مجموعة نقل الهيدروجين: مستقبل الطاقة النظيفة في التنقل

في عالم مدفوع بشكل متزايد بالحاجة الملحة إلى تقليل انبعاثات غازات الدفيئة والانتقال إلى الطاقة الأنظف ، ظهرت تقنية توليد الطاقة الهيدروجين كمنافس قوي. نظرًا لأن الطلب على الحلول المستدامة ينمو عبر الصناعات مثل النقل والخدمات اللوجستية والطيران والبحرية ، فإن الهيدروجين يوفر مصدرًا متعدد الاستخدامات وقوي للطاقة. على عكس الوقود الأحفوري ، يمكن للهيدروجين تقديم إنتاج عالي الطاقة مع انبعاث أي شيء أكثر ضررًا من بخار الماء.

تتعمق هذه المدونة في عالم محرك القوة الهيدروجيني - ما هي عليه ، وكيف يعملون ، وتطبيقاتها ، ومزاياها ، والتحديات ، والآفاق المستقبلية. بحلول نهاية هذه المقالة ، ستفهم لماذا يرى العديد من الخبراء أن الهيدروجين بمثابة عمود حرجة في بناء نظام بيئي للطاقة المستدامة.

ما هو مجموعة نقل الهيدروجين؟

مجموعة نقل الهيدروجين هي نظام داخل مركبة تستخدم غاز الهيدروجين كمصدر رئيسي للطاقة للدفع. ويتضمن عادة خلية وقود تولد الكهرباء عن طريق رد فعل الهيدروجين كيميائيا مع الأكسجين. ثم يتم استخدام هذه الكهرباء لتشغيل محرك كهربائي ، مثلمحرك الشاحنة الكهربائيةتحريك السيارة.

الأهم من ذلك ، تختلف مجموعة نقل الحركة الهيدروجينية عن محركات الاحتراق الداخلي التقليدي (ICES) التي تعتمد على حرق البنزين أو الديزل. بدلاً من الاحتراق ، تعتمد مركبات الهيدروجين غالبًا على التفاعلات الكهروكيميائية التي تنتج الكهرباء بهدوء ، بكفاءة ، ودون إنتاج انبعاثات ضارة مثل CO₂ أو Nox أو الجسيمات.

يتكون مجموعة نقل الهيدروجين عمومًا من:

• مكدس خلايا الوقود (الجهاز الأساسي يولد الكهرباء)
• خزانات تخزين الهيدروجين عالية الضغط
• المحرك الكهربائي للدفع
• بطارية أو مكثفات فائقة إلى الطاقة العازلة
• وحدة التحكم في الطاقة لإدارة تدفق الكهرباء

تستخدم بعض النماذج التجريبية أيضًا الهيدروجين مباشرة في محركات الاحتراق الداخلي المعدلة لحرق غاز الهيدروجين بدلاً من البنزين. ومع ذلك ، لا تزال مثل هذه المحركات تنبعث منها كميات صغيرة من أكاسيد النيتروجين وأقل كفاءة من خلايا الوقود ، مما يجعل محلات توليد الطاقة القائمة على الوقود التركيز الأساسي للتطور في المستقبل.

كيف يعمل مجموعة نقل الحركة الهيدروجينية؟

على مستوى عالٍ ، تعمل مجموعة نقل الحركة الهيدروجينية عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية للهيدروجين إلى طاقة ميكانيكية دون احتراق. إليك عرض مفصل خطوة بخطوة:

1. تخزين الهيدروجين

تحمل السيارة غاز الهيدروجين المضغوط في خزانات مصممة خصيصًا وعالية الضغط مصنوعة من مركبات ألياف الكربون خفيفة الوزن. تعمل هذه الخزانات عادةً عند 700 بار (حوالي 10000 رطل) لسيارات الركاب وضغوط أقل قليلاً للحافلات والشاحنات. يعد ضمان التخزين الآمن وخفيف الوزن ودائم أمرًا ضروريًا لكل من الأداء والسلامة.

2. تشغيل خلايا الوقود

خلية الوقود هي قلب مجموعة نقل الهيدروجين. في الداخل ، تحدث عملية تعرف باسم التحويل الكهروكيميائي:

• يتم تغذية غاز الهيدروجين (H₂) في جانب الأنود من خلية الوقود.
• في الأنود ، يقسم محفز (غالبًا البلاتين) جزيئات الهيدروجين إلى بروتونات (H⁺) والإلكترونات (E⁻).
• يمر البروتونات عبر غشاء تبادل البروتون (PEM) إلى الكاثود.
• تنتقل الإلكترونات عبر دائرة خارجية ، مما يخلق تيارًا كهربائيًا يعمل على تشغيل محرك السيارة.
• في الكاثود ، إعادة تجميع البروتونات والإلكترونات والأكسجين (من الهواء المحيط) لتشكيل الماء (H₂O) كمنتج ثانوي غير ضار.
• يوفر هذا التفاعل النظيف الكهرباء بشكل مستمر طالما يتم توفير الهيدروجين.

3. تشغيل المحرك

يتم استخدام الكهرباء المتولدة من خلية الوقود لقيادة محرك الجر الكهربائي ، مثل المحركات الموجودة في المركبات الكهربائية للبطاريات (BEVS). في كثير من الحالات ، هناك أيضًا بطارية صغيرة أو مكثف فائق على متنها إلى:

• التقاط الطاقة من الكبح التجديدي.
• توفير قوة إضافية للتسارع.
• توازن متطلبات الطاقة أثناء الأحمال العابرة.

4. السيطرة على الطاقة

نظام إدارة الطاقة المتطور ينظم:

• الطاقة من خلية الوقود إلى المحرك.
• تبادل الطاقة بين البطارية والمحرك.
• التشغيل الأمثل لخلية الوقود في ظل ظروف قيادة مختلفة.

وبالتالي ، فإن العملية بأكملها من خزان الهيدروجين إلى عجلات الطريق هي سلسة وفعالة ، مما يؤدي إلى تجربة قيادة سلسة وقوية مع انبعاثات ذيل ضارة.

أنواع أنظمة توليد الطاقة الهيدروجين

يمكن تصنيف محطات نقل الهيدروجين بناءً على كيفية استخدام الهيدروجين لدفع السيارة. النوعان الرئيسيان هما:

1. مركبة كهربائية لخلايا الوقود الهيدروجينية (FCEV)

التركيز على التكنولوجيا الأولية لمعظم تطبيقات السيارات.

يتم تحويل الهيدروجين إلى الكهرباء من خلال خلية الوقود.

تعمل الكهرباء على محرك كهربائي.

بطارية صغيرة غالبًا ما تكسب خلية الوقود.

فقط المنتج الثانوي: بخار الماء.

أمثلة:

• تويوتا ميراي (اليابان)
• هيونداي نيكسو (كوريا الجنوبية)
• خلية وقود هوندا وضوح (الولايات المتحدة الأمريكية ، توقفت الآن)

المزايا:

• نظيفة جدا وفعالة.
• عملية هادئة.
• مدى أطول مقارنة مع BEVS.

2. محرك الاحتراق الداخلي للهيدروجين (H2-ICE)

تعديل محرك الاحتراق الداخلي التقليدي لحرق الهيدروجين بدلاً من البنزين.

تشبه ميكانيكيا محركات اليوم (المكابس ، العمود المرفقي ، إلخ).

ينتج انبعاثات أكاسيد النيتروجين ولكن لا يوجد co₂.

أقل كفاءة من FCEVs.

أمثلة:

• BMW Hydrogen 7 (النموذج الأولي سيدان الفاخر)
• مفهوم هيدروجين Gr Yaris Hydrogen (برنامج السباق) Toyota

المزايا:

• يستفيد من البنية التحتية للتصنيع والصيانة.
• انتقال أسرع للصناعات مثل النقل بالشاحنات أو الطيران حيث تكون الألفة الجليدية أمرًا بالغ الأهمية.
• على المدى الطويل ، تعتبر تكنولوجيا خلايا الوقود أكثر استدامة ، لكن محركات الجليد H2 قد تلعب دورًا انتقاليًا مهمًا في عمليات إزالة الكربون.

مزايا مجموعة نقل الهيدروجين

هناك العديد من الأسباب التي تجعل أنظمة توليد الطاقة الهيدروجين تجذب اهتمامًا كبيرًا على مستوى العالم:

1. انبعاثات الصفر الحقيقية

تنتج FCEVs الهيدروجين بخار الماء فقط أثناء التشغيل ، مما يؤدي إلى صفر ثاني أكسيد الكربون أو الهيدروكربونات أو انبعاثات الجسيمات. هذا يجعلها مثالية للمدن التي تقاتل تلوث الهواء والصناعات في إطار لوائح بيئية صارمة.

2. التزود بالوقود السريع

يستغرق ملء مركبة الهيدروجين نفس الوقت تقريبًا مثل التزود بالبنزين أو سيارة الديزل: 3-5 دقائق.
هذا يحل واحدة من أكبر عيوب المركبات الكهربائية للبطاريات (أوقات إعادة الشحن الطويلة) ، مما يجعل الهيدروجين جذابة للغاية للأساطيل التجارية التي تحتاج إلى أقصى قدر من وقت التشغيل.

3. نطاق القيادة أطول

توفر سيارات الهيدروجين الحالية من 400 إلى 500 ميل من نطاق القيادة على خزان واحد ، والذي يتجاوز معظم السيارات الكهربائية. هذه القدرة طويلة المدى أمر بالغ الأهمية لـ:

• النقل بالشاحنات الطويلة.
• حافلات النقل العام.
• السفر بين المدن.

4. تخزين الطاقة خفيفة الوزن

يتمتع الهيدروجين بطاقة محددة أعلى بكثير (طاقة لكل كيلوغرام) من البطاريات. هذا يعنى:

يمكن أن تحمل المركبات وزنًا أقل لنفس النطاق.

يتم الحفاظ على قدرة الحمولة النافعة للشاحنات والحافلات.

5. براعة

يمكن للهيدروجين أن يغذي كل شيء من السيارات المدمجة إلى الآلات الثقيلة والقطارات والسفن وحتى الطائرات.
وهذا يجعل محلاته الهيدروجين Powertrains حل عالمي لإزالة الكربون صناعات متعددة في وقت واحد.

6. استقلال الطاقة

يمكن إنتاج الهيدروجين محليًا من الماء باستخدام الكهرباء المتجددة (الطاقة الشمسية ، الرياح) ، مما يقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري المستورد.

التحديات التي تواجه تطور توليد القوة الهيدروجين

على الرغم من مزاياها العديدة ، لا تزال تكنولوجيا توليد الطاقة الهيدروجين تواجه عقبات كبيرة:

1. تحديات إنتاج الهيدروجين

حاليًا ، يتم إنتاج حوالي 95 ٪ من الهيدروجين من الغاز الطبيعي عن طريق إصلاح الميثان البخاري (SMR) ، الذي ينبعث منه CO₂.
لا يزال إنتاج الهيدروجين الأخضر - الهيدروجين المستمدة من الطاقة المتجددة من خلال التحليل الكهربائي - مكلفًا ، على الرغم من أنه من المتوقع أن تنخفض التكاليف بحلول عام 2030.

2. الفجوات في البنية التحتية

محطات التزود بالوقود الهيدروجيني محدودة:

• كاليفورنيا لديها ~ 50 محطة.
• ألمانيا تقود أوروبا مع حوالي 100 محطة.
• اليابان وكوريا الجنوبية تتوسع بسرعة الشبكات.

ومع ذلك ، فإن بناء البنية التحتية للتزود بالوقود الهيدروجيني الكامل سيتطلب استثمارًا كبيرًا.

3. التكاليف المرتفعة

تعتبر خلايا الوقود وخزانات الهيدروجين باهظة الثمن مقارنة بالبطاريات أو محركات الاحتراق ، ويرجع ذلك أساسًا إلى:

• استخدام المعادن الثمينة مثل البلاتين.
• عمليات التصنيع المعقدة.

على الرغم من أن التكاليف قد انخفضت بأكثر من 60 ٪ في العقد الماضي ، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من التخفيضات لجعل محركات القوة الهيدروجينية تنافسية.

4. عدم كفاءة الطاقة

يتضمن التنقل القائم على الهيدروجين تحويلات طاقة متعددة:

الكهرباء ← الهيدروجين ← الكهرباء ← الحركة. كل خطوة لها خسائر ، مما يجعل الهيدروجين أقل كفاءة في الطاقة من تخزين البطارية المباشر للمركبات قصيرة المدى.

5. الشكوك العامة

تستمر مخاوف السلامة بين العامين العامين ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى قابلية التشويش على الهيدروجين.
ومع ذلك ، فإن مركبات وخزانات الهيدروجين الحديثة آمنة للغاية واختبارها بدقة لتلبية معايير صارمة.

مقارنة لسيارة الهيدروجين والبطارية الليثيوم أيون الكهربائية

على الرغم من أن التقنيات الهيدروجينية والكهربائية قد تبدو في البداية مقاربات معاكسة تمامًا ، إلا أنها في الواقع أوضاع تكميلية للتنقل. النقاش حول "الهيدروجين أو السيارة الكهربائية؟" لا يقل عن اختيار أحدهم على الآخر وأكثر عن اختيار الحل الصحيح بناءً على استخدام ومتطلبات محددة للمركبة.

على سبيل المثال ، عندما يتعلق الأمر بالمركبات التجارية الخفيفة الوزن التي تتطلب سعة حمولة عالية ، يثبت الهيدروجين أنه مفيد بشكل خاص. على الرغم من حقيقة أن خزانات التخزين اللازمة لغاز الهيدروجين كبير نسبيًا ، إلا أنها لا تضيف وزنًا مفرطًا للسيارة ، مما يسمح لها بالحفاظ على توازن جيد بين سعة الحمل والكفاءة. إن مركبات الهيدروجين مناسبة بشكل خاص لعمليات الحلقة المكثفة والمغلقة-المواقف التي تتبع السيارة فيها مسارًا منتظمًا ومحطات التزود بالوقود يسهل الوصول إليها مباشرة أو حتى في مرافق الشركة. في مثل هذه الإعدادات ، يصبح التزود بالهيدروجين سريعًا ومريحًا وعمليًا للغاية.

من ناحية أخرى ، تم تصميم السيارات الكهربائية التي تعمل فقط بواسطة بطاريات الليثيوم أيون لتلبية احتياجات مجموعة واسعة من السائقين ومجموعة متنوعة من أنماط الاستخدام. إنها مناسبة لكل شيء بدءًا من الانتقال الحضري قصير المسافات إلى رحلات الطرق السريعة الطويلة. ومع ذلك ، بمجرد استنفاد البطارية ، يجب أن تحدث إعادة الشحن عن طريق الشبكة الكهربائية ، والتي عادة ما تستغرق المزيد من الوقت مقارنة بالتزود بالحيلة هيدروجين. ومع ذلك ، تستفيد السيارات الكهربائية من شبكة أكثر كثافة من محطات الشحن ، متوفرة في البيئات الخاصة - مثل المرائب المنزلية - وفي الأماكن العامة مثل مراكز التسوق ومواقف السيارات. علاوة على ذلك ، يمكن لأصحاب السيارات الكهربائية الجمع بسهولة بين مواقف السيارات الروتينية وشحن البطارية ، مما يجعل من السهل الحفاظ على المركبات مدعومة طوال اليوم.

في الختام ، فإن كل من تقنيات الهيدروجين والبطارية الكهربائية ليست في المنافسة بل تكمل بعضها البعض. إنهم يدعمون بشكل جماعي الانتقال نحو التنقل المستدام ، ويقدمون حلولًا يمكن تكييفها مع الاحتياجات المختلفة وأنماط القيادة والمطالب التشغيلية.

خاتمة

يوفر مجموعة متنور الهيدروجين واحدة من أكثر المسارات الواعدة نحو تحقيق قطاع نقل مستدام حقًا.
إن خصائصها للوقود السريع ، والانبعاثات الطويلة ، والصفر ، تجعلها مثالية للتطبيقات الشاقة ، والسفر بين المدن ، والصناعات التي يصعب إلغاء الكربون عبر البطاريات وحدها.

في حين أن التحديات تظل حول التكلفة والبنية التحتية والوعي العام ، فإن الزخم الكبير من الصناعة وصانعي السياسات يشير إلى أن ثورة الهيدروجين ليست مسألة إذا ، ولكن متى.

الأسئلة الشائعة حول محلات توليد الطاقة الهيدروجينية

Q1: هل المركبات التي تعمل بالهيدروجين آمنة؟
نعم ، مركبات الهيدروجين الحديثة آمنة للغاية ، مع خزانات مصممة لتحمل الرصاص والاصطدام والحرائق. أنظمة السلامة بسرعة تنفيس الهيدروجين بعيدا عن المقصورة في حالات الطوارئ.

س 2: كم يكلف التزود بالوقود في سيارة الهيدروجين؟
في الولايات المتحدة ، يكلف حوالي 15 إلى 20 دولارًا لكل كيلوغرام ، وعادةً ما تكلف إعادة التعبئة الكاملة 60 إلى 100 دولار اعتمادًا على حجم السيارة والتسعير المحلي.

س 3: أين يمكنني تزويد سيارة الهيدروجين؟
في المقام الأول في كاليفورنيا وألمانيا واليابان وكوريا الجنوبية. يتم تطوير محطات الهيدروجين الجديدة في أوروبا وأستراليا والصين وأجزاء من أمريكا الشمالية.

Q4: هل ستحل سيارات خلايا الوقود الهيدروجينية محل السيارات الكهربائية للبطارية؟
ليس بالكامل - ستعايش كلتا التقنيتين. الهيدروجين أكثر ملاءمة للاستخدامات الطويلة والتجارية والصناعية ؛ BEVS هي الأفضل للنقل الشخصي والمدينة.

س 5: ما هي الشركات التي تقود تطوير توليد الطاقة الهيدروجين؟
تعد Toyota و Hyundai و Plug Power و Ballard Power Systems و Airbus مبتكرين رئيسيين في تقنيات تنقل الهيدروجين.

اقرأ المزيد:ما هو الفرق بين مجموعة القيادة EV وتوريد القوة في السيارة الكهربائية؟