لماذا تحقق المركبات ذات العجلتين العاملة بالهيدروجين قدرةً فائقة على التحمل؟

ميزة كثافة الطاقة: الهيدروجين (H₂) مقابل بطاريات الليثيوم-أيون (من حيث الكتلة والحجم)

ما يجعل الهيدروجين جذّابًا جدًّا للمركبات ذات العجلتين يعود في الأساس إلى كثافته الطاقية. فعند النظر إليه من حيث الوزن، يحتوي الكيلوجرام الواحد من الهيدروجين على ما يقارب ٣٣,٦ كيلوواط ساعة. وهذه القيمة تفوق ما تقدّمه بطاريات الليثيوم-أيون بِأكثر من ١٢٠ ضعفًا، إذ تتراوح كثافتها الطاقية بين ٠,٢٥ و٠,٣ كيلوواط ساعة لكل كيلوجرام. وبسبب هذه الميزة، يمكن أن تكون المركبات التي تعمل بالهيدروجين أخف وزنًا بكثير مع الاحتفاظ بنفس مدى القيادة. والجدير بالذكر أن الهيدروجين يتمتّع بكثافة حجمية أقل، لكن المهندسين توصّلوا إلى حلول ذكية لهذه المشكلة. فهم يخزّنونه تحت ضغط عالٍ جدًّا يتراوح بين ٣٥٠ و٧٠٠ بار داخل خزانات مركبة متطوّرة. وباستخدام هذا النظام، يُمكن تخزين ما يصل إلى ٤٠ غرامًا من الهيدروجين في كل لتر. ومن المتوقع أن يقطع الركّاب أكثر من ٢٥٠ كيلومترًا في كل مرة يملؤون فيها الخزان، وهي ميزة لا تستطيع المركبات الكهربائية ذات البطاريات تحقيقها دون إضافة وزن إضافي كبير جدًّا. وهذه المجموعة المتميّزة من الكثافة الطاقية العالية بالنسبة للوزن وحلول التخزين الذكية تمنح الدراجات النارية والهوائية العاملة بالهيدروجين ميزة تنافسية حقيقية في مجال نقل الأشخاص داخل المدن دون الحاجة إلى حمل تلك البطاريات الثقيلة.

سرعة التزود بالوقود ووقت التشغيل التشغيلي: أقل من ٣ دقائق مقابل شحن يستغرق من ١ إلى ٤ ساعات

سرعة إعادة التزود بالوقود هي العامل الحاسم عند الحديث عن ما ينجح فعليًّا في العالم الحقيقي، وهنا تتفوّق الهيدروجين بلا شك. فمجرد أن تُملأ دراجات السكوتر التي تعمل بالهيدروجين، تستغرق العملية أقل من ثلاث دقائق كاملة، وهي سرعة تُعادل تقريبًا ملء خزان البنزين. وبالمقارنة، فإن بطاريات الليثيوم-أيون تحتاج إلى ما بين ساعة واحدة وأربع ساعات لإعادة شحنها بالكامل. أما بالنسبة للشركات التي تدير أساطيل كبيرة من المركبات، فإن هذه الأرقام تعني تحسّنًا كبيرًا في مدى الاستفادة الفعلية من مركباتها. فعلى سبيل المثال، في خدمات التوصيل: يغطي السائقون نحو ٤٢٠ كيلومترًا يوميًّا، ولا يجلسون عادةً دون حركة انتظارًا لشحن المركبة. بل يواصلون العمل دون انقطاع بين الورديات. كما يشعر المواطنون العاديون الذين يستخدمون المركبات يوميًّا للتنقل داخل المدن بأنهم أقل توتّرًا إزاء نفاد الطاقة وسط رحلتهم، فلا يضطرون بعد الآن إلى إهدار ساعاتٍ ثمينةٍ متصلين بشاحنٍ في مكانٍ ما. فبينما تقيّد المركبات الكهربائية المستخدمين بجداول شحن محددة، يتيح الهيدروجين لهم العودة إلى الخدمة فورًا تقريبًا، وهو ما يفسّر سبب ازدياد شعبيته بين الخدمات التي تتطلّب الدقة في التوقيت أكثر من أي شيءٍ آخر.

الدراجات النارية الصغيرة التي تعمل بالهيدروجين في العمليات الواقعية

تجارب التنقل الحضري: دراجة هوندا كلاريتي للخلية الوقودية الصغيرة وبيانات HySE-1 من طوكيو

السكوترات الهيدروجينية التي خضعت للاختبار في شوارع طوكيو المزدحمة، ومن بينها طرازان من شركة هوندا (كلاريتي فويل سيل) وطراز هاي-إس إي-١ (HySE-1)، حققت مدىً يبلغ نحو ٢٥٠ إلى ٣٠٠ كيلومترٍ من الوقود في خزانٍ واحدٍ حتى عند مواجهة التوقفات المتكررة والمرتفعات والتغيرات في أحوال الطقس. أما عملية إعادة تزويدها بالوقود في محطات الاختبار فهي لا تستغرق سوى ثلاث دقائق فقط، وهي ميزة كبيرة جدًّا مقارنةً بالمركبات الكهربائية التي تحتاج إلى عدة ساعات لإعادة الشحن. وأبرز ما يميّز هذه السكوترات هو قدرتها على الأداء الجيّد باستمرار بعد عمليات التشغيل والإيقاف المتكررة، وكذلك في ظل اختلاف درجات الحرارة بشدة — وهي ظروفٌ لا تستطيع البطاريات التعامل معها دون فقدان جزءٍ من طاقتها تدريجيًّا. وبتحليل جميع هذه البيانات، يصبح من الواضح لماذا قد تكون تقنية الهيدروجين مناسبةً جدًّا للخدمات التي تتطلب تشغيل المركبات بشكلٍ مستمرٍ طوال اليوم، مثل أساطيل سيارات الأجرة أو عمليات التوصيل. فكل دقيقة إضافية تقضيها المركبة في الانتظار لإعادة التزود بالوقود تعني خسارةً في الإيرادات بالنسبة إلى المشغلين في هذه السوق سريعة الإيقاع.

التحقق من صحة الخدمات اللوجستية: المشروع التجريبي لشركة DHL في هامبورغ — ٤٢٠ كم/يوم مع وقت توقف شبه معدوم لإعادة التزود بالوقود

أظهر المشروع التجريبي الذي نفذته شركة DHL في هامبورغ نتائج مقنعة جدًّا في السوق. فقد تمكَّنت دراجاتها النارية الهيدروجينية من قطع مسافة تقارب ٤٢٠ كيلومترًا يوميًّا خلال عمليات التوصيل النهائية، مع الحاجة إلى توقفٍ واحدٍ فقط لإعادة التزود بالوقود عند الظهر. وبالمقارنة مع نظيراتها التي تعمل بالبطاريات، حقَّقت هذه الدراجات النارية أداءً يفوقها بثلاثة أضعاف تقريبًا من حيث عدد المسارات التي يمكن إنجازها في اليوم الواحد. وبقيت هذه الدراجات النارية على الطريق بنسبة ٩٨٪ من الوقت، بينما لم تتجاوز نسبة توفر المركبات الكهربائية المماثلة ٧٤٪. وغالبًا ما تحمل النماذج الكهربائية حمولات أقل بسبب حاجتها إلى بطاريات أكبر للسفر لمسافات أطول، أما الدراجات النارية الهيدروجينية فحافظت على سعتها الكاملة لحمل البضائع بغض النظر عن طول المسافة التي تقطعها. وبعد الاطلاع على نتائج هذه الاختبارات، يصبح من الواضح لماذا يمتلك الهيدروجين ميزةً كبيرةً في عمليات اللوجستيات لمسافات طويلة، حيث تكون محطات الشحن نادرة، وتُشكِّل إدارة الحرارة تحديًّا كبيرًا، كما أن حمل بطاريات إضافية يؤثر سلبًا على المساحة المتاحة لتحميل البضائع الفعلية.

هندسة المركبات ذات الدورة الطويلة: مقايضات التصميم النظامي للمركبات الثنائية العجلات التي تعمل بالهيدروجين

تحسين حزمة خلايا الوقود PEMFC (1.2–1.8 كيلوواط)، والإدارة الحرارية، وتوزيع الوزن

الحصول على عمر افتراضي جيد من هذه الأنظمة لا يقتصر فقط على توفر مصادر وقود قوية. بل يتطلب هندسة دقيقة تشمل مكونات متعددة تعمل معًا بشكل متكامل. فخلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات، أو ما يُعرف بتجميعات خلايا PEMFC، تؤدي أفضل أداءٍ لها عندما تكون مصمَّمة لتوليد طاقة تتراوح بين ١,٢ و١,٨ كيلوواط. وهذه القدرة كافية لتلبية احتياجات القيادة داخل المدن، ومع ذلك فهي صغيرة بما يكفي لضمان ألا يصبح وزن المركبة كبيرًا جدًّا. وعند دمج هذه الخلايا مع بطاريات قادرة على تخزين الطاقة أثناء الكبح وتوفير طاقة إضافية عند الحاجة، تحقق المركبات مدىً يتراوح بين ٨٠ و١٠٠ كيلومترٍ من المسافة المقطوعة باستخدام خزان واحد من الهيدروجين. كما تظل إدارة درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية أيضًا. إذ تؤدي خلايا PEMFC أداءً ممتازًا ضمن نطاق درجات حرارة يتراوح بين ٦٠ و٨٠ درجة مئوية، لكنها تُنتج كمية كبيرة نسبيًّا من الحرارة أثناء التشغيل. وللتخلص من الحرارة الزائدة دون زيادة حجم النظام أو تعقيد تركيبه داخل المركبة، تُستخدم قنوات تبريد خاصة ومواد ذات حالة تغيُّرية (مثل المواد التي تتحول من صلبة إلى سائلة). ويتعامل المهندسون مع مشكلة الوزن عبر تركيب خزانات الهيدروجين إما جنبًا إلى جنب أو من الأمام إلى الخلف، حسب ما يناسب التوازن الأفضل بين الأجزاء الأثقل الموجودة في مقدمة ومؤخرة السيارة. وهذا يساعد في الحفاظ على خصائص القيادة والمناورة المحسَّنة مقارنةً بالأنظمة التقليدية القائمة على البطاريات، حيث تميل جميع المكونات عادةً إلى التجمع بالقرب من مركز المركبة وأرضيتها. ووفقًا لأبحاث أجرتها شركة «أسامة للطيران الفضائي» (Aasma Aerospace) العام الماضي، فإن الهيدروجين يحتوي فعليًّا على طاقة أكبر بكثير مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون — وبمقدار يتراوح بين ٩٢٪ وصولًا إلى ١٧٠٪ أكثر. غير أن تحقيق هذه الأرقام عمليًّا يتطلب التعامل السليم مع مشكلتي توزيع الحرارة والتأثيرات المتبادلة بين المكونات المختلفة أثناء التشغيل. أما الأنظمة المصمَّمة بدقة عالية فتفقد عادةً أقل من ٥٪ من كفاءتها خلال ١٠٠٠ ساعة تشغيل، ما يعني أن المشغلين يمكنهم تشغيلها طوال اليوم دون الحاجة للتوقف لإعادة التزود بالوقود في منتصف نوبات العمل.

العوائق أمام توسيع نطاق اعتماد المركبات ذات العجلتين التي تعمل بالهيدروجين

الطريق نحو الاعتماد الواسع النطاق للدراجات النارية والسكوترات التي تعمل بالهيدروجين يعترضه عدة عوائق رئيسية يجب التغلب عليها. وربما يكون السعر أكبر عقبة أمام هذا التبني في الوقت الراهن. فخلايا الوقود نفسها، إلى جانب خزانات الضغط الثقيلة والمواد الحفازة الخاصة، لا تزال تحمل أسعاراً تجعل هذه المركبات غير ميسورة بالنسبة لمعظم المستهلكين. ثم تأتي مسألة مكان الحصول على الهيدروجين فعلاً: ففي معظم الأماكن خارج المدن الرئيسية التي تُجرى فيها الاختبارات، لا توجد تقريباً أي محطات لإعادة التزود بالوقود على الإطلاق، ما يثير قلق الراكبين من نفاد الوقود أثناء الرحلة. ومن الناحية الهندسية، لا يزال العمل جارياً لضمان أن تكون أنظمة تخزين الهيدروجين قادرةً على الصمود أمام الحوادث والتعامل مع درجات الحرارة القصوى في مختلف المناخات. ولا ينبغي أن ننسى أيضاً انطباعات الناس عند رؤيتهم لهذه المركبات في الشوارع: فكثيرٌ من الأفراد لا يعرفون عن تقنية الهيدروجين سوى القليل، ويشعر بعضهم بالقلق إزاء مسائل السلامة رغم أن هذه التقنية آمنةٌ في حد ذاتها، ويُفضّل هؤلاء الالتزام بالبطاريات لأنها ما اعتادوا رؤيته في كل مكان آخر. ولتحقيق تقدّم حقيقي في هذا المجال، يجب على الشركات المصنِّعة أن ترفع حجم إنتاجها، بينما تقوم الحكومات بتوسيع شبكات محطات إعادة التزود بالوقود. كما يجب أن تتماشى التشريعات مع الإمكانيات التقنية المتاحة اليوم. وببساطة، فإن ضخ الأموال فقط في الأبحاث لن يكون كافياً.

الأسئلة الشائعة

كم يستغرق وقت تعبئة وقود الهيدروجين في مركبة ثنائية العجلات تعمل بالهيدروجين؟

يمكن أن تستغرق عملية تعبئة وقود الهيدروجين في مركبة ثنائية العجلات تعمل بالهيدروجين أقل من ثلاث دقائق، وهي أسرع بكثير من شحن المركبات الكهربائية.

ما مدى السكوترات العاملة بالهيدروجين؟

يمكن للسكوترات العاملة بالهيدروجين أن تقطع مسافات تتراوح بين ٢٥٠ و٣٠٠ كيلومترٍ من خزان واحد، حتى في ظل ظروف متنوعة.

ما هي العوائق الرئيسية أمام اعتماد المركبات الثنائية العجلات العاملة بالهيدروجين؟

تشمل العوائق الرئيسية ارتفاع التكاليف، ونقص بنية تحتية لتعبئة الوقود، ومحدودية الوعي العام بتقنية الهيدروجين.

كيف تختلف خزانات الهيدروجين في التخزين مقارنةً ببطاريات الليثيوم-أيون؟

تُخزن خزانات الهيدروجين الوقود تحت ضغط عالٍ، ما يجعلها أخف وزنًا مع الحفاظ على كثافة طاقة عالية مقارنةً ببطاريات الليثيوم-أيون الأكثر حجمًا.