولوجيا البطاريات آخذة في التحسن، إلا أن السيارة الكهربائية التي تعمل بالبطارية تتمتع بنفس النطاق الذي تتميز به محركات ICE التقليدية، إلا أنها تتطلب حزمة بطارية ضخمة. وينتج عن ذلك أوقات شحن أطول، وبصمة بيئية أكبر، وفقدان في الكفاءة بسبب الوزن. من ناحية أخرى، يتميز الهيدروجين بأرقام نطاق تتساوى عادةً مع ICE، مما يؤدي إلى إخراج القلق من المدى من المعادلة تمامًا.

المناخات الباردة: جزء من القلق الذي يصيب أصحاب السيارات الكهربائية BEV يعود إلى المنطقة. هناك عدد قليل جدًا من الأماكن التي تتمتع بظروف مناخية مثالية للسيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في المدى بالنسبة للعديد من العملاء. في حين أن الهيدروجين يفقد بعض نطاقه في الطقس البارد، إلا أنه ليس دراماتيكيًا في أي مكان، مما يجعله خيارًا أكثر جاذبية للكثيرين.

كما ترون، هناك العديد من المجالات المهمة التي يمكن أن تتفوق فيها المركبات الكهربائية الهجينة (HEV) على أنواع البطاريات الخاصة بها. حيث تبدأ في التأخر في التعقيد، والحاجة إلى تحديث البنية التحتية الحالية للتزود بالوقود، والظهور المحتمل لبطاريات الحالة الصلبة.

الجهات الفاعلة في الصناعة تعمل على تطوير حلول الهيدروجين

قد تواجه صناعة السيارات الكهربائية بعض الصعوبات حاليًا، لكن يبقى من الواضح أنها تُمثل مستقبل قطاع النقل. لكن ما ليس واضحًا تمامًا هو شكل السيارات الكهربائية. هل ستعمل بالبطاريات؟ أم ستعتمد على خلايا وقود الهيدروجين؟ وتعتمد الشركتان التاليتان على الخيار الأخير، وقد بدأتا بالفعل التخطيط لهذا المستقبل.

*الأرقام الواردة أدناه دقيقة في وقت كتابة هذا التقرير وهي عرضة للتغيير. يجب على أي مستثمر محتمل التحقق من المقاييس*

1. تويوتا

بصفتها أكبر شركة لصناعة السيارات في العالم، ليس من المستغرب أن تخوض تويوتا غمار السيارات الهجينة. ومن المثير للاهتمام، أنه بينما تعمل الشركة بنشاط على تطوير حلول بطاريات الحالة الصلبة، عارضت تويوتا السيارات الكهربائية العاملة بالبطاريات الحالية. بل أكدت تويوتا إيمانها بمستقبل أكثر إشراقًا يكمن في السيارات الهجينة، وحتى محركات الاحتراق الهيدروجيني.

من الجدير بالذكر أن شركة تويوتا بدأت في تطوير تكنولوجيا المركبات الهجينة الكهربائية في عام 1992، مما أدى إلى إطلاق سيارة "ميراي" - وهي سيارة سيدان تتميز بالتزود بالوقود في 5 دقائق، ومدى يصل إلى 650 كيلومترًا، وانبعاثات ضارة صفرية.

2. قابس الطاقة

(PLUG )

لا تزال شركة بلج باور، التي تأسست عام 1997 ويقع مقرها الرئيسي في لاثام، نيويورك، لاعبًا رئيسيًا في تطوير تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجيني. والجدير بالذكر أن شركة Plug Power لا تركز فقط على السيارات والشاحنات؛ تقوم الشركة بتصميم وتصنيع مثل هذه الأنظمة للمنشآت الصغيرة التي تستخدم المحركات الكهربائية.

في السنوات الأخيرة، وسّعت شركة Plug Power نطاق تركيزها ليتجاوز خلايا الوقود في مجال مناولة المواد، وبدأت تستهدف أسواقًا أوسع. ويشمل ذلك أنظمة الطاقة الثابتة، وأساطيل مركبات التوصيل، وحتى التطبيقات المحتملة في مجال الطيران. وقد عززت عمليات الاستحواذ الاستراتيجية للشركة، مثل استحواذها على United Hydrogen وGiner ELX، مكانتها في اقتصاد الهيدروجين من خلال تعزيز قدراتها في توليد الهيدروجين وتسييله وتوزيعه.

كلمة أخيرة

ومع تعثر السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية، يتم التركيز بشكل أكبر على البدائل المحتملة. في الوقت الحالي، توجد محاليل الهيدروجين في مقدمة المجموعة، وعلى الرغم من أنه قد يكون من السهل استبعاد التكنولوجيا للوهلة الأولى، تذكر أن تويوتا ليست فقط هي التي تسعى للحصول على الهيدروجين. إن الشراكات وتطوير حلول الهيدروجين التي تشمل شركات مثل هوندا، وجنرال موتورز، وهيونداي، وغيرها موجودة بالفعل.

مع تزايد إمكانية الوصول إلى الهيدروجين من مصادر مستدامة كل يوم، قد يبدو مستقبل المركبات الكهربائية مختلفًا قليلاً عما يدركه الكثيرون.

الدراسات المشار إليها:

^{كيم، ي.، تشانغ، ج.، ليم، هـ.، جانغ، و.، كيم، دي واي، لي، دبليو واي، تشوي، و.، كيم، دي جي، لي، إس إتش، جونغ، إس كيه، بارك، جيه إتش، بارك، إس.، وكيم، جي واي (1). أغشية إلكتروليتية مقاومة للتعب لخلايا وقود غشائية إلكتروليتية بوليمرية متينة. المواد المتقدمة، 36(شنومكس)، شنومكس. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}