خلايا الوقود مقابل. البطاريات: التقنيات المتنافسة في النقل

السباق لإزالة الكربون من وسائل النقل يشتعل. بينما تتصارع المدن مع المخاوف المتعلقة بجودة الهواء وتلتزم الدول بأهداف صافية صفرية، ظهرت تقنيتان في المقدمة: خلايا الوقود والبطاريات. ويعد كلاهما بأنظمة نقل أنظف وأكثر هدوءًا. كلاهما لديه مناصرين صريحين واستثمارات كبيرة تدعمهم. ومع ذلك، فهما يعملان وفق مبادئ مختلفة جوهريًا ويتفوقان في سيناريوهات مختلفة.

إن فهم التكنولوجيا التي تناسب الأماكن المهمة أكثر من أي وقت مضى. تتخذ وكالات النقل قرارات بقيمة مليار دولار تتعلق بالبنية التحتية والتي ستشكل التنقل الحضري لعقود من الزمن. يراهن المصنعون على خطوط الإنتاج. ويعمل صناع السياسات على صياغة حوافز يمكن أن تقلب الموازين. يتطلب اتخاذ هذه القرارات بشكل صحيح النظر إلى ما هو أبعد من الضجيج لدراسة الأداء في العالم الحقيقي، ومسارات التكلفة، والقيود العملية للنشر.

هذا لا يتعلق بإعلان الفائز. يتعلق الأمر بفهم كيفية قيام كل من وسائل النقل بخلايا الوقود والمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات بأدوارها في مشهد الطاقة النظيفة لعام 2025 وما بعده.

فهم خلايا الوقود مقابل البطاريات: التقنيات المتنافسة أثناء النقل

في جوهرها، تعمل خلايا الوقود والبطاريات على تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء لتشغيل المركبات. يكمن الاختلاف في كيفية تخزين هذه الطاقة وإطلاقها.

تقوم السيارات التي تعمل بالبطارية بتخزين الكهرباء في خلايا أيون الليثيوم، على غرار النسخة العملاقة من بطارية هاتفك. يتم شحنها من الشبكة، وتحتفظ بهذه الطاقة على متنها، ثم تقوم بتفريغها من خلال محرك كهربائي. هذه العملية بسيطة ومثبتة وفعالة بشكل متزايد. إن هيمنة تسلا على سيارات الركاب وانتشار الحافلات الكهربائية في المدن الصينية تثبت نضج التكنولوجيا.

تولد مركبات خلايا الوقود الكهرباء على متنها عن طريق دمج الهيدروجين مع الأكسجين في تفاعل كهروكيميائي. يتم تخزين الهيدروجين في خزانات الضغط العالي، والمنتج الثانوي الوحيد هو بخار الماء. فكر في الأمر على أنه محطة طاقة مصغرة تعمل باستخدام أنظف وقود متاح، مما يوفر طريقًا لنقل حقيقي بدون انبعاثات عندما يقترن بإنتاج الهيدروجين الأخضر.

يتمحور الابتكار الذي يحدث في مجال النقل بخلايا الوقود حول جعل أنظمة الهيدروجين عملية على نطاق واسع. تعمل شركات مثل Ballard Power Systems وPlug Power على خفض التكاليف مع تحسين المتانة. وفي الوقت نفسه، تواصل تكنولوجيا البطاريات مسيرتها الثابتة نحو كثافة طاقة أعلى وشحن أسرع، حيث تعد بطاريات الحالة الصلبة بقفزة أخرى إلى الأمام.

تبدو الطاقة النظيفة في عام 2025 مختلفة حسب التطبيق. تتفوق البطاريات في الطرق الحضرية قصيرة المدى حيث تعود المركبات إلى المستودع للشحن طوال الليل. تتألق خلايا الوقود في النقل بالشاحنات لمسافات طويلة، والنقل البحري، والتطبيقات الثقيلة حيث يكون الوزن ووقت التزود بالوقود مهمًا. يقوم مشغلو السكك الحديدية في ألمانيا والمملكة المتحدة بالفعل بتشغيل قطارات الهيدروجين على خطوط غير مكهربة، مما يثبت أن المفهوم يعمل خارج بيئات الاختبار الخاضعة للرقابة.

تظل التكلفة هي الفيل الموجود في الغرفة. انخفضت أسعار البطاريات بنسبة 90% خلال العقد الماضي، مما جعل الحافلات الكهربائية قادرة على المنافسة من حيث التكلفة مع الديزل في العديد من الأسواق. وعلى النقيض من ذلك، تتطلب البنية التحتية للهيدروجين استثمارات أولية كبيرة في محطات الإنتاج والتخزين والتزود بالوقود. ومع ذلك، بالنسبة للمركبات الثقيلة التي تسافر لمسافات طويلة، تتغير معادلة التكلفة الإجمالية للملكية. يمكن لشاحنة الهيدروجين التزود بالوقود في دقائق وتحمل حمولة أكبر من نظيرتها في البطارية، والتي قد تحتاج إلى ساعات من الشحن ومئات الكيلوجرامات من وزن البطارية الإضافي.

تحكي كفاءة الطاقة جزءًا آخر من القصة. تعمل المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات على تحويل حوالي 77% من كهرباء الشبكة إلى حركة. وتدير المركبات التي تعمل بخلايا الوقود، والتي تمثل إنتاج الهيدروجين وضغطه وتحويله، حوالي 30-40%. وهذه الفجوة في الكفاءة مهمة عندما تكون الكهرباء باهظة الثمن أو كثيفة الكربون. ولكن عندما تكون الطاقة المتجددة وفيرة ورخيصة، يصبح إنتاج الهيدروجين الأخضر وسيلة لتخزين ونقل تلك الطاقة إلى حيث تشتد الحاجة إليها.

حالات الاستخدام العملي والتطبيقات العالمية

تلتقي النظرية بالواقع عندما تقوم وكالات النقل بكتابة الشيكات ووضع المركبات على الطريق. تكشف أنماط النشر الناشئة في جميع أنحاء العالم عن المجالات التي تتفوق فيها كل تقنية حقًا.

أصبحت أساطيل الحافلات الحضرية بمثابة أرض اختبار لكلا النهجين. قامت مدينة شنتشن الصينية بتحويل أسطولها المكون من 16 ألف حافلة بالكامل إلى استخدام البطاريات الكهربائية بحلول عام 2017، مما يدل على أن النقل الحضري يمكن أن يصبح كهربائيًا على نطاق واسع. تعمل الحافلات على مسارات ثابتة مع متطلبات طاقة يمكن التنبؤ بها، وتعود إلى المستودعات حيث توجد بالفعل بنية تحتية للشحن الليلي. وحذت لوس أنجلوس والعديد من المدن الأوروبية حذوها، حيث أثبتت حافلات البطاريات موثوقيتها وفعالة من حيث التكلفة لعمليات المدينة.

تحكي حافلات الهيدروجين قصة مختلفة. وهي تظهر في المدن التي يكون فيها التزود بالوقود المركزي أمرًا منطقيًا أو حيث تدعمها البنية التحتية الحالية. تدير أبردين، اسكتلندا، أكبر أسطول من حافلات الهيدروجين في أوروبا، حيث يتم التزود بالوقود في محطة تخدم أيضًا المركبات البلدية الأخرى. تصبح ميزة التكامل واضحة عندما تشترك أنواع متعددة من المركبات في نفس البنية التحتية للطاقة، مما يؤدي إلى توزيع تكلفة إنتاج الهيدروجين وتخزينه.

يكشف النقل بالشاحنات لمسافات طويلة عن أقوى حالة لخلايا الوقود بدأت شركتا نيكولا وهيونداي برامج تجريبية لشاحنات نصف هيدروجينية قادرة على قطع مسافة تزيد عن 500 ميل مع أوقات للتزود بالوقود مدتها خمس دقائق. تعاني شاحنات البطاريات من عقوبة الوزن؛ إن نقل ما يكفي من البطاريات لمسافات طويلة يؤدي إلى استهلاك سعة الحمولة التي يعتمد عليها مشغلو الشاحنات لتحقيق الربحية. بالنسبة للتسليم الإقليمي في نطاق 200 ميل، تعمل شاحنات البطاريات بشكل جيد. بالنسبة للشحن عبر البلاد، يصبح التزود بالوقود السريع بالهيدروجين وخفة الوزن من المزايا الحاسمة.

يقدم النقل بالسكك الحديدية أمثلة مقنعة لكلتا التقنيتين أثناء العمل. تعمل قطارات البطاريات بنجاح على خطوط فرعية أقصر في اليابان وألمانيا، حيث تخزن طاقة الكبح المتجددة وتعمل بطاقة البطارية من خلال أقسام غير مكهربة. دخلت قطارات الهيدروجين مثل Alstom Coradia iLint الخدمة التجارية في ألمانيا، لتحل محل الديزل على الطرق الإقليمية الأطول حيث ستكلف كهربة الأسلاك العلوية مئات الملايين.

بدأت التطبيقات البحرية للتو في استكشاف كلا الخيارين. تعمل العبّارات ذات الطرق القصيرة في النرويج بالبطاريات، ويتم شحنها أثناء تحميل الركاب في محطات مجهزة بوصلات عالية الطاقة. تتطلع طرق الشحن الأطول إلى خلايا وقود الهيدروجين والأمونيا باعتبارها الخيار الوحيد القابل للتطبيق بدون انبعاثات. إن متطلبات الطاقة الهائلة لسفن الحاويات تجعل البطاريات غير عملية؛ ستحتاج سفينة الشحن الكهربائية بالكامل إلى تخصيص معظم طاقتها للبطاريات بدلاً من الشحن.

ويمتد تأثير عمليات النشر هذه إلى ما هو أبعد من خفض الانبعاثات. تشهد المدن التي لديها أساطيل من الحافلات الكهربائية انخفاض تكاليف الصيانة وشوارع أكثر هدوءًا. تخلق محطات التزود بالوقود الهيدروجيني فرص عمل في مجال إنتاج الهيدروجين وتوزيعه. لكن تحديات التكامل حقيقية. تتطلب أساطيل البطاريات ترقيات الشبكة للتعامل مع أحمال الشحن. تحتاج أنظمة الهيدروجين إلى سلاسل توريد وبروتوكولات أمان جديدة تمامًا.

وتوضح تجربة كاليفورنيا كلاً من الوعد والمزالق. استثمرت الولاية بكثافة في البنية التحتية للهيدروجين من خلال أكثر من 50 محطة للتزود بالوقود، إلا أن مشكلات الموثوقية ومحدودية توفر المحطات أحبطت المستخدمين الأوائل. وفي الوقت نفسه، ارتفعت مبيعات السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات بفضل البنية التحتية للشحن الأكثر بساطة والتي يسهل الوصول إليها. الدرس المستفاد: غالبًا ما يكون توفر البنية التحتية أكثر أهمية من الأداء النظري للمركبة.

التقنيات الناشئة والاتجاهات الاستراتيجية

المشهد التنافسي بين خلايا الوقود والبطاريات ليس ثابتًا. تعمل الإنجازات في علوم المواد وعمليات التصنيع والتقنيات الداعمة على تغيير المعادلة في الوقت الفعلي.

تمثل بطاريات الحالة الصلبة الحدود التالية في تكنولوجيا البطاريات. ومن خلال استبدال الإلكتروليتات السائلة بمواد صلبة، تعد هذه البطاريات بكثافة طاقة أعلى وشحن أسرع وتحسين السلامة. تتسابق شركتا تويوتا وكوانتوم سكيب لتسويق تكنولوجيا الحالة الصلبة بحلول أواخر عشرينيات القرن الحالي. إذا نجحت، يمكن لبطاريات الحالة الصلبة توسيع نطاق السيارة الكهربائية إلى أكثر من 500 ميل أثناء الشحن خلال 10 إلى 15 دقيقة، مما يتعدى على المزايا التقليدية لخلايا الوقود.

أصبح إنتاج الهيدروجين الأخضر مجديًا اقتصاديًا مع انخفاض تكاليف الطاقة المتجددة. يمكن الآن للمحللات الكهربائية التي تعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح إنتاج الهيدروجين بأسعار تقترب من تكافؤ الوقود الأحفوري في المناطق ذات الموارد المتجددة الممتازة. وتقوم المشاريع في أستراليا وتشيلي والشرق الأوسط ببناء منشآت للهيدروجين الأخضر بحجم جيجاوات، مما يؤدي إلى إنشاء البنية التحتية للإمداد التي يتطلبها النقل بخلايا الوقود.

ويعمل الذكاء الاصطناعي على تحسين كلتا التقنيتين بطرق غير متوقعة. تتنبأ خوارزميات التعلم الآلي الآن بتدهور البطارية، مما يسمح لمديري الأساطيل بتحسين أنماط الشحن وإطالة عمر البطارية بنسبة 20-30%. بالنسبة لأنظمة الهيدروجين، يساعد التنبؤ بالطلب المدعوم بالذكاء الاصطناعي على تحديد الحجم المناسب للبنية التحتية للتزود بالوقود وتنسيق الإنتاج مع توفر الطاقة المتجددة. تجعل هذه الأنظمة الذكية كلتا التقنيتين أكثر عملية وفعالية من حيث التكلفة.

وتتبلور أطر السياسات حول أساليب محايدة تكنولوجيا تركز على النتائج بدلا من اختيار الفائزين. تلتزم استراتيجية الهيدروجين في الاتحاد الأوروبي بمبلغ 430 مليار يورو لبناء البنية التحتية للهيدروجين مع دعم المصانع العملاقة للبطاريات. يكافئ معيار الوقود منخفض الكربون في كاليفورنيا تخفيضات الانبعاثات بغض النظر عن التكنولوجيا. ويسمح هذا الحياد السياسي لكل تكنولوجيا بالتنافس على أساس الجدارة وفي الوقت نفسه دفع الابتكار في جميع المجالات.

تتطور اعتبارات الاستدامة إلى ما هو أبعد من انبعاثات العوادم. تأخذ تحليلات دورة الحياة الآن في الاعتبار استخراج المعادن من البطاريات، وانبعاثات التصنيع، وإعادة التدوير في نهاية العمر. يثير تعدين الليثيوم والكوبالت مخاوف بيئية وأخلاقية يجب على صناعة البطاريات معالجتها. يواجه الهيدروجين أسئلة حول استهلاك المياه في الإنتاج وكثافة الكربون في معظم الهيدروجين الحالي، والذي يأتي من إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بدلاً من التحليل الكهربائي.

إن دمج كلتا التقنيتين في أنظمة الطاقة الأوسع قد يكون في نهاية المطاف أكثر أهمية من مقارنات المركبات وجهاً لوجه. يمكن للبطاريات أن تعمل على استقرار الشبكات الكهربائية عن طريق تخزين الطاقة المتجددة الزائدة. يمكن للهيدروجين نقل الطاقة لمسافات طويلة وتخزينها موسميًا. تتيح تقنية 'المركبة إلى الشبكة' للحافلات والشاحنات الكهربائية إعادة الطاقة إلى الشبكة أثناء ذروة الطلب. يمكن للهيدروجين الذي يتم إنتاجه خلال فترات توليد الطاقة المتجددة الفائضة تشغيل المركبات التي تعمل بخلايا الوقود عندما يكون أداء مصادر الطاقة المتجددة ضعيفًا.

وتعكس استراتيجيات الشركات هذا التعقيد. وتتبع شركات صناعة السيارات الكبرى كلا المسارين في وقت واحد. وتستثمر شركتا هيونداي وتويوتا بكثافة في الهيدروجين بينما تقومان أيضًا بتوسيع تشكيلات البطاريات الكهربائية. الهدف ليس المراهنة بكل شيء على تقنية واحدة، بل تقديم الحل المناسب لكل حالة استخدام. ويعترف هذا النهج العملي بأن احتياجات العبور المختلفة تتطلب إجابات مختلفة.

الطريق إلى الأمام من أجل النقل النظيف

إن الجدل حول خلايا الوقود مقابل البطاريات يخطئ في هذه النقطة. وتحتاج إزالة الكربون أثناء النقل إلى كلا التقنيتين، حيث يتم نشرهما حيثما يكون أداء كل منهما على أفضل وجه. فازت البطاريات في معركة سيارات الركاب والحافلات الحضرية. تستحوذ خلايا الوقود على مساحة كبيرة في تطبيقات الخدمة الشاقة والمسافات الطويلة حيث تعاني البطاريات من الوزن ووقت الشحن.

يعتمد النجاح على بناء البنية التحتية التي تتطلبها كلتا التقنيتين. وهذا يعني ترقية الشبكة لشحن السيارات الكهربائية، وإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع، والأنظمة الذكية التي تعمل على تحسين استخدام الطاقة عبر شبكة النقل. ويعني السياسات التي تكافئ تخفيضات الانبعاثات دون فرض تقنيات محددة، مما يسمح للإبداع بالازدهار.

ويركز مشغلو النقل العام، الذين يحصلون على هذا الأمر بشكل صحيح، على التكلفة الإجمالية للملكية، وليس فقط على سعر شراء السيارة. وهم يأخذون في الاعتبار تكاليف الطاقة، ومتطلبات الصيانة، والاستثمارات في البنية التحتية، والمرونة في التكيف مع تحسن التكنولوجيات. إنهم يجربون حلولاً جديدة على الطرق التي تكون منطقية فيها قبل الالتزام بالتحويلات على مستوى الأسطول.

بالنسبة لأي شخص مشارك في قرارات النقل، الرسالة واضحة: فهم حالة الاستخدام المحددة الخاصة بك، وتقييم كلا الخيارين بأمانة، والاستعداد لمستقبل تتعايش فيه تقنيات نظيفة متعددة. إن ثورة النقل المستدام لن تعمل على تكنولوجيا واحدة. سيتم تشغيله على اختيار الأداة المناسبة لكل وظيفة.

نقل خلايا الوقود

أنظمة تخزين الطاقة المنزلية

بطارية أيون الصوديوم مقابل أيون الليثيوم