تشغيل السيارات باستخدام الهيدروجين: نظرة على مهمة الهند الوطنية للهيدروجين

أعلنت الهند عن مهمة وطنية للهيدروجين ستضع خارطة طريق لاستخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة. المبادرة لديها القدرة على تحويل النقل.

سيارة تويوتا ميراي المجددة التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين ، والتي تظهر الهندسة تحت غطاء المحرك ، معروضة في حفل إطلاقها في طوكيو في ديسمبر 2020 (الصورة: رويترز)

لطالما كانت الهند محركًا بطيئًا في تقنيات السيارات الكهربائية الحدودية (EV) ، فقد حققت دخولًا مبكرًا بشكل غير معهود في السباق للاستفادة من إمكانات الطاقة لأكثر العناصر وفرة في الكون ، الهيدروجين. بعد أقل من أربعة أشهر من إعلان وزارة الطاقة الأمريكية عن استثمار يصل إلى 100 مليون دولار في أبحاث وتطوير تقنيات خلايا الوقود وإنتاج الهيدروجين ، أعلنت الهند عن مهمة هيدروجين وطنية.

أشار المسؤولون الحكوميون إلى أن الاقتراح في الميزانية ستتم متابعته بمسودة مهمة على مدى الشهرين المقبلين - خارطة طريق لاستخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة ، مع التركيز بشكل خاص على الهيدروجين الأخضر ، بما يتوافق مع قدرة الهند المتجددة المتنامية مع اقتصاد الهيدروجين. .

وبينما تشمل قطاعات الاستخدام النهائي المقترحة الصلب والمواد الكيميائية ، فإن الصناعة الرئيسية التي يمكن للهيدروجين تحويلها هي النقل - الذي يساهم بثلث جميع انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، وحيث يُنظر إلى الهيدروجين على أنه بديل مباشر للوقود الأحفوري ، مع مزايا محددة على المركبات الكهربائية التقليدية.

وهناك عدد قليل من الطيارين المرتبطين بالتنقل قيد التنفيذ بالفعل.

في أكتوبر ، أصبحت دلهي أول مدينة هندية تشغل حافلات تعمل بالغاز الطبيعي المضغوط المسنن بالهيدروجين (H-CNG) في مشروع تجريبي مدته ستة أشهر. ستعمل الحافلات على تقنية جديدة حاصلة على براءة اختراع من قبل Indian Oil Corp لإنتاج H-CNG - 18 في المائة من الهيدروجين في CNG - مباشرة من الغاز الطبيعي ، دون اللجوء إلى المزج التقليدي.

تقوم شركة Power major NTPC Ltd بتشغيل 10 حافلات كهربائية تعمل بخلايا وقود الهيدروجين وسيارات كهربائية تعمل بخلايا الوقود في ليه ودلهي ، وتفكر في إنشاء منشأة لإنتاج الهيدروجين الأخضر في ولاية أندرا براديش.

تخطط اللجنة الأولمبية الدولية أيضًا لإنشاء وحدة مخصصة لإنتاج الهيدروجين لتشغيل الحافلات في مركز البحث والتطوير في فريد آباد.

كإطار تنظيمي داعم ، أصدرت وزارة النقل البري والطرق السريعة في أواخر العام الماضي إخطارًا يقترح تعديلات على القواعد المركزية للسيارات ، 1989 ، لتشمل معايير تقييم السلامة للمركبات القائمة على خلايا وقود الهيدروجين.

لماذا الهيدروجين - وأنواعه

تتمتع إمكانات الهيدروجين كمصدر وقود نظيف بتاريخ يمتد لما يقرب من 150 عامًا. في عام 1874 ، وضع كاتب الخيال العلمي Jules Verne رؤية متبصرة في The Mysterious Island - لعالم حيث سيتم استخدام الماء يومًا ما كوقود ، فإن الهيدروجين والأكسجين اللذين يتكونان منه ، يستخدمان منفردًا أو معًا ، سيوفران مصدرًا لا ينضب من الحرارة والضوء اللذان لا يقدر الفحم على حدتهما.

في عام 1937 ، استخدمت سفينة الركاب الألمانية LZ129 هيندنبورغ وقود الهيدروجين للطيران عبر المحيط الأطلسي ، لتنفجر فقط أثناء الالتحام في محطة ليكهورست الجوية البحرية في نيوجيرسي ، مما أسفر عن مقتل 36 شخصًا. في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، ساعدت خلايا وقود الهيدروجين في دفع بعثات أبولو التابعة لوكالة ناسا إلى القمر.

بعد صدمات أسعار النفط في السبعينيات ، تم النظر بجدية في إمكانية استبدال الهيدروجين للوقود الأحفوري. ومنذ ذلك الحين ، تحركت ثلاث شركات تصنيع سيارات - هوندا وتويوتا اليابانية ، وهيونداي الكورية الجنوبية - بشكل حاسم في اتجاه تسويق التكنولوجيا ، وإن كان ذلك على نطاق محدود.

العنصر الأكثر شيوعًا في الطبيعة غير موجود بحرية. يوجد الهيدروجين فقط مع عناصر أخرى ، ويجب استخراجه من المركبات التي تحدث بشكل طبيعي مثل الماء (وهو مزيج من ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة). على الرغم من أن الهيدروجين جزيء نظيف ، إلا أن عملية استخراجه تستهلك الكثير من الطاقة.

يتم تصنيف المصادر والعمليات التي يتم من خلالها اشتقاق الهيدروجين من خلال علامات التبويب الملونة. يسمى الهيدروجين المنتج من الوقود الأحفوري الهيدروجين الرمادي. هذا يشكل الجزء الأكبر من الهيدروجين المنتج اليوم. يسمى الهيدروجين المتولد من الوقود الأحفوري مع خيارات احتجاز الكربون وتخزينه بالهيدروجين الأزرق ؛ يسمى الهيدروجين المتولد بالكامل من مصادر الطاقة المتجددة بالهيدروجين الأخضر. في العملية الأخيرة ، يتم استخدام الكهرباء المولدة من الطاقة المتجددة لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

حالة الهيدروجين الأخضر

الهيدروجين الأخضر له مزايا محددة. الأول ، هو جزيء احتراق نظيف ، يمكنه إزالة الكربون من مجموعة من القطاعات بما في ذلك الحديد والصلب والمواد الكيميائية والنقل. ثانيًا ، يمكن توجيه الطاقة المتجددة التي لا يمكن تخزينها أو استخدامها بواسطة الشبكة لإنتاج الهيدروجين.

هذا ما تهدف إليه مهمة الطاقة الهيدروجينية الحكومية ، المقرر إطلاقها في 2021-22. تعتمد شبكة الكهرباء في الهند في الغالب على الفحم وستستمر كذلك ، مما يؤدي إلى إبطال الفوائد الجانبية الناتجة عن دفع EV على نطاق واسع - حيث سيتعين حرق الفحم لتوليد الكهرباء التي ستشغل هذه المركبات. في العديد من البلدان التي بدأت في دفع السيارات الكهربائية ، يتم توليد الكثير من الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة - في النرويج على سبيل المثال ، يتم توليد 99 في المائة من الطاقة الكهرومائية. يعتقد الخبراء أن مركبات الهيدروجين يمكن أن تكون فعالة بشكل خاص في النقل بالشاحنات لمسافات طويلة وغيرها من القطاعات التي يصعب توصيلها بالكهرباء مثل الشحن والسفر الجوي لمسافات طويلة. قد يؤدي استخدام البطاريات الثقيلة في هذه التطبيقات إلى نتائج عكسية ، خاصة بالنسبة لبلدان مثل الهند ، حيث تعمل شبكة الكهرباء في الغالب على الفحم.

كيف تعمل خلايا وقود الهيدروجين

تركز كوريا الجنوبية واليابان بشكل خاص على نقل أسواق السيارات الخاصة بهم إلى الهيدروجين ، وإمكانات خلية الوقود. ما هي خلية الوقود؟

الهيدروجين هو ناقل للطاقة وليس مصدرا للطاقة. يجب تحويل وقود الهيدروجين إلى كهرباء بواسطة جهاز يسمى مكدس خلايا الوقود قبل استخدامه لتشغيل سيارة أو شاحنة. تقوم خلية الوقود بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية باستخدام عوامل مؤكسدة من خلال تفاعل الأكسدة والاختزال. تجمع المركبات القائمة على خلايا الوقود بشكل شائع بين الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء لتشغيل المحرك الكهربائي على متنها. نظرًا لأن المركبات التي تعمل بخلايا الوقود تستخدم الكهرباء للتشغيل ، فإنها تعتبر مركبات كهربائية.

داخل كل خلية وقود فردية ، يُسحب الهيدروجين من خزان مضغوط على ظهر السفينة ويتم تصنيعه للتفاعل مع محفز ، عادة ما يكون مصنوعًا من البلاتين. عندما يمر الهيدروجين عبر المحفز ، يتم تجريده من إلكتروناته ، والتي تضطر للتحرك على طول دائرة خارجية ، مما ينتج عنه تيار كهربائي. يستخدم المحرك الكهربائي هذا التيار لتشغيل السيارة ، والمنتج الثانوي الوحيد هو بخار الماء.

سيارات خلايا الوقود الهيدروجينية لها بصمة كربونية قريبة من الصفر. الهيدروجين أكثر كفاءة من حرق البنزين مرتين إلى ثلاث مرات ، لأن التفاعل الكيميائي الكهربائي أكثر كفاءة من الاحتراق.

نضم الان :شرح اكسبرس قناة برقية

FCEVs والمركبات الكهربائية الأخرى

عادةً ما يتم تصنيف المركبات الكهربائية (EVs) بين قوسين في أربع فئات رئيسية:

* تجمع المركبات الكهربائية الهجينة التقليدية أو السيارات الهايبرد مثل تويوتا كامري بين نظام محرك الاحتراق الداخلي التقليدي ونظام الدفع الكهربائي ، مما ينتج عنه محرك هجين يقلل بشكل كبير من استخدام الوقود. يتم شحن البطارية الموجودة على متن السيارة الهجينة التقليدية عندما يقوم محرك IC بتشغيل مجموعة نقل الحركة.

* تحتوي المركبات الهجينة التي تعمل بالكهرباء أو PHEVs مثل شيفروليه فولت أيضًا على محرك هجين يستخدم محرك IC والطاقة الكهربائية للطاقة المحركة ، مدعومة ببطاريات قابلة لإعادة الشحن يمكن توصيلها بمصدر طاقة.

* لا تحتوي السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أو BEVs مثل Nissan Leaf أو Tesla Model S على محرك IC أو خزان وقود ، وتعمل على مجموعة نقل كهربائية بالكامل تعمل ببطاريات قابلة لإعادة الشحن.

* تستخدم المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود أو سيارات FCEV مثل ميراي تويوتا وهوندا ونكسو هيونداي غاز الهيدروجين لتشغيل محرك كهربائي على متنها. تجمع FCEVs بين الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء التي تدير المحرك. نظرًا لأنها تعمل بالكهرباء بالكامل ، تُعتبر FCEVs مركبات كهربائية ، ولكن على عكس BEVs ، فإن نطاقها وعمليات إعادة التزود بالوقود الخاصة بها يمكن مقارنتها بالسيارات والشاحنات التقليدية.

الفرق الرئيسي بين BEV و FCEV الهيدروجين هو أن الأخير يتيح وقتًا لإعادة التزود بالوقود لمدة خمس دقائق فقط ، مقارنة بـ 30-45 دقيقة لشحن BEV. أيضًا ، يحصل المستهلكون على تخزين طاقة أفضل بخمس مرات لكل وحدة حجم ووزن ، مما يوفر مساحة كبيرة لأشياء أخرى ، مع السماح للراكب بالذهاب لمسافة أبعد.

مشكلة الكتلة الحرجة

على الرغم من وعدها ، إلا أن تكنولوجيا الهيدروجين لم يتم تطويرها بعد. وصف إيلون ماسك ، الرئيس التنفيذي لشركة تسلا ، تكنولوجيا خلايا الوقود بأنها غبية بشكل مذهل.

على الصعيد العالمي ، كان هناك أقل من 25000 مركبة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين على الطريق في نهاية عام 2020 ؛ وبالمقارنة بلغ عدد السيارات الكهربائية 8 ملايين.

كان العائق الكبير أمام اعتماد مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية هو الافتقار إلى البنية التحتية لمحطة الوقود - تزود سيارات خلايا الوقود بالوقود بطريقة مماثلة للسيارات التقليدية ، ولكن لا يمكنها استخدام نفس المحطة. يوجد أقل من 500 محطة هيدروجين عاملة في العالم اليوم ، معظمها في أوروبا ، تليها اليابان وكوريا الجنوبية. يوجد البعض في أمريكا الشمالية.

تعتبر السلامة مصدر قلق. يتم ضغط الهيدروجين وتخزينه في خزان تبريد ، ومن هناك يتم تغذيته إلى خلية ضغط منخفض ويتم إدخاله من خلال تفاعل كيميائي كهربائي لتوليد الكهرباء. تقول هيونداي وتويوتا إن سلامة وموثوقية خزانات وقود الهيدروجين مماثلة لتلك الخاصة بمحركات الغاز الطبيعي المضغوط القياسية.

لا يزال توسيع نطاق التكنولوجيا وتحقيق الكتلة الحرجة يمثلان التحدي الأكبر. المزيد من المركبات على الطريق والمزيد من البنية التحتية الداعمة يمكن أن يخفض التكاليف. يُنظر إلى مهمة الهند المقترحة على أنها خطوة في هذا الاتجاه.

شارك الموضوع مع أصدقائك: