سباق تصفير الانبعاثات.. هل ستنتشر السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود؟

مشاريع طاقة الهيدروجين لمصنعي السيارات التي تكتسب زخما

في الثاني من شهر فبراير/شباط، عقدت شركة هوندا مؤتمرا صحفيا بعنوان ”حول مبادرات مشاريع طاقة الهيدروجين“، وكشفت عن خطط لإطلاق سيارة قامت بتطويرها حديثا وتعمل بخلايا الوقود (FCEV، وتُسمى أيضا باسم ”FCV“) في اليابان وأمريكا الشمالية في عام 2024. في اجتماع ركز بشكل أساسي على استراتيجية عمل خلايا الوقود الخاصة بصانع السيارات للمستقبل، كشفت هوندا عن تغليف الكروس الصغير، مع مجموعة خلايا الوقود ومحرك الدفع الكهربائي تحت غطاء المحرك وفوق العجلات الأمامية، على غرار المقصورة الداخلية الاحتراق CR-V. سيظهر خزان الهيدروجين أسفل المقعد الخلفي، وآخر فوق المحور الخلفي وأمامه مباشرة – كلاهما موقعان جيدان من منظور سلامة التصادم. تظهر ”وحدة الطاقة الذكية“ بدلاً من عمود محرك CR-V الذي يعمل بالغاز، حيث تجمع بطارية وعاكس كهربائي وعناصر تحكم في مجموعة نقل الحركة معًا في وحدة واحدة.

وعملت الشركة على تطوير نظام خلايا الوقود من الجيل المستقبلي بشكل مشترك مع شركة جنرال موتورز (GM) الأمريكية منذ عام 2013، وسيتم تجهيز سيارات خلايا الوقود التي سيبدأ بيعها في العام المقبل بنظام خلايا الوقود الذي تم تطويره بشكل مشترك.

قامت شركة هوندا التي تعمل في مجال البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا الهيدروجين وسيارات خلايا الوقود لأكثر من ثلاثين عاما بإنتاج خمس طرازات من سيارات خلايا الوقود حتى الآن، منذ تطوير أول نموذج أولي في عام 1998، ولكن كان كل منها مخصصة للبحث والتطوير أو الإيجار، ولم يتم بيعها لعامة الناس.

ولكن من المحتمل أن يتم بيع الطراز الجديد من سيارات خلايا الوقود الذي سيصدر في عام 2024 على نطاق واسع لعامة الناس. وإذا حدث ذلك، قد تكون ”رابع سيارة يمكن اقتناؤها في اليابان“، بعد الجيل الأول لسيارة ميراي (MIRAI) من شركة تويوتا اليابانية (عام 2014، 7,236,000 ين)، والجيل الثاني من نفس السيارة (عام 2020، من 7,106,000 ين إلى 8,600,000 ين)، وسيارة نيكسو من شركة هيونداي الكورية (عام 2022، 7,768,300 ين) (بين قوسين سنة الإصدار والسعر مع الضريبة. أصدرت شركة مرسيدس بنز أيضا سيارة GLC F-CELL في عام 2019. ولكن لم يكن هذا سوى بيع إيجار، حيث أعيدت السيارات بعد أربع سنوات).

الطراز الحالي للجيل الثاني لسيارة ”ميراي“ من تويوتا. مسافة السير القصوى المعلنة من قبل الشركة المصنعة هي 850 كم (الصورة: شركة تويوتا للسيارات)

إن خلية الوقود هي نوع من أجهزة توليد الطاقة التي تستخدم تفاعلا كيميائيا للحصول على الماء والكهرباء عن طريق الدمج بين الهيدروجين والأكسجين. فقد يكون هناك من تعلم في مادة العلوم في المدرسة الإعدادية أنه يمكن الفصل بين الهيدروجين والأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء، ويمكن التفكير في هذا الأمر على أنه مبدأ لخلية الوقود للحصول على الكهرباء عن طريق إحداث رد فعل عكسي.

في حالة سيارة خلية الوقود، يتم تخزين الهيدروجين كوقود في خزان عالي الضغط مركب على السيارة، ويتفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء لتوليد الكهرباء. ويتم تزويد المحرك بهذه الطاقة الكهربائية للمحرك للحصول على القوة الدافعة. ونتيجة التفاعل الكيميائي هو الكهرباء والماء فقط، ولا ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون، لذلك فإن هذه السيارة تلفت الانتباه كواحدة من السيارات المستقبلية البيئية التي ستساعد في تحقيق مجتمع محايد للكربون.

وحدة خلية وقود سيارة ”ميراي“. الدفع بالعجلات الخلفية بقوة 134 كيلوواط (182 حصان) الصورة: شركة تويوتا للسيارات

الاختلاف بين السيارة الكهربائية وسيارة خلايا الوقود وإمكانية التعايش بينهما

إن عدد السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية (BEV، وتسمى أيضا باسم ”EV“) والتي تعمل بالكهرباء المشحونة في البطارية آخذ في الارتفاع حاليا في جميع أنحاء العالم. وعلى الرغم من أن نسبة كل السيارات الكهربائية الجديدة المباعة في عام 2022 قد توقفت عند 1.7% (0.6%) في اليابان، فقد بلغت 12.1% (9.1%) في أوروبا، و5.9% (3.2%) في الولايات المتحدة، و20% (11%) في الصين، حيث تزداد أهميتها سنة بعد سنة (الأعداد بين قوسين هي نسب عام 2021).

من المتوقع أيضا أن تساهم السيارات الكهربائية في تحقيق مجتمع محايد للكربون مثل السيارات عديمة الانبعاثات التي لا تصدر غاز ثاني أكسيد الكربون أثناء القيادة، ولكن غالبا ما يُشار إلى أن نقص مرافق الشحن (البنية التحتية) هو عائق أمام انتشار تلك السيارات. لذلك، هل هناك حقا معنى من نشر سيارات خلايا الوقود بالإضافة إلى السيارات الكهربائية يا ترى؟

إن أكبر ميزة لسيارات خلايا الوقود هي أنها تستغرق من ثلاث إلى خمس دقائق لتجديد الطاقة، وهو نفس الوقت لدى السيارات ذات المحرك، وأقصر بكثير من الوقت الذي تحتاجه السيارات الكهربائية. وبالإضافة إلى ذلك، نظرا لأن كثافة طاقة الهيدروجين أعلى من كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بالسيارات الكهربائية، فمن السهل نسبيا زيادة مسافة السير القصوى.

وعلاوة على ذلك، بالمقارنة مع السيارات الكهربائية التي تستخدم كمية كبيرة من الموارد في باطن الأرض مثل الليثيوم والكوبالت، فإن سيارات خلايا الوقود تستخدم حوالي 1/50 من تلك المواد، وهذا أمر رائع من وجهة نظر الاستدامة.

بالمقابل، فإن أحد عيوب سيارات خلايا الوقود هو انخفاض كفاءة الطاقة مقارنة بالسيارات الكهربائية.

فوفقا لبحث تم نشره في عام 2001 من قبل الدكتور ماكس أومان من جامعة لوند في السويد، فإن كفاءة الطاقة في السيارات الكهربائية تبلغ حوالي 61%، بينما لا تتجاوز 34% لدى سيارات الوقود، و14% لدى سيارات المحرك العامة. وأحد العيوب الأخرى لدى سيارات خلايا الوقود هو أن خزانات الضغط العالي التي تخزن الهيدروجين تميل إلى أن تكون كبيرة، مما يجعل من الصعب تطبيقها على السيارات صغيرة الحجم.

وبالنظر إلى هذه المزايا والعيوب، تُعد سيارات خلايا الوقود مناسبة نسبيا للمركبات الكبيرة التي غالبا ما تسافر لمسافات طويلة، في حين أنه من المعروف بشكل عام أن السيارات الكهربائية صغيرة ومناسبة لركاب المدينة الذين يستخدمونها بشكل أساسي في المناطق الحضرية. بعبارة أخرى، فإن سيارات خلايا الوقود والسيارات الكهربائية ليستا في علاقة تفوق أو دونية، ولكن في علاقة يكمل كل منهما فيها الآخر.

ومزايا التعايش بين السيارات الكهربائية وسيارات خلايا الوقود توجد أيضا في البنية التحتية.

سيارة ”iX5 Hydrogen“ التي بدأت بي إم دبليو بإنتاجها على نطاق صغير في شهر ديسمبر/كانون الأول من عام 2022 الصورة:بي إم دبليو

أشارت شركة بي إم دبليو التي أقامت مؤخرا فعالية دولية في بلجيكا لتجربة قيادة سيارة خلايا الوقود الجديدة ”iX5 Hydrogen“ إلى احتمال أن الاعتماد فقط على السيارات الكهربائية عديمة الانبعاثات سيتطلب استثمارات أكبر في البنية التحتية.

ففي الإحصائية التي تم إجراؤها في ألمانيا، تبين أنه على الرغم من تجاوز عدد السيارات الكهربائية عشرين مليون سيارة، وأنه من المفترض أن يتم بيع عدة ملايين من سيارات خلايا الوقود، فإنه إذا ركزنا على السيارات الكهربائية، فسيكون من الضروري تعزيز شبكات نقل الطاقة الكهربائية، الأمر الذي سيتطلب استثمارات ضخمة في البنية التحتية. وفي هذا الصدد، يُعتقد أن الشروط الأساسية لليابان هي نفسها.

وبالإضافة إلى ذلك، أشارت شركة بي إم دبليو إلى أنه من السهل نسبيا بناء محطات شحن السيارات الكهربائية في المناطق الحضرية التي تتوفر على شبكات نقل الطاقة الكهربائية، ولكن في المناطق الريفية حيث المسافة بين المدن واسعة، فإن بناء محطات الهيدروجين أكثر فعالية من حيث التكلفة.

وعلاوة على ذلك، فإن صعوبة تركيب مرافق الشحن في المباني السكنية في ظل الظروف الحالية هو عيب يعيق انتشار السيارات الكهربائية، وبما أن الوقت الذي يتطلبه تزويد سيارات خلايا الوقود به قصير، فإنه يمكن استخدامها بحس قريب من سيارات المحرك الحالية التي يتم تزويدها بالوقود في محطات الوقود. ومن وجهة النظر هذه، يمكن أن تكون سيارات خلايا الوقود سيارات عديمة الانبعاثات وسهلة الاستخدام حتى للمستخدمين في المناطق الحضرية.

وقامت شركة تويوتا للسيارات بتصنيع نموذج تجريبي لمركبة مجهزة بمحرك هيدروجين يستخدم الهيدروجين كوقود لمحرك الاحتراق الداخلي، وتشارك في سباق سلسلة سوبر تايكيو في اليابان بهذه السيارة. وعلى الرغم من أن سيارات خلايا الوقود وسيارات محركات الهيدروجين تستخدم نفس الهيدروجين كمصدر للطاقة، ولكن مبدأ عملها مختلف تماما.

وأيضا، فيما يتعلق بسيارات محرك الهيدروجين، قامت شركتا بي إم دبليو ومازدا بعمليات البحث والتطوير في الماضي، ولكن في الوقت الحالي تقوم شركة تويوتا فقط بتنفيذ عمليات تطوير بارزة. وبالمقارنة مع هذا، فإن شركات تويوتا وهوندا وGM وهيونداي وغيرها تعمل بنشاط على تطوير سيارات خلايا الوقود، بالإضافة إلى قيام رابع أكبر تحالف للسيارات في العالم، والذي يضم ما مجموعه 14 شركة سيارات مثل شركة جيب وشركة بيجو وغيرها، ومجموعة ستيلانتس لصناعة السيارات أيضا بإظهار موقف إيجابي تجاه تطوير سيارات خلايا الوقود كقيامها بالحصول على أسهم شركة سيمبيو الفرنسية لصناعة خلايا الوقود.

سيارة ”Corolla H2 Concept“ التي تشارك في سباق سلسلة سوبر تاكيو منذ عام 2021. تتطور سنة بعد سنة ويتحسن زمن الالتفاف الصورة: شركة تويوتا للسيارات

مساهمة طاقة الهيدروجين في الصناعة

حتى الآن قمنا بمناقشة طاقة الهيدروجين كمصدر للطاقة لسيارات الركاب، ولكن هذا ليس سوى جانب واحد من صناعة الهيدروجين المستقبلية.

فوفقا لـ ”استراتيجية النمو الأخضر المترافقة مع حياد الكربون لعام 2050“ التي أعلنت عنها الحكومة اليابانية في عام 2021، تم إدراج صناعة الهيدروجين كواحدة من خطط تنفيذ الصناعات المتعلقة بالطاقة جنبا إلى جنب مع صناعة الرياح البحرية وصناعة وقود الأمونيا.

وعلى وجه التحديد، يعد الهيدروجين ”تقنية رئيسية خالية من الكربون تُستخدم على نطاق واسع في توليد الطاقة، والصناعة، والنقل وغير ذلك“. وفي هذا المجال ”تأخذ اليابان زمام المبادرة، وتقوم أوروبا وكوريا الجنوبية أيضا بصياغة الاستراتيجيات وتحذوان حذوها“. ويتم السعي إلى ”اعتباره كمورد جديد، وإدخاله في صناعات واسعة، وليس فقط استخدامه في السيارات في المستقبل“. بمعنى آخر، تُستخدم طاقة الهيدروجين على نطاق واسع في المجتمع، وسيارات خلايا الوقود ليست سوى جزءا من ذلك.

والسبب الذي يجعل الحكومة اليابانية متحمسة جدا لاستخدام الهيدروجين هو أنه من السهل تخزينه ونقله مقارنة مع الكهرباء. فعندما تنتقل الكهرباء لمسافات طويلة، تحدث خسائر على طول الطريق، لذا فإن ”نقل الطاقة“ لمسافات طويلة لعدة آلاف من الكيلومترات على سبيل المثال هو شيء غير واقعي. كما أن البطاريات ضرورية لتخزين الطاقة، وهو أمر مكلف للغاية أيضا.

ومن ناحية أخرى، فإن الهيدروجين أسهل من حيث التخزين والنقل مقارنة مع الكهرباء. وهذا له أهمية كبيرة للغاية في التغلب على نقاط الضعف في مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية.

وكما هو معروف جيدا، سواء كان الأمر يتعلق بتوليد طاقة الرياح أو توليد الطاقة الشمسية، فإن الوقت الذي يمكن فيه توليد الطاقة ووقت الطلب عليها لا يتطابقان دائما بالضرورة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن المناطق المفيدة لتوليد طاقة الرياح وتوليد الطاقة الشمسية ليست بالضرورة مناطق ذات طلب مرتفع على الطاقة.

ومن وجهة النظر هذه، يتم التفكير بالقيام بالتحليل الكهربائي للمياه باستخدام الكهرباء التي يتم الحصول عليها من توليد طاقة الرياح أو توليد الطاقة الشمسية، وتخزين الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه من ذلك، ونقله إلى منطقة استهلاك بعيدة.

تصور لاستخدام طاقة الهيدروجين، قامت برسمه شركة هوندا التي تسعى إلى تحقيق الحياد الكربوني في جميع منتجات وأنشطة الشركة بحلول عام 2050. الصورة: هوندا.

وقد تم بالفعل إطلاق العديد من البرامج لنقل الهيدروجين المكرر في أستراليا إلى اليابان، بما في ذلك الهيدروجين المكرر باستخدام الطاقة الشمسية. بعبارة أخرى، يجذب الهيدروجين الاهتمام باعتباره ”حاملا للواء الطاقة“ المتجددة التي يتم استيرادها بسعر رخيص نسبيا.

ولهذا السبب، فإن شركة هوندا التي أعلنت مؤخرا عن مشاريعها في مجال الهيدروجين، لديها تصور للتوسع في مشاريع أنظمة خلايا الوقود من الجيل الثاني التي طورتها مع شركة GM لتشمل صناعات مختلفة. وبمعنى آخر، من خلال توصيل وحدات متعددة من نظام خلايا الوقود التي تم تطويرها بشكل متوازٍ وفقا للاستخدام، فمن المتوقع أن يتم استخدامها للشاحنات الكبيرة وآلات البناء وحتى مصادر الطاقة الثابتة على سبيل المثال.

وقيام شركة هوندا بتخفيض التكلفة بالمقارنة مع الجيل المعتاد إلى أقل من الثلث، وزيادة المتانة إلى أكثر من الضعف من أجل التوافق مع هذه الأغراض المختلفة للاستخدام، هي الميزة الرئيسية لنظام خلايا الوقود من الجيل المستقبلي التي أعلنت عنها شركة هوندا في هذه المرة.

وفيما يتعلق بالتحول لاستخدامها في شاحنات كبيرة، تقوم شركة تويوتا وشركة بي إم دبليو بالمضي قدما في الخطط أيضا.

وعلى أي حال، بينما ستكون السيارات الكهربائية هي الاتجاه السائد للسيارات عديمة الانبعاثات في المستقبل، أود أن يتم استخدام خلايا الوقود على نطاق واسع في سيارات الركاب الكبيرة والشاحنات الكبيرة ومعدات البناء وما إلى ذلك. وعلاوة على ذلك، فإن الطريقة الأكثر واقعية هي بناء مجتمع خالٍ من الانبعاثات بكفاءة.

(النص الأصلي باللغة اليابانية، صورة العنوان الرئيسي: نظام خلايا الوقود من الجيل المستقبلي المثبت في سيارات خلايا الوقود (السيارة الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود) التي أعلنت شركة هوندا عن البدء ببيعها في أمريكا الشمالية واليابان في عام 2024، وكبير المديرين التنفيذيين أوياما شينجي (في الوسط) وآخرون يتم تصويرهم، جيجي برس)