عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء

نموذج أوَّلي لمركبة أنتجتها الشركة جنرال موتورز
تعمل بخلايا الوقود الهدروجيني وتقاد بواسطة أسلاك، وهذا النموذج محمول على
رافعة ومجرَّد من كل شيء عدا الأجزاء الضرورية للعمل ـ والنموذج قاعدة chassis
على شكل «لوح تزلج» يحتوي على مكدس من خلايا الوقود ومحرك كهربائي وأجهزة تحكم
إلكترونية يمكن برمجتها.

إعادة النظر في قوة دفع السيارة^(***)

لفهم ما
قد يجعل من هذه التقانة ثورة، علينا أن ننظر إلى طريقة تشغيل المركبات التي
تعتمد على خلايا الوقود، والتي هي في الأصل مركبات ذات قوة دفع كهربائي. فبدلاً
من البطارية (المدخرة) الكهروكيميائية يستمد المحرك قدرته من وحدة خلية الوقود
(انظر الشكل في الصفحة المقابلة). وتتولد الكهرباء عندما تُنزَع الإلكترونات من
الوقود الهدروجيني الذي يمر عبر غشاء في الخلية. ويُشَغل التيار الناتج المحرك
الكهربائي الذي يحرك العجلات. بعد ذلك تتحد پروتونات الهدروجين مع الأكسجين
والإلكترونات لتكوين الماء. وعند استخدام الهدروجين النقي نحصل على مركبة تعمل
بخلايا وقود لا تصدر أي انبعاثات.

ومع أن
استخراج الهدروجين من المواد يستهلك قدرا من الطاقة، سواء بتحسين تحويل⁽¹⁾ reforming جزيئات
الهدروكربون باستخدام المحفزات أو بالتحليل الكهربائي للماء، فإن الكفاءة
العالية لخلايا الوقود من شأنها تعويض الطاقة المستهلكة لإتمام تلك العمليات،
كما سنوضح لاحقا. وبالطبع لا بد أن تأتي هذه الطاقة من مكان ما. فبعض مصادر
التوليد، مثل معدات الطاقة المستخدمة في حرق الغاز الطبيعي والنفط والفحم، تنتج
ثنائي أكسيد الكربون وغيره من غازات الدفيئة. وبعضها الآخر، بما في ذلك المنشآت
النووية، لا تبعث هذا الغاز. لذا يجب أن يكون الهدف الأسمى هو توليد الكهرباء من
مصادر متجددة مثل طاقة الكتلة الحيوية biomass أو الطاقة الكهرومائية أو الشمسية أو الطاقة
المستمدة من الرياح أو الطاقة الحرارية الصادرة عن الأرض.

وبتبني
الهدروجين وقودا للسيارات يمكن لصناعة وسائل النقل أن تبدأ بالتحول من الاعتماد
شبه الكلي على البنزين، إلى الاعتماد على مزيج من مصادر الوقود. إن 98% من
الطاقة المستخدمة حاليا في تشغيل السيارات مستمدة من البنزين. ونتيجة لذلك خصصت
الولايات المتحدة نحو ثلثي كمية النفط الذي تستورده لوسائل النقل. وبإضافة مصادر
أخرى للطاقة غير الوقود الأحفوري يمكن للولايات المتحدة أن تقلل من الاعتماد على
النفط المستورد، وتعكف على تنمية مصادر الطاقة المحلية الأكثر صداقة للبيئة.
وهذه الجهود من شأنها أن تُدخل المنافسة في تسعير الطاقة، مما قد يقلل من تكاليف
الوقود والطاقة ويجعلها تستقر على المدى الطويل.

التجديد في تصميم المركبات^(****)

هناك سبيل
آخر لإنتاج مركبة تمثل ثورة بحق، ألا وهو مكاملة خلية الوقود بتقانة تعتمد على
الأسلاك⁽²⁾ في تسيير
المركبات، بحيث تستبدل النظم السابقة التي كان معظمها ميكانيكيا، سواء عجلة
التوجيه والمكابح ومقبض التحكم وغير ذلك، بوحدات يتم التحكم فيها إلكترونيا.
وهذا يؤدي إلى إخلاء مساحات، نظراً لأن النظم الإلكترونية تشغل حيزا أقل من
النظم الميكانيكية. ويمكن برمجة أداء نظم القيادة بالأسلاك باستخدام البرمجيات.
إضافة إلى ذلك، سيكون لصانعي السيارات الحرية في ابتكار تصاميم مختلفة تماما
تلبية لحاجات المستهلك، وذلك في ظل غياب علبة السرعة (صندوق التروس المعهود)
التي تعوق أي تجديد في الهيكل والتصميم.

نظرة إجمالية /خلايا الوقود الهيدروجيني^(*****)

▪ تحوِّل خلايا الوقود
غاز الهدروجين إلى تيار كهربائي بصورة نظيفة، مما يجعل المركبات غير الملوِّثة
للبيئة والتي تقاد باستخدام محركات كهربائية أمرا ممكنا. وعندما يجتمع هذا مع
جهاز توجيه ومكابح ومقبض تحكُّم تقاد جميعا باستخدام نظم تحكم مدمجة تدار
إلكترونيا بالأسلاك، فإن تقانة خلايا الوقود ستسمح للمهندسين بتفكيك المركبة
إلى قاعدة متحركة وهيكل (من الممكن تغييره) فسيح من الداخل.

▪ إن مشروع مركبات
خلايا الوقود الهدروجيني النظيفة يمكنه أيضا أن ينبئ بتغيرات في اقتصاديات
الطاقة، وببيئة نظيفة من دون الحدّ من قدرة الأفراد على التنقل بالمركبات.

▪ مسألة الدجاجة
والبيضة: يحتاج عدد كبير من مركبات خلايا الوقود إلى توفير الوقود المناسب
لعمله، غير أنه يصعب إقامة البنية التحتية المطلوبة إلا إذا توافر عددٌ لا بأس
به من مركبات خلايا الوقود على الطرق.

إن
الاستعاضة عن محركات الاحتراق الداخلي المعهودة بخلايا الوقود تساعد على استخدام
قاعدة chassis
مسطحة، مما يعطي المصممين حرية كبيرة لابتكار تصاميم فريدة لهياكل السيارات. وبطريقة
مماثلة فإن تقانات القيادة بالأسلاك تطلق العنان للتصاميم الداخلية، لأن أجهزة
التحكم يمكن تعديلها تماما كما يمكن تشغيلها من مختلف أوضاع الجلوس. وقد استفادت
من هذه الإمكانية في التصميم الشركة جنرال موتورز فأدخلت مفهوم ذاتية التحكم AUTOnomy، وطرحته
أوائل عام 2002. وفي معرض باريس للسيارات في الشهر 9/2002، عُرض لأول المرة
النموذج الأولي لمركبة جاهزة للقيادة تعمل بنظام هاي-سِلكي Hy-wire (أي تعمل
بخلايا الوقود الهدروجيني وتقاد بالأسلاك).

في
الواقع، نفذت فكرة ذاتية التحكم وفكرة النموذج الأولي (الهاي-سلكي) بالنسبة إلى
الجزء الذي يعلو العجلات. وكلاهما يرتكز على قاعدة رقيقة، على شكل لوح تزلج،
تحتوي على خلية وقود ومحرك كهربائي وصهاريج لتخزين الهدروجين وأجهزة تحكم
إلكترونية ومبادلات حرارية إضافة إلى نظم للكبح والتوجيه steering (انظر
الشكل في الصفحة 28). فليس هناك محرك احتراق داخلي ولا ناقلات للحركة ولا علبة
سرعة ولا محاور أو توصيلات ميكانيكية.

في
المركبات الذاتية التحكم AUTOnomy-type vehicle التي
اكتمل تطويرها تحتاج تقانة القيادة بوساطة الأسلاك إلى وصلة كهربائية واحدة
وبسيطة فقط، ومجموعة من الوصلات الميكانيكية لربط الهيكل بالقاعدة.

فالهيكل
يمكن توصيله بالقاعدة كما يتصل الحاسوب المحمول بمحطة الاتصال. ففكرة المدخل
الكهربائي الأحادي توفر وسيلة سهلة وسريعة لتوصيل جميع النظم داخل الهيكل ـ
أجهزة التحكم والقدرة والتدفئة ـ بلوح التزلج. إن هذا الفصل البسيط بين الهيكل والقاعدة
يمكن أن يساعد على بقاء هيكل المركبة خفيف الوزن وغير معقد؛ كما يسهل استبدال
الهيكل. فمبدئيا يمكن للموزع أو لمالك السيارة، عن طريق تركيب وحدة هيكل قابلة
للاستبدال، الحصول على سيارة فخمة اليوم، أو على سيارة عائلية في الأسبوع
المقبل، أو على شاحنة صغيرة في العام المقبل.

محرك الاحتراق الداخلي^(******)

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009223

معظم سيارات الولايات المتحدة تستخدم محركات
احتراق داخلي رباعية الأشواط. والمكبس الذي يتحرك إلى أعلى وأسفل عندما يدور
العمود المرفقي يبدأ عند قمة الأسطوانة. يُفتح صمام الاستقبال فيسقط المكبس
سامحا لمزيج الوقود والهواء بدخول الأسطوانة. يعود المكبس ليتحرك إلى أعلى
ضاغطا الغازولين والهواء. ثم تقدح شمعة الاشتعال لإشعال قطرات الوقود. تنفجر
الشحنة المضغوطة وتضغط المكبس إلى الأسفل. يُفتح صمام العادم ليسمح لنواتج
الاحتراق بالخروج من الأسطوانة.

وحدة توليد القدرة لخلايا الوقود ^(*******)

خلايا وقود ذات غشاء تبادلي للپروتونات PEM تحتوي على قطبين كهربائيين رقيقين ومساميين،
أحدهما سالب والآخر موجب، ويفصلهما غشاء من الپوليمر يُحدث تحليلا كهربائيا
عندما يسمح للپروتونات فقط بالمرور. تغطي المحفزات جانبا من كل قطب. بعد دخول
الهدروجين (1)، يشطره محفز القطب الموجب إلى إلكترونات وپروتونات (2). وتنتقل
الإلكترونات مبتعدة فتشغل محرك دفع ⁽³⁾، في حين تهاجر الپروتونات
عبر الغشاء (4) إلى القطب السالب حيث يقوم محفزه بتوحيد الپروتونات مع
الإلكترونات العائدة والأكسجين الموجود في الهواء لتشكيل الماء (5). يمكن تكديس
عدد من الخلايا لتوفير ڤلطية أعلى (6).

وتماماً
مثل الحاسوب، سيتم تحديث نظم المركبة ورفع كفاءتها باستخدام البرمجيات. ونتيجة
لذلك يمكن لموظفي الخدمات تحميل البرامج حسب الطلب لتحسين أداء المركبة، أو
لتفصيل tailoring
خصائص بعينها تتعلق بالركوب وبالقيادة، كي تلائم نمطا بعينه من المركبات، أو
تصميما بعينه من الهياكل، وتلبي رغبات الزبائن.

مع التحكم
الإلكتروني بالقيادة بوساطة الأسلاك، لا يحتاج السائق إلى عجلة توجيه، أو مبدل
للسرعات أو دواسات تعمل بالقدم. والنموذج الأولي الهاي-سلكي للشركة جنرال موتورز
مزود بنظام تحكم في جهاز التوجيه يطلق عليه اسم نظام القيادة-Xه⁽³⁾، وهو يتحرك بسهولة من
جهة إلى أخرى بعرض السيارة ليلائم أوضاع القيادة باليد اليسرى واليد اليمنى.
ويقوم نظام القيادة-X
بتشغيل ما يشبه مقابض الدراجة البخارية، بحيث يزيد السائق السرعة بفتل المقابض
ويكبح بالضغط عليها. وتتضمن عملية التوجيه حركة دوران تشبه حركة عجلة التوجيه
المعروفة اليوم. ويُترك للسائق أيضاً الخيار لكبح وزيادة السرعة إما باليد
اليمنى أو اليسرى، بحيث تكون الأولوية للكبح إذا اختلطت الإشارات. ويبدأ السائق بتشغيل
المركبة بالضغط على زر تشغيل واحد، ثم يختار واحدا من ثلاثة خيارات: السكون،
الحركة إلى الأمام، أو الرجوع إلى الخلف.

قاعدة مركبة ذاتية التحكم على شكل لوح تزلج^(********)

إن حَشر نظم تشغيل السيارة في قاعدة مسطحة على
شكل لوح تزلج هو المفتاح إلى مفهوم ذاتية التحكم الخاص بمركبة المستقبل التي
تعمل بخلايا الوقود الهدروجيني. وإذا أضفنا إلى ذلك استخدام تقانة مدمجة
للقيادة الإلكترونية بالأسلاك لأجهزة التوجيه والكبح والسيطرة فسوف يستطيع
المصممون تشكيل الهيكل العلوي بحرية أكبر. وهذا يعني عدم الحاجة إلى حجرة المحرك
الضخمة والشكل البشع لحدبة المقصورة المركزية أو عجلة التوجيه المعهودة. هذه
الطريقة تسمح أيضا باستخدام هياكل قابلة للتبديل. فيمكن لمالكي السيارات
الحصول على هياكل جديدة حسب رغباتهم الشخصية، و«توصيلها» بالقاعدة المستعملة؛
وبذا يمكنهم ـ مثلا ـ تحويل سيارة عائلية إلى شاحنة صغيرة أو سيارة فاخرة.

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009224

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009224

هذا وقد
أزال نظام القيادة-X
لوحة الأجهزة التقليدية وعمود التوجيه أيضا، مما أخلى المركبة من الداخل وسمح
بتوفير أمكنة جديدة للمقاعد والتخزين. فمثلا نجد أن السائق وجميع الركاب يتمتعون
بمجال أوسع للرؤية وحيز أكبر لمد أرجلهم عما كان عليه في المركبات المعهودة بنفس
الطول، وذلك يعود إلى عدم وجود غرفة المحرك.

وبخفض
مركز ثقل المركبة وإزالة الكتلة الصلبة التي يشكلها المحرك والموجودة أمام
الركاب، يمكن لقاعدة المركبة الذاتية التحكم والتي على شكل لوح التزلج أن تحسن
من خصائص الركوب والتعامل والاتزان بشكل يفوق المستطاع في أسلوب البناء التقليدي
للمركبات.

إعادة تنظيم تجارة السيارات^(*********)

من الممكن
أن يكون لذلك التصميم المبسط للمركبة المتطورة ذات خلايا الوقود، الذي يطرحه
مفهوم ذاتية التحكم والنموذج الأولي الهاي-سلكي، أثر عميق في تصنيع المركبات،
وربما يمهد الطريق لإعادة اكتشاف تجارة السيارات. فصناعة السيارات اليوم تستهلك
رؤوس أموال ضخمة، في حين أن هامش الربح متواضع. وعلى الرغم من أن شركات السيارات
تكافح من أجل الاقتصاد في نفقات تصنيع وتطوير المركبات، فإن تزايد السعة
الإنتاجية للصناعة العالمية يؤدي إلى خفض أسعارها. وفي الوقت ذاته تستمر
المواصفات والمعايير المطلوبة في السيارات والشاحنات في التزايد، مما يؤدي إلى
ارتفاع في التكلفة. وانخفاض الأسعار وارتفاع التكلفة معا يهددان هامش الربح.

غير أن
فكرة مثل فكرة ذاتية التحكم يمكنها أن تغير النموذج التجاري الحالي بشكل واضح.
ويمكن تصوّر أنه قد يخفض من تكاليف تطوير المركبات لأنه مع إمكانية إنتاج وحدات
بصورة مستقلة، فإن أي تغيير في تصميم وحدات الهيكل والقاعدة يمكن أن يتم بشكل
أسهل وأرخص. فكما هي الحال في أجزاء الأسطح المكشوفة لشاحنات اليوم، فسيصير
بالإمكان تصميم القاعدة مرة واحدة فقط لتتوافق معها نماذج مختلفة من الهياكل.
ومن السهل أن يكون لهذه الأجزاء أشكال مختلفة للمقدمة وللتصميم الداخلي ولكيفية
التوافق مع القاعدة. وربما لا يقتضي الأمر إلا ثلاثة أنواع من القواعد: مدمجة
ومتوسطة وكبيرة، ليصبح حجم الإنتاج أكبر بكثير مما هو عليه الآن، فيؤدي إلى
زيادة كبيرة في الأرباح نتيجة زيادة الكميات.

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009225

تبلغ كفاءة مركبة خلايا الوقود الهدروجيني نحو ضعف
كفاءة محرك الاحتراق الداخلي، وبالتالي ستحتاج هذه
المركبة إلى النصف فقط مما تحتاج إليه من الوقود المعهود.

إن وجود
مكونات وقطع غيار أقل بكثير، سوف يخفض التكلفة بشكل أكبر. على سبيل المثال، يصنع
مَكْدَس stack
خلايا الوقود من مجموعة من الخلايا المتشابهة والتي يتكون كل منها من لوح رقيق
يشكّل القطب السالب، ومن قطب موجب مشابه يفصل بينهما غشاء من پوليمر كهربائي.
ووفقا للقدرة المطلوبة لمركبة معينة (أو لأي جهاز آخر، مثل مولد كهرباء ثابت)
يمكن خفض عدد الخلايا المجمعة أو زيادتها.

ومع أن
تقانة سيارات خلايا الوقود أبعد ما تكون عن وصفها بالاقتصادية في الوقت الراهن
(كل نموذج أولي مصنع يدويا يحتاج إلى آلاف الدولارات لكل كيلوواط)، فإن التكلفة
بدأت بالانخفاض بصورة شديدة. فمثلا هناك زيادة قدرها عشرة أضعاف في كثافة قدرة
مَكْدَسات خلايا الوقود تحققت على مدى السنوات الخمس الماضية، صاحبها انخفاض
قدره عشرة أضعاف في التكلفة. ونظرا لأن خلايا الوقود تحتاج حاليا إلى معادن
ثمينة لأجل المحفزات وأغشية من الپوليمر باهظة الثمن، فإن العلماء يسعون إلى
تحقيق تقدم في إيجاد سبل لتقليص استخدام المحفزات ولخفض تكلفة المواد التي تصنع
منها الأغشية.

وتتيح
فكرة ذاتية التحكم الفرصة للفصل بين تصنيع الهيكل وتصنيع القاعدة. حتى إن أي
مصنّع عالمي بمقدوره أن يبني القاعدة ويشحنها (وهو سيناريو مثالي نظرا لرقة
القاعدة)، على أن تبني الشركات المحلية الهياكل وتجمع المركبة في شكلها النهائي.
ومع الإنتاج الضخم يكون بناء القاعدة اقتصاديا للغاية.

إذا أخذت
الأمور هذا المنحى، فقد يؤدي ذلك إلى ظهور قاعدة جديدة في الأسواق الغنية كل
ثلاثة أعوام أو أربعة ـ عندما تفقد البرمجيات قدرتها على مجاراة الرغبات
المتطورة في الأداء وتلبيتها ـ في حين يستطيع المستهلك شراء وحدةِ هيكل جديدةٍ
كل عام، أو تأجير وحدةٍ على فتراتٍ أقصر. إضافة إلى ذلك، وإذا تم تطوير مكونات
القاعدة بشكل جيد، ستكون التحسينات الجديدة التي طالت البرمجيات والمكونات عملية
أكثر. وفي المقابل يستطيع المستهلك أن يحتفظ بهيكل عربته إن شاء ذلك، ويشتري
قاعدة جديدة توفر أداء أعلى. وفي الأسواق الأقل ثراء، ستحتوي القاعدة على مكونات
متينة، تستثمر على مدى أطول قد يصل إلى عدة عقود.

تخزين الهدروجين^(**********)

هذا لا
يعني أنه تم التغلب على جميع المعوقات التقنية التي تواجه هندسة مركبات عملية
ذات خلايا وقود. فما زال هناك الكثير من العقبات التي تستوجب الحل حتى نصل إلى
الراحة والأداء اللذين أصبح المستهلك يتوقعهما من سيارته ذات محرك الاحتراق
الداخلي. وأحد المعوقات الكبرى هو تطوير تقانة آمنة وفعالة لتخزين الهدروجين على
متن السيارة، وكذلك توفير مدى كاف للقيادة ـ نحو 300 ميل. ويجب على تقانة تخزين
مقبولةٍ أن تتحمل العمل لمدة تكفي لقطع مسافة لا تقل عن 150000 ميل. وينبغي أن
تعمل في درجات حرارة تتراوح ما بين -40 و 45 درجة سيلزية. كما يجب أن تكون عملية
الإمداد بالوقود سهلة وتتم في أقل من خمس دقائق. وهناك مقاربات متعددة لتخزين
الهدروجين، منها طرق التخزين كسائل وكغاز مضغوط وفي الحالة الصلبة. وجميع هذه
المحاولات واعدة ولكنها ـ جميعا ـ تواجه تحديات.

سوف تكون
خزانات الغاز المضغوط هي الوسيلة التي يرجح استخدامها في المراحل المبكرة، إلا
أن الضغط العالي يبقى مشكلة واضحة بالنسبة إلى موضوع السلامة. وتستوعب هذه النظم
حاليا نحو 5000 رطل لكل بوصة مربعة من الهدروجين (350 بار)، ولكن الهدف هو
الوصول إلى 10000 رطل لكل بوصة مربعة (700 بار) لزيادة مدى المركبة. ولضمان
السلامة يجب أن يكون للخزان قوة تحمل للانفجار توازي ضعف ضغط الوقود على الأقل.
وتصنع الأوعية حاليا من مواد إما باهظة الثمن مثل ألياف الكربون، أو ثقيلة
للغاية. كما أنها تعتبر كبيرة نسبيا، مما يجعل تركيبها في مركبة أمرا صعبا.

ويمكن
أيضاً تخزين الهدروجين في الحالة السائلة، إلا أن ذلك يتطلب كمية كبيرة من
الطاقة لتبريد السائل حتى يصل إلى درجات الحرارة المطلوبة وهي شديدة الانخفاض
(-253 درجة سيلزية). إضافة إلى ذلك سوف «يتبخر بالغليان» ما بين 3 و 4 في المئة
من الهدروجين كل يوم. وعلى الرغم من أن معظم الهدروجين المتبخر سوف تستهلكه
المركبة، فإنه أمر مقلق بالنسبة إلى السيارات التي تتوقف لعدة أيام بين رحلة
وأخرى.

خطوات نحو مجتمع هدروجيني^{(***********)}

خلال بضع سنوات

a يُختبر عدد صغير من النماذج
الأولية للمركبات بتأجيرها لمواطنين يسكنون بالقرب من محطة إمداد بالوقود
الهدروجيني.

b يبدأ إمداد سيارات النقل العام
وسيارات المنشآت التجارية التي تعود إلى مرآبها يوميا، مثل الحافلات وشاحنات
التبريد وشاحنات توصيل البضائع، بالوقود من خلال محطات هدروجين مركزية.

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009226

خلال عَقد

a تنتج مصانع السيارات «ألواح
تزلج» تعمل بخلايا الوقود، وكذلك بعض الأنماط المختلفة لهياكل قابلة للتركيب
على لوح التزلج بحركة سريعة خاطفة.

b تُنشأ محطاتُ إمدادٍ بالوقود
الهدروجيني ملحقٌ بها أجهزة تحسين reformers للغاز الطبيعي (وحدات تكسير كيميائي) لتوفير الهدروجين للمركبات
التي أنتجت باكرا.

c تُقام مولدات قدرة ثابتة تحول
الغاز الطبيعي إلى هدروجين وتغذي به خلية الوقود، في المشروعات التي تحتاج إلى
قدرة مميزة يعتمد عليها بثقة عالية من أجل الاتصالات المعلوماتية، أو التصنيع
المستمر أو طب الطوارئ. فسيارات الإسعاف ومركبات الطوارئ مثلا، تزود بالوقود
في وحدة خلايا الوقود التابعة للمستشفى.

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009227

بعد أكثر من عَقد

a وحدات ثابتة تضم جهاز تحسين
وخلية وقود، مقامة في الكثير من المنشآت التجارية، وفي نهاية المطاف في
المنازل، تقوم ببيع القدرة الزائدة على حاجتها إلى شبكة الكهرباء فيما يسمى
بنظام التوليد الموزَّع. هذه المنشآت تبدأ بتوفير الهدروجين محليا للموظفين.

b المزيد من محطات الهدروجين
التي تستخدم التحليل الكهربائي توصل بالشبكة.

c مصانع تجميع ضخمة تنتج ثلاثة
أحجام من قاعدة على شكل لوح تزلج تحتوي على خلايا الوقود (مدمجة ومتوسطة
وكبيرة).

d هياكل جديدة بأشكال متنوعة
تباع لتركيبها على قواعد قديمة على شكل ألواح تزلج.

e مصانع أخرى في مناطق مختلفة
تصنع هياكل متنوعة للأسواق المحلية (مثلا، في الهند والصين، جرارات وشاحنات).

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009228

مصادر الطاقة

سوف يضاف إلى توليد الطاقة من الوقود الأحفوري،
وتوليد الطاقة النووية والكهرمائية تقانات توليد طاقة متجددة وأكثر حفاظا على
البيئة.

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009229

وهناك حل
على المدى الأطول ألا وهو نقل الهدروجين باستخدام مقاربة الحالة الصلبة. وهناك
بديل واعد وهو التخزين على شكل هدريد المعدن. في هذه الطريقة يحبس الهدروجين في
فراغات مسحوق مضغوط من سبيكة معدنية، مثلما يمتص الإسفنج الماء.

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009230

سيارات وشاحنات خلايا الوقود الهدروجيني قد تساعد على

تأمين مستقبل تبقى فيه قدرة الأفراد على
الانتقال غير محدودة.

ولهذه
الطريقة عدة ميزات، منها التركيب المباشر ومستوى السلامة العالي وسعة التخزين
الواعدة. لكنها تتطلب درجات حرارة تتراوح بين 150 و 300 درجة سيلزية لاستخلاص
الهدروجين من هدريد المعدن. كما يجب إطلاق الهدروجين عند درجة حرارة تقترب من 80
درجة سيلزية، تجنبا لإهدار الطاقة. وعلى الرغم من أن البحث مازال في مراحله
الأولى، فإن التخزين في الحالة الصلبة له جاذبيته.

إعادة هيكلة البنية التحتية^{(************)}

بقدر
أهمية التغيير الذي قد يطرأ على تجارة السيارات، فإن التأثير الكبير للمركبات
الذاتية التحكم، في نظام مصادر الطاقة على مستوى العالم، قد يلقي بظلاله على هذا
التغيير. وبنظرة من موقعنا حيث نحن اليوم، فإن مسألة أولوية خلايا الوقود
والبنية التحتية لعملية الإمداد بالوقود الهدروجيني تشبه مسألة أولوية الدجاجة
والبيضة. إذ لا يمكننا توفير عدد كبير من مركبات خلايا الوقود من دون توافر
الوقود الكافي لدعمها، ولكننا لن نتمكن من إقامة البنية التحتية المطلوبة إلا
إذا وجد عدد لا بأس به من مركبات خلايا الوقود على الطرق. ولما كان إنشاء شبكة
توليد للهدروجين وتوزيعه بتكلفة كبيرة في الولايات المتحدة هو شرطا لتسويق
سيارات وشاحنات خلايا الوقود، فإنه من اللازم توفير دعم قوي من القادة المحليين
والوطنيين في القطاعين العام والخاص. ومن القضايا الأساسية التي يجب التركيز
عليها تقديم إعانات وحوافز لتطوير محطات الإمداد بالوقود، ووضع معايير موحدة،
وتوعية العامة فيما يخص هذا الموضوع. وتعد مبادرة سيارة الحرية Freedom CAR التي
أعلنت عنها وزارة الطاقة الأمريكية في بداية عام 2002 خطوة في الاتجاه الصحيح،
وهى شراكة بين القطاعين العام والخاص لتشجيع عمليات تطوير قدرة خلايا الوقود
واعتماد الهدروجين كوقود أولي للسيارات والشاحنات. كما سيستلزم الأمر دعما من
الحكومات للأبحاث وللعروض التجريبية اللازمة لإثبات جدوى البنية التحتية.

وبالتأكيد،
فإن على الصناعة أن تقوم أيضا بدورها لتمكن من عملية التحول الصعبة إلى الاقتصاد
الهدروجيني. وتقوم الشركة جنرال موتورز الآن بتطوير استراتيجية عبور يفترض فيها
تسيير الأمور في هذا السبيل. فنحن نعمل على طرح منتجات مؤقتة لخلايا الوقود
المعتمدة على الهدروجين في الأسواق، ولسوف تشكل مصدرا للدخل يسهم بأرباحه في
موازنة مئات الملايين من الدولارات التي تستثمرها الشركة في تقانة خلايا الوقود،
في الوقت الذي توفر فيه مجالا لاكتساب الخبرة في التشغيل على أرض الواقع.

والأرجح
أن مولدات خلايا الوقود سوف تسوق لاستخدامها في المنشآت التجارية المختلفة، ومن
ثم في المنازل، قبل أن تتوافر مركبات خلايا الوقود على نطاق واسع. فهذه
الاستخدامات أقل تعقيدا بكثير من السيارات، التي لها متطلبات كثيرة جدا تتعلق
بالأداء. وقد طورت الشركة جنرال موتورز نموذجا أوليا لمولدات خلايا الوقود
الثابتة⁽⁴⁾ التي
تعمل باستخدام الهدروجين المستخلص من الوقود الأحفوري.

وفي
السنوات القليلة القادمة تعتزم الشركة جنرال موتورز إزاحة الستار عن مجموعة من
مولدات خلايا الوقود الثابتة، هدفها الوصول إلى «قدرة مميزة»، أو «قدرة مضمونة»
يعتمد عليها بثقة عالية في قطاع سوق الطاقة. هذا المشروع الذي يكلف 10 بلايين
دولار سنويا، يشمل مستهلكي الطاقة الذين لا يستطيعون الاستغناء عن الكهرباء، بما
في ذلك مراكز المعلومات الرقمية والمستشفيات والمصانع التي تقوم بعمليات تصنيع
مستمر وشركات الاتصالات. وسوف تعمل هذه المولدات على خفض التكلفة من خلال
إمكانية قطع استخدام القدرة أثناء فترات الذروة، وكذلك توفر إيرادا من خلال قياس
الاستهلاك الصافي (أي إعادة بيع القدرة إلى الشبكة). وسيكون أحد منتجاتنا
المبدئية وحدة قدرتها 75 كيلوواط تحتوي على جهاز تحسين يستخلص الهدروجين اللازم
لِمَكْدَس خلايا الوقود من الغاز الطبيعي أو الميثان أو الغازولين. ولا توجد
حاجة لتطوير تقنية خارقة لبناء منشآت القدرة الثابتة تلك. فعند التشغيل يمكن
أيضا استخدام نظم القدرة اللامركزية تلك في إمداد المركبات بالوقود الهدروجيني.

وبمجرد أن
تتوافر طرق تخزين للهدروجين آمنة وموثوقة، ستصبح عمليات التحويل لإنتاج الوقود
في محطة الإمداد سبيلا قابلا للنمو من أجل توليد الهدروجين اللازم لوسائل النقل.
وبالطبع فإن ميزة معالجة الوقود هي أن معظم البنية التحتية اللازمة للتطبيق
موجودة بالفعل. ويمكن إعادة تنظيم شبكة توزيع الوقود الحالية التي تعتمد على
البنزين بتركيب أجهزة تحسين أو أجهزة تحليل كهربائي في أحد أركان محطة الوقود،
مما يسمح للأجهزة المحلية بتوليد الهدروجين في الموقع وضخه للمستهلكين. وبهذه
الطريقة لن يقتضي الأمر إنشاء خطوط أنابيب لمسافات طويلة أو تفكيك البنية
التحتية القائمة لخدمة السيارات. ومع بداية التحول من البنزين إلى الهدروجين، قد
يكون ذلك هو الحل الأمثل للتقدم في هذا المضمار.

أهم مطوري خلايا وقود السيارات ^{(*************)}

دايملر كرايسلر إيه جي ....... شتوتگارت ـ
مورينگن، ألمانيا

شركة فورد موتور........... ديربورن،
ميتشيگان

مؤسسة جنرال موتورز....... ديترويت، ميتشيگان

شركة هوندا موتور المحدودة....... طوكيو

پي إس إيه پيجو ـ سيتروين....... پاريس

اتحاد رينو ـ نيسان...... پاريس/طوكيو

مؤسسة تويوتا موتور...... مدينة تويوتا، اليابان

وثمة خطة
أكثر جذرية، تتمثل في التزود بالوقود في المنازل أو في مقار المنشآت التجارية
باستخدام شبكة التوزيع التي تمد منازل الأفراد ومقار المنشآت المختلفة حاليا
بالغاز الطبيعي. فخطوط أنابيب الغاز الطبيعي تنتشر في مناطق كثيرة بقدر انتشار
محطات الغازولين، مما يجعل من هذه البنية التحتية قناة مثالية للهدروجين. ويمكن
تحويل الغاز الطبيعي إلى هدروجين، ثم يخزن على متن المركبة. وفي المقابل، يمكن
أن تستخدم الكهرباء المتوافرة من شبكة التوزيع في إنتاج الهدروجين. هذا وقد تكون
الكهرباء المشتراة خارج نطاق ساعات الذروة، مثلا عندما تكون سيارتك في المرآب
أثناء الليل، طريقة رخيصة لإمداد بعض المواقع بالوقود.

كلما
ازدادت نظم توليد القدرة تطورا وتعقيدا، فإننا نشهد تغير الدور الذي تؤديه
السيارات في الشبكات العالمية لتوزيع القدرة. فقد تصبح المركبة عند نقطة ما
مصدراً جديداً لتوليد القدرة، يمد المنازل ومواقع العمل بالكهرباء. فمعظم المركبات
تقف عاطلة عن العمل نحو 90% من الوقت، فلنتخيل النمو الكبير في القدرة المتاحة،
لو كان من الممكن إضافة كفاءة توليد القدرة الخاصة بالسيارات والشاحنات على
الطرق وفي المرائب إلى شبكات توزيع الكهرباء. لو افترضنا مثلا أن واحدة فقط من
كل 25 مركبة في كاليفورنيا اليوم كانت مركبة خلايا الوقود، فسيفوق إجمالي
كفاءتها لتوليد القدرة كفاءة شبكة التوزيع في الولاية.

نظام القيادة الهاي-سلكي يحرر داخل السيارة من
العوائق^{(**************)}

المرونة في التصميم وخيار المستهلك هما المفتاح
إلى استراتيجية جنرال موتورز في حشو قاعدة لوح التزلج بجميع النظم المشغلة
للسيارة. مصممو الهياكل لهم الحرية الآن في ابتكار أشكال لمقصورة الركاب لا
تقيدها العقبات التقليدية مثل لوحة أجهزة القياس والحدبة المركزية. وقد تكون
تصاميم الهياكل قابلة للاستبدال، بما يسمح لقاعدة واحدة بأن تحمل مجموعة من
الهياكل القابلة للاستبدال.

من الواضح
أن هناك خيارات متعددة لإنشاء شبكة لتوزيع الهدروجين. ومع أن السيناريوهات التي
اقترحناها مقبولة، فإن أحد أهم العوامل التي تحدد كيف سيكون شكل البنية التحتية
هو التكلفة. فشركات الطاقة في جميع أنحاء العالم تدرس اقتصاديات الهدروجين. وفي
شهادته الأخيرة أمام لجنة علوم الطاقة المنبثقة عن مجلس النواب الأمريكي، ذكر<i.P.J
يهلين> [ممثل الشركة بريتش پتروليوم] أنه من الممكن توليد الهدروجين من الغاز
الطبيعي بتكلفة تعادل تكلفة الوقود المعهود. وقال إن تكلفة الهدروجين لكل ميل من
المسافة أقل بكثير من تكلفة الوقود التقليدي بسبب الكفاءة المذهلة لمحرك خلايا
الوقود. وقال< يهلين> إن التكلفة العالية للهدروجين حاليا قد يكون مرجعها
ارتفاع نفقات نقله وتوزيعه.

شؤون هدروجينية^{(***************)}

وفقا لحجم
المخزون وطرق الإنتاج والتوزيع، يمكن أن تتراوح تكلفة الكيلوغرام الواحد من
الهدروجين ما بين أربعة وستة أضعاف تكلفة الگالون الواحد من الغازولين أو وقود
الديزل (الكيلوغرام الواحد من الهدروجين يحوي كمية الطاقة التي تكافئ گالونا
واحدا من الوقود المعتمد على البنزين). غير أنه نظراً لأن كفاءة مركبة خلايا
الوقود في حالتها المثلى قد تصل إلى ضعف كفاءة المركبة ذات محرك الاحتراق
الداخلي على الأقل، فإنها سوف تستهلك هذا الكيلوغرام من الوقود لتقطع ضعف
المسافة. لذا من المفترض أن يلاقي الهدروجين رواجا تجاريا متزايدا إذا كان سعر
التجزئة لكل كيلوغرام يساوي ضعف سعر التجزئة للگالون الواحد من الغازولين. فكلما
تحقق تقدم في تقانات تخزين الهدروجين ومعالجة الوقود والتحليل الكهربائي، وكلما
زاد الطلب على الهدروجين، اتجه سعر الهدروجين ليقترب من مستوى الأسعار المنشود.
وفي الواقع تشير الدراسات الحديثة إلى أن التقانات الحالية تحقق سعرا هو في نطاق
معامل قدره 1.3 مما نرغب في أن يكون عليه.

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء SCI2003b19N11-12_H03_009233

من الممكن توليد الهدروجين من الغاز الطبيعي

بتكلفة تعادل تكلفة الوقود المعهود.

ومع أننا
ما زلنا في المراحل الأولى لإيجاد الحلول، فإننا نعتقد أنه حين يستدعي الأمر
وجود البنية التحتية فإنها قد تنشأ بسرعة كبيرة، رغم وجود تحديات عملاقة. وهكذا
كانت الحال منذ قرن مضى، عندما أثبتت السيارات التي تعمل بالغازولين فائدتها
للمستهلك، إذ نمت البنية التحتية الداعمة لها بسرعة. فالمستثمرون على استعداد
دائم لانتهاز الفرص الجديدة. لقد بدأ العالم بالفعل بتطوير التقانات اللازمة
لإنتاج الهدروجين وتوزيعه؛ إلاّ أن حجم ومجال هذه البنية التحتية بالذات هائلان
وأمامها عقبات تقنية مهمة.

ومع
استمرار النقاش حول كيفية إنشاء شبكة التوزيع المطلوبة، من المهم ملاحظة أن
البنية التحتية الخاصة بالهدروجين تقام حاليا في مواقع متعددة، وبالأخص على طول
ساحل الخليج بالولايات المتحدة، وفي أوروبا حول مدينة روتردام بهولندا، حيث تنتج
مصانع النفط والكيماويات الهدروجين (وهو يستخدم لإزالة الكبريت أثناء عملية
تكرير البترول)، وهكذا يتدفق الهدروجين اليوم عبر مئات الأميال من خطوط الأنابيب
في عدد من الدول. وتنتج البنية التحتية القائمة سنويا نحو 540 بليون متر مكعب من
الهدروجين، الذي يستخلص أساسا من الغاز الطبيعي. واستنادا إلى الطاقة المكافئة،
فإن هذا يساوي نحو 140 مليون طن من البنزين في السنة الواحدة، أي نحو 10% من
متطلبات وسائل النقل حاليا. وعلى الرغم من أن البنية التحتية موجهة إلى
استخدامات أخرى، فإن حقيقة كونها قائمة بالفعل توضح أن هناك قدرا كبيرا من
الخبرة في توليد الهدروجين ونقله متاح حاليا.

وكأي تقدم
قادر على إحداث تغيير كامل للتقانة السائدة، فإن استخدام خلايا الوقود، والتحول
إلى بنية تحتية للطاقة معتمدة على الهدروجين، يحتاجان إلى مزيد من الوقت. ومع
أنه من الصعب التنبؤ بجدول زمني دقيق، فإننا في ضوء الزخم التقاني الحالي وواقع
التجارة، نستهدف إيجاد مركبات تسير على الطرق بحلول نهاية هذا العقد، مركبات
تعمل بخلايا الوقود، وتكون جذابة ومقبولة السعر. ثم نتوقع أن تزداد مركبات خلايا
الوقود زيادة واضحة بين عام 2010 وعام 2020، حين يبدأ صناع السيارات في إنشاء
وإقامة الأسس اللازمة لدعم إنتاج كبير الحجم. وقد استثمر العديد من هذه الشركات
ـ بما فيها جنرال موتورز ـ مئات الملايين من الدولارات في أبحاث خلايا الوقود
وعمليات تطويرها، وكلما توصلت هذه الشركات بشكل أسرع إلى توقع الحصول على عائد
مجدٍ من هذه الاستثمارات كان ذلك أفضل.

ولما كان
إحداث تحول في أسطول المركبات بكامله يستغرق نحو 20 عاما، فسوف يقتضي الأمر نفس
المدة على الأقل لجني أقصى حد للفائدة العائدة على مجالي البيئة والطاقة بفضل
مركبات خلايا الوقود الهدروجيني؛ إلاّ أن مفهوم ذاتية التحكم من شأنه تقريب
المستقبل وتوضيحه. وبدلا من التطور التاريخي للسيارات، نرى

جين من المواد يستهلك قدرا من الطاقة، سواء بتحسين تحويل⁽¹⁾ reforming جزيئات
الهدروكربون باستخدام المحفزات أو بالتحليل الكهربائي للماء، فإن الكفاءة
العالية لخلايا الوقود من شأنها تعويض الطاقة المستهلكة لإتمام تلك العمليات،
كما سنوضح لاحقا. وبالطبع لا بد أن تأتي هذه الطاقة من مكان ما. فبعض مصادر
التوليد، مثل معدات الطاقة

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء :: تعاليق

عربة التغيير(*) إن السيارات التي تعتمد على خلايا الوقود الهدروجيني قد تسرّع قدوم غدٍ أكثرَ نقاء