كيف تمكّن أسطوانات الهيدريد المعدني الدراجات الهوائية العاملة بالهيدروجين

مبدأ تخزين الهيدروجين باستخدام سبائك الهيدريد المعدني

تعمل تخزين الهيدروجين في أسطوانات الهيدريد المعدني على ربط الغاز كيميائيًا بسبيائك خاصة مثل خليط المغنيسيوم والنيكل أو السبائك التي تحتوي على مركبات اللانثانوم. وعند التعرض لضغوط تتراوح بين 10 و30 بار تقريبًا، تمتص هذه المواد الهيدروجين فعليًا إلى هياكلها البلورية. والنتيجة؟ سعة تخزين تفوق بحوالي مرتين إلى ثلاث مرات ما يمكن تحقيقه باستخدام الخزانات التقليدية للغاز المضغوط العاملة عند ضغط 500 بار. وبالنسبة للدراجات النارية الصغيرة الخاصة بالمدن تحديدًا، فهذا يعني أنها يمكن أن تحمل كمية كافية من الهيدروجين لتكون مفيدة دون الحاجة إلى تلك الحاويات الضخمة والثقيلة المطلوبة عادةً. ويُعد ذلك منطقيًا تمامًا عند التفكير في المركبات الصغيرة حيث يكون الوزن والمساحة المتاحة دائمًا من الأمور المهمة.

مزايا أسطوانات الهيدريد المعدني للمركبات الثنائية العجلات في المناطق الحضرية

تشمل الفوائد الرئيسية التي تدفع الاعتماد عليها ما يلي:

• السلامة : التشغيل عند ضغط لا يتجاوز 15٪ من ضغوط خزانات الهيدروجين التقليدية يقلل بشكل كبير من مخاطر الانفجار (تقرير سلامة تخزين الطاقة 2023)
• كفاءة المساحة : يتطلب مساحة أصغر بنسبة 50٪ مقارنة بالخزانات المركبة للحصول على مدى مكافئ
• المتانة : يتحمل أكثر من 8000 دورة شحن مع فقدان أقل من 5٪ في السعة — ويتفوق على بطاريات الليثيوم أيون

هذه الخصائص ذات قيمة كبيرة خاصة لأسطولات التوصيل وخدمات التنقل المشتركة، حيث يعد تقليل وقت التوقف وتكاليف البنية التحتية أمرًا أساسيًا.

دراسة حالة: الدمج العملي في نماذج أولية تجارية للدراجات البخارية الكهربائية

قامت إحدى الشركات الأوروبية مؤخرًا باختبار دراجات نارية صغيرة باستخدام خزانات هيدريد معدني خاصة بسعة 1.2 كجم مثبتة عليها. ماذا وجدوا؟ يمكن لهذه الدراجات أن تقطع حوالي 180 كيلومترًا باستخدام خزان واحد - أي ما يعادل تقريبًا 40٪ أكثر من الدراجات الكهربائية العادية المتاحة حاليًا. وإليك أمرًا مثيرًا للاهتمام: تستغرق عملية إعادة التعبئة حوالي 12 دقيقة فقط في محطات الهيدروجين منخفضة الضغط التي تنتشر في المدن. وهذا منطقي بالنسبة للأشخاص الذين يعيشون في المناطق الحضرية المزدحمة، حيث قد يكون العثور على أماكن شحن أمرًا صعبًا أحيانًا. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الاختبارات التي أجريت خلال أشهر الصيف الحارة نتائج مثيرة للإعجاب أيضًا. فقد ظلت الأنظمة مستقرة حراريًا عند حوالي 98٪ طوال فترة الحرارة الشديدة، مما يعني أنها تعمل بشكل موثوق حتى عند ارتفاع درجات الحرارة في مناطق وسط المدن المزدحمة.

علم المواد وأداء سبائك الهيدريد المعدني

الخصائص الرئيسية: سعة الامتصاص، القابلية للعكس، والثبات

يحدث تخزين الهيدروجين في سبائك الهيدريد المعدني من خلال عمليات الامتزاز الكيميائي، ويصل عادةً إلى قدرات تخزين تتراوح بين 1.2 و3.5 بالمئة وزناً وفقاً لتقرير وكالة الطاقة الدولية لعام 2023. إن إمكانية عكس هذه العملية تعني أنه يمكن تحرير الهيدروجين بكفاءة عند الحاجة، وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على تشغيل الدراجات الكهربائية بشكل مستمر طوال فترة عملها. وعند النظر إلى المواد النانوية البنية مثل سبائك المغنيسيوم والنيكل، فإنها في الواقع تتحسن أداؤها مع مرور الوقت. وتقلل هذه الهياكل المتقدمة من تدهور المادة بنسبة تقارب الثلث مقارنة بالإصدارات العادية الموجودة في السوق اليوم. ويجعل هذا النوع من المتانة فرقاً كبيراً للأجهزة التي تتعرض للتلف المستمر أثناء قيادتها يوماً بعد يوم في شوارع المدن المزدحمة.

السلوك الحراري والديناميكي تحت ظروف التشغيل

إن طريقة تحرير الهيدروجين تعتمد بشكل كبير على التوازن بين درجة الحرارة والضغط بالنسبة لسُبائك مختلفة. وعند النظر إلى درجات حرارة التشغيل النموذجية للدراجات النارية الصغيرة، والتي تتراوح بين حوالي 25 درجة مئوية و60 درجة مئوية، فإن المواد القائمة على اللانثانوم تكون الأفضل أداءً في إطلاق الهيدروجين بسرعة تبلغ نحو 0.8 غرام في الثانية دون فقدان استقرارها عند التسخين. يمكن للمهندسين الأذكياء تعديل هذه الخلائط المعدنية بحيث تتغير حالتها الطورية بالشكل المناسب، مما يقلل من مشكلة التخلف الحراري المزعجة. ونتيجة لذلك، نشهد كفاءة استرداد تصل إلى نحو 92 بالمئة عند فرملة الدراجات النارية وإعادة شحن أنظمتها. إن ضبط هذه الأمور المتعلقة بالديناميكا الحرارية بدقة يعني أن هذه المركبات يمكنها العمل بموثوقية بغض النظر عن الظروف الجوية في المدينة، سواء كانت أيام صيف حار أو صباحات شتاء باردة.

المفاضلات بين كفاءة التخزين ومتانة الدورة

تُظهر السبائك ذات السعة العالية (أكثر من 2.5 بالمئة وزناً) ميلًا للتحلل بعد حوالي 500 إلى 800 دورة شحن، وهي فترة أقصر بنحو 35 بالمئة مما نراه في الخيارات ذات السعة الأقل عند 1.8 بالمئة وزناً. وقد توصل المهندسون إلى حلول هجينة لهذه المشكلة. وتجمع هذه الأنظمة بين خزانات الهيدريد المعدني التي تتولى العمليات العادية ومخزونات الهيدروجين المضغوط المصممة خصيصًا لتوفير طاقة إضافية أثناء مراحل التسارع. ومن خلال دراسة النماذج الحالية قيد الاختبار، يبدو أن هذا المزيج يرفع العمر الافتراضي الكلي لهذه الأنظمة إلى نحو 3,200 دورة كاملة. وهو رقم مثير للإعجاب بالنظر إلى أن الكثافة الطاقية تظل قريبة من 1.8 كيلوواط ساعة لكل كيلوجرام، ما يعادل أداء البدائل ذات السعة الأقل ولكن بعمر افتراضي أطول بكثير.

تحديات التصميم الخاصة بخزانات الهيدريد المعدني في الدراجات النارية الصغيرة

إدارة الحرارة في المنصات المدمجة للمركبات

يبقى تبريد الأشياء واحدة من أكبر المشكلات الصعبة عند محاولة تركيب أسطوانات الهيدريد المعدني في الدراجات النارية الكهربائية. فعند امتصاص الهيدروجين، يُنتج كمية كبيرة من الحرارة، ما قد يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة بحوالي 25 درجة مئوية. وبعد ذلك هناك العملية العكسية التي نحتاج فيها إلى حرارة خارجية لتحرير الهيدروجين، مما يؤدي إلى تقلبات مستمرة في درجة الحرارة يمكن أن تتسبب على المدى الطويل في تآكل المكونات. وفقًا لبعض الأبحاث الحديثة المنشورة العام الماضي في مجلة Energy Storage Materials، فإن هياكل الدراجات ليست جيدة في التخلص من الحرارة مقارنةً بالسيارات التقليدية، حيث تفقد حوالي 40٪ أكثر من الحرارة. وهذا يعني أن المهندسين اضطروا إلى إيجاد حلول إبداعية مثل القنوات التبريدية الصغيرة أو المواد الخاصة التي تتغير حالتها عند التسخين. ومع ذلك، تصبح العملية برمتها عملية موازنة دقيقة. فكل جرام يتم إضافته للتحكم في درجة الحرارة يقلل من المساحة المخصصة للتخزين. وقد رأينا هذا في دراسة منشورة في مجلة Journal of Power Sources عام 2023، والتي أظهرت أن إضافة 300 جرام فقط من معدات التنظيم تقلل سعة التخزين بنحو 12٪. وهذا ليس مثاليًا بالتأكيد عندما يكون كل جزء مهمًا في المركبات المدمجة.

تلبية معايير السلامة والضغط للاستخدام على متن الطائرة

لا تزال أنظمة الهيدريد المعدني تحتاج إلى اهتمام خاص فيما يتعلق بالسلامة، حتى وإن كانت تعمل عند ضغوط أقل بكثير تتراوح بين 10 و30 بار. وفقًا لبحث نشرته SAE International العام الماضي، فإن الدراجات النارية الصغيرة المستخدمة في المدن تتعرض فعليًا لما يقارب ثلاثة أضعاف عدد الصدمات الميكانيكية مقارنةً بالسيارات الركاب العادية. وهذا يعني أن المصانع مضطرة لبناء هذه الأنظمة بحيث تكون قادرة على تحمل جميع أنواع الاهتزازات. ولمنع التسرب، تعتمد الشركات على ختم عالي الجودة يمكنه الصمود أمام آلاف الدورات، وأحيانًا أكثر من 5,000 دورة. أما القواعد الأوروبية الأحدث فتطلب الآن مراقبة مستمرة لمستويات الهيدروجين أيضًا، مما يضيف نحو 18 إلى 25 دولارًا أمريكيًا إضافية لكل وحدة فقط لتغطية تكلفة الحساسات. ولكن هناك بصيص أمل. فقد أظهرت اختبارات أُجريت في معهد فراونهوفر ISE نتيجة مثيرة للإعجاب: حيث حققت نماذجها الأولية أداءً شبه مُحكَم ضد التسرب بنسبة 99.97% تقريبًا، وذلك بفضل مقاعد صمامات مدعمة بالجرافين. وبالتالي، وعلى الرغم من أن الامتثال لهذه المعايير قد يبدو أمرًا صعبًا، إلا أنه يبدو ممكنًا دون التأثير على راحة أو سهولة استخدام المنتج النهائي.

المتطلبات الفنية لتطبيقات الدراجات الثنائية

مقاييس الأداء: سرعة التزود بالوقود، وكثافة الطاقة، وعمر التشغيل

لضمان الجدوى الحضرية، يجب أن تحقق الدراجات الثنائية التي تعمل بالهيدروجين زمن تزود بالوقود لا يتجاوز 3 دقائق، وتتجاوز كثافة طاقتها 1.5 كيلوواط ساعة/كجم (المختبر الوطني للطاقة المتجددة، 2023). وقد أظهرت النماذج الأولية الحديثة التي تستخدم سبائك هيدريد المعادن المتقدمة مثل LaNi5 أكثر من 500 دورة شحن مع تدهور في السعة لا يزيد عن 15٪، ما يستوفي متطلبات العمر الافتراضي للاستخدام اليومي من قبل ركاب النقل المنتظم.

التكامل مع نُظم الدفع الهجينة وأنظمة البطاريات

تستفيد أنظمة الدفع الهجينة من أسطوانات هيدريد المعادن التي تدعم بطاريات الليثيوم أيون أثناء التسارع. ووفقاً للبحث المنشور في مجلة مصادر الطاقة عام 2023، فإن استخدام كلا مصدري الطاقة يقلل من الزيادات الكبيرة في طلب البطارية بنسبة تتراوح بين 40 إلى 60 بالمئة. وهذا بدوره يساعد فعلياً في إطالة عمر المكونات قبل الحاجة إلى استبدالها. وتُصمم أحدث أشكال الأسطوانات المسطحة لتتناسب تماماً داخل هيكل الدراجات البخارية الحديثة دون احتلال المساحة القيّمة تحت القدمين، حيث يحتاج الركاب إلى مساحة كافية. كما أنها تُدير الحرارة بكفاءة عالية، مع أنظمة تبريد مدمجة تصل كفاءتها إلى ما بين 96 و98 بالمئة. بالنسبة للشركات التي تشغّل عدداً كبيراً من الدراجات البخارية عبر خدمات مشاركة الرحلات، فإن أفضل التجهيزات تجمع بين معدلات إطلاق غاز سريعة لا تقل عن 0.12 غرام في الثانية عند وصول درجات الحرارة إلى 60 مئوية، إلى جانب آليات أمان مدمجة. وتعني هذه التركيبات حدوث مشاكل صيانة أقل على المدى الطويل، وهي بالضبط النتيجة التي يرغب مشغلو الأساطيل في سماعها.

الهيدريد المعدني مقابل الهيدروجين المضغوط: اختيار الحل المناسب

مقارنة من حيث السلامة وكفاءة استغلال المساحة وسهولة الاستخدام في البيئات الحضرية

تعمل أنظمة الهيدريد المعدني عند ضغوط قريبة من الضغط الجوي (10–30 بار)، مما يلغي مخاطر الانفجار المرتبطة بالخزانات المضغوطة بضغط 700 بار. ويتيح التخزين في الحالة الصلبة تجنب الغلافات الكبيرة المصنوعة من ألياف الكربون والصمامات القابلة للتسرب، ما يحرر ما بين 40 و60٪ إضافية من المساحة داخل هياكل الدراجات النارية الصغيرة. وتُحسّن هذه الكثافة المكانية الصغيرة من قدرة المناورة دون التضحية بسعة الهيدروجين، وتتماشى مع معايير السلامة ISO 16111 الخاصة بالمركبات ذات العجلتين.

آثار التكلفة على دورة الحياة والصيانة

قد تبدأ تكلفة خزانات الهيدروجين المضغوط أرخص، حوالي 800 إلى 1200 دولارًا لكل منها، لكن أنظمة الهيدريد المعدني توفر المال على المدى الطويل. يمكن لهذه الأنظمة أن تدوم لأكثر من 5000 دورة شحن مع تسرب ضئيل جدًا للهيدروجين بمرور الوقت. وفقًا لبعض أبحاث وزارة الطاقة، فهذا يعني تكلفة تخزين تبلغ سنتين فقط لكل كيلوواط ساعة على مدى عشر سنوات، أي حوالي نصف التكلفة التي تفرضها الخيارات المضغوطة. كما تنخفض فاتورة الصيانة بنسبة 30 بالمئة تقريبًا لأن هناك عناصر حرارية أقل تعقيدًا تتطلب القلق، ولا حاجة بعد الآن لاختبار الضغوط بشكل منتظم.

الأسئلة الشائعة

ما هي اسطوانات الهيدريد المعدني؟

اسطوانات الهيدريد المعدني هي أجهزة تخزين تستخدم سبائك الهيدريد المعدني لتخزين الهيدروجين عن طريق الربط الكيميائي له داخل البنية البلورية للمادة.

كيف يعمل تخزين الهيدروجين في الهيدريدات المعدنية؟

يتم تخزين الهيدروجين في الهيدريدات المعدنية بالارتباط مع سبائك خاصة، والتي تمتصه داخل شبكتها البلورية عند ضغوط معينة.

ما هي مزايا استخدام أسطوانات الهيدريد المعدني للدراجات النارية الصغيرة؟

إنها توفر السلامة من خلال العمل بضغوط أقل، ولها حجم أصغر مقارنة بالخزانات التقليدية، كما أنها شديدة التحمل وتتميز بالقدرة على تحمل العديد من دورات الشحن.

لماذا تعد أسطوانات الهيدريد المعدني مناسبة للمركبات الثنائية الحواف في البيئة الحضرية؟

إن صغر حجمها وانخفاض وزنها يجعلها مثالية للدراجات النارية الصغيرة، حيث تكون المساحة والوزن محدودتين.

كم يستغرق وقت إعادة تعبئة دراجة نارية تعمل بالهيدروجين باستخدام أسطوانات الهيدريد المعدني؟

تستغرق عملية إعادة التعبئة حوالي 12 دقيقة في محطات الهيدروجين منخفضة الضغط.