مكانة الهيدروجين في قطاع النقل البري

هناك جدال متزايد حول مكانة الهيدروجين في اقتصاديات العالم المستقبلية. يفترض البعض أنه الحل الأمثل للانبعاثات الضارة ، ويعتقد البعض الآخر أنه من المنطقي أكثر تغيير كل المكائن و العمليات الصناعية إلى إستخدام الكهرباء فقط وتجنب الاستثمار في الهيدروجين تمامًا. 

للمضي قدمًا ، نحتاج إلى أن نكون واقعيين بشأن مكانة الهيدروجين في الاقتصاد الخالي من الانبعاثات وأي من القطاعات ستحتاج فعليا إلى الهيدروجين. 

في عام 2018 ، تم استخدام 51٪ من الهيدروجين الموجود بالسوق كمادة وسيطة لصنع الأمونيا (التي تستخدم في صناعة الأسمدة ، من بين استخدامات أخرى) ، و تم إستخدام 42٪ من الهيدروجين المتبقي لتقليل محتوى الكبريت في مراحل تكرير النفط لصناعة وقود الديزل.

الجزء المقلق هو أن 95٪ من الهيدروجين المستهلك يأتي من خلال عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي ، الذي هو وقود أحفوري.

يعتقد العديد أنه يجب أن يحل الهيدروجين محل الوقود الأحفوري في كل المجالات ، من النقل إلى التدفئة السكنية. دعونا نقسمها ونرى أين يمكن للهيدروجين أن يساهم بشكل واقعي في تقليل و إلغاء الإنبعاثات الضارة من خلال عدد من المقالات القادمة.

قطاع النقل البري

تم النداء بإستخدام الهيدروجين ليحل محل الوقود الأحفوري في قطاع النقل منذ أزمة النفط في السبعينيات وبعد كل أزمة نفطية. و تم بناء أول جرار هيدروجين يستخدم خلايا الوقود في عام 1959.

تستخدم المركبات التي تعمل بالهيدروجين خلايا الوقود التي يتم تغذيتها بوقود الهيدروجين المضغوط والأكسجين (من الهواء) لإنتاج الكهرباء لتشغيل السيارة. المركبات الهيدروجينة أخف من المركبات الكهربائية وتستغرق وقتًا أقل للتزود بالوقود.

كثافة الطاقة

الآن سوف نتحدث عن كثافة الطاقة. كثافة الطاقة لكل كيلوغرام تعني مقدار الطاقة (واط / ساعة في حالتنا) المخزنة في كل كيلوغرام من شيء ما.

وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية ، بلغت كثافة بطاريات EV المتاحة تجاريًا 450 وات / ساعة / كجم في عام 2020.

الآن سعة خزان الهيدروجين في تويوتا ميراي التي تعمل بالهيدروجين هي 122 لترًا (6. 5 كجم) مقسمة بين خزانين مع ضغط الغاز عند 700 بار (700 مرة من الضغط الجوي) وكثافة 1990 وات / ساعة لكل كيلوغرام. بافتراض خزان السيارة حجمه 87.5 كجم.

يحتوي الديزل على كثافة طاقة أقل من الهيدروجين ، ومع ذلك ، يحتوي خزان الديزل على 388 كجم من الديزل فيما يحتوي خزان الهيدروجين 6. 5 كجم فقط

تعد كثافة خزانات الهيدروجين أفضل بكثير من الجيل الحالي من بطاريات EV المتاحة تجاريًا. هناك بطاريات ذات كثافة عاليه، مثل كثافة بطارية ليثيوم أيون التي تنتجها شركة Amprius التي تم ذكرها والتي تبلغ 450 واط / ساعة / كجم والتي يتم استخدامها حاليًا لتشغيل الأقمار الصناعية ، مما يعني أنها ليست بأسعار معقولة حتى الآن بالنسبة للسيارات الكهربائية السائدة.

هناك تطورات واعدة في مجال بطارية الليثيوم. بطاريات الليثيوم-الكبريت لها كثافة نظرية نظرية تبلغ 2500 واط / كجم ، وهي نسبة أعلى بنسبة 66٪ من خزانات الهيدروجين الحالية. ومع ذلك ، لا تزال بطاريات الليثيوم الكبريت قيد البحث ولديها قيودها الخاصة التي تتطلب المزيد من البحث والتطوير قبل أن تصبح جاهزة للسوق.

شاحنات النقل الثقيلة

من خلال زيادة حجم السيارة والوزن الذي تحتاجه للنقل ، سنحتاج إلى بطاريات أكبر. يقودنا هذا إلى شاحنات المسافات الطويلة (أي الفئة 8). يجب أن تحمل هذه الشاحنات أحمالًا أثقل بكثير وأن تظل على الطريق بشكل مستمر لساعات أطول بكثير من الشاحنات والمركبات الأصغر.

في هذه المقالة ، سيتم استخدام 3 شاحنات كهربائية مختلفة كمثال للمقارنة:

• 8TT من شركة BYD

• eCascadia لشركة فريتلاينر ،
• VNR من فولفو

ستتم مقارنة النماذج الثلاثة بالشاحنة الهيدروجينية XCIENT من هيونداي.

كان سيتم ضم Tesla Semi لكن لم يتم الإفصاح حاليا عن أي معلومات حول وزن الشاحنة بدون أحمال. 

السبب الوحيد الذي يُسمح للشاحنات الكهربائية بحد أعلى بالوزن من شاحنات الهيدروجين يرجع إلى اللوائح المحلية. في الولايات المتحدة ، يُسمح للشاحنات الكهربائية بأن تكون أثقل ب 0.9 طن من شاحنات الديزل ، بينما في الاتحاد الأوروبي تم تمديد الحد بمقدار 2 طن. 

من الجداول ، يتضح أن شاحنات الهيدروجين هي خيار أفضل بكثير ، إذا كانت محطات التزود بالوقود الهيدروجيني متاحة بسهولة على الطرق اللوجستية. يمكن لشاحنات الهيدروجين التزود بالوقود بشكل أسرع بكثير من نظيراتها الكهربائية وتحمل المزيد.

ومع ذلك ، فإن أكبر مشكلة تمنع سوق مركبات الهيدروجين من التوسع هي مصدر الهيدروجين. تأتي غالبية الهيدروجين الموجود لدينا في السوق من الوقود الأحفوري والنقطة الرئيسية لاستخدام الشاحنات الهيدروجينية هي للإبتعاد عن الوقود الأحفوري ، لذلك يجب أن يكون الهيدروجين المستخدم أخضر ويتم إنتاجه عبر مصادر متجددة ، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. 

هذا يقودنا إلى حيث تكون المركبات الكهربائية أفضل. الكفاءة. لقد أثبتت فولكس فاجن مؤخرًا أنه في حالة المركبات الكهربائية ، تستخدم السيارة 76٪ من الكهرباء التي تنتجها مصادر الطاقة المتجددة. 

بينما بالنسبة للشاحنات الثقيلة الهيدروجينية ، يكون مسار الطاقة من الحقل إلى السيارة أطول بكثير ويقضي على المزيد من الكهرباء المولدة ، كما هو موضح أدناه. 

باستخدام الهيدروجين الأخضر، سيتم تغذية الطاقة المنتجة من مصدر الطاقة المتجددة في محلل كهربائي ، ثم يتم بعد ذلك ضغط الهيدروجين المنتج لنقله إلى محطة التزود بالوقود. هذا بعد الأخذ في الاعتبار فقدان الطاقة داخل السيارة نفسها ، سينتج عنه إستخدام 30٪ فقط 30% من الطاقة التي ينتجها المصدر المتجدد بالسيارة.

تكلفة الوقود

حاليًا ، يمكننا تخمين كم ستكون تكلفة إعادة شحن بطارية الشاحنة الكهربائية، ولكن الوضع يختلف للشاحنات الهيدروجينة. التسعير الوحيد الموثوق به لدينا للهيدروجين هو من التكلفة المطلوبة لاستخراجه من الغاز الطبيعي من خلال SMR (الهيدروجين الرمادي).

ذكرت وكالة الطاقة الدولية في تقريرها لعام 2021 أن التكلفة القياسية للهيدروجين الأخضر للكيلوغرام الواحد في دول مجموعة العشرين تتراوح حاليًا بين 3$ / كجم و 8 $ / كجم. الرجاء ملاحظة أن التكلفة الموضحة أعلاه لا يتضمن هامش ربح البائع. 

تراوحت تكلفة الكهرباء في الولايات المتحدة بين 0.118 $/ كيلوواط ساعة إلى 0.408 $/ كيلوواط ساعة في عام 2022 ، في حين تراوحت تكلفة وقود الديزل لشاحنة نقل ثقيلة بمتوسط ​​استهلاك 8 أميال للغالون في:

• الولايات المتحدة بين 0.21 $/كم و 0.28 $/كم
• كان البر الرئيسي للاتحاد الأوروبي بين 0.33 دولار / كم و 0.66 دولار / كم.

يوضح الرسم البياني بوضوح أن النطاق المنخفض لتكلفة الهيدروجين بالكاد أرخص عند مقارنته بالديزل في الولايات المتحدة ، وهو أرخص قليلاً من تكلفة الديزل في الاتحاد الأوروبي ، أو نصف شاحنات BYD.

حان الوقت بأن نجعل كل شيء كهربائيًا ، أليس كذلك؟ ليس بالضرورة. 

يعتقد مؤيدو السيارات الكهربائية أن المشكلة المتعلقة بحجم وتكلفة بطاريات المركبات الكهربائية ونقص أجهزة الشحن السريع سيتم حلها في المستقبل القريب ولا ينبغي أن تكون مشكلة في اعتماد المركبات الكهربائية في الوقت الحالي. ومع ذلك ، يمكن تقديم نفس الحجة بالنسبة للهيدروجين الأخضر المطلوب أو شاحنات النقل الثقيل الهيدروجينية. 

علاوة على ذلك ، ليس هناك ما يضمن أن الإلكترونات التي ستتدفق إلى بطاريات المركبات الكهربائية ستكون خضراء بنسبة 100٪. يختلف مزيج الطاقة من منطقة وولاية ودولة إلى أخرى اعتمادًا على سياسات الطاقة الخاصة بهم.

يدور جدل آخر حول استخدام الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين في المقام الأول. يصفه الكثيرون بأنه غير مجدي لاستخدام مصدر طاقة قابل للإستخدام لإنتاج ناقل طاقة مثل الهيدروجين ليقوم بنفس الشيء الذي يمكن أن يفعله ناقل الطاقة الأصلي.

الآن ، هذا يقودنا إلى المقالة التالية. إستخدام الهيدروجين مقابل الكهرباء في الصناعات الثقيلة.