لطالما كانت السيارات التقليدية التي تستخدم مشتقات البترول تتسيِّد السوق العالمي طيلة العقود الماضية؛ نظرًا لتوفر المشتقات البترولية وازدهار الصناعات المعتمدة على ذلك، وبمرور الزمن وخصوصًا في العقدين الأخيرين بدأت تظهر المشاكل البيئية كالاحتباس الحراري والانبعاثات الكربونية مما جعل الكثير من الدول تتجه نحو الاعتماد على الطاقة النظيفة كأحد الحلول المتاحة، ولاعتبارات أخرى تتعلق بأسعار البترول والمشاكل الواقعة في سلاسل الإمداد خصوصًا في فترة الجائحة الأخيرة اتجهت العديد من الدول بجدية نحو الطاقة البديلة حيث يمكن توليدها ونقلها في نطاقات قريبة من مراكز الإنتاج، ولعل أحد أبرز الأمثلة على ذلك هي السيارات الكهربائية والتي سنتعرف عليها في هذا المقال.
نظرة حول السيارات التقليدية:
لكي نفهم طريقة عمل السيارات الكهربائية Electrical Vehicles سنتعرف أولًا على كيفية عمل السيارات التقليدية Conventional Vehicles ويصطلح أحيانًا عليها Gasoline Vehicles، حيث أن السيارات التقليدية تستخدم الوقود لتزويد المحرك بالطاقة اللازمة للعمل و هذا الوقود عبارة عن مشتقات بترولية، مثل:
- البنزين – Petrol.
- الديزل – Diesel.
- الغاز المضغوط – Gasoline.
تتميز السيارات التقليدية بأدائها المتميز وملاءمتها للظروف البيئية المختلفة إلا أنه على الجانب الآخر فإن احتراق الوقود داخل محرك السيارة -كعملية أساسية لتوليد الطاقة- ينتج عنه انبعاثات كربونية ضارة تعرف بـ CO2 Emissions، كما في شكل (1).
يتزايد ضرر هذه الانبعاثات على البيئة بمرور الوقت، حيث وصلت لما يقارب من 35 مليار طن بحلول عام 2019، شكل (2).
كيف تعمل السيارات الكهربائية؟
السيارات الكهربائية Electrical Vehicles هي أحد الخيارات البديلة والتي تستخدم الكهرباء كمصدر طاقة رئيسي، حيث ازدهر في العقد الأخير قطاع الأبحاث والتصنيع في هذا المجال، ومن أبرز الشركات المصنعة للسيارات الكهربائية:
- Tesla، شكل (3).
- Lucid Motors والذي يستثمر فيها صندوق الاستثمارات السعودي، شكل (4).
تتشارك السيارات الكهربائية والتقليدية نفس مبادئ الحركة والميكانيكا ولكن تختلفان في مصدر الطاقة الذي ينتج هذه الحركة، حيث تستخدم السيارات الكهربائية الكهرباء كمصدر أساسي للطاقة عوضًا عن المشتقات البترولية في التقليدية.
أنواع السيارات الكهربائية:
1- السيارات الكهربائية الكاملة (All-Electric Vehicles):
تحتوي السيارات الكهربائية الكاملة على محرك كهربائي عوضًا عن محرك الاحتراق الموجود في التقليدية، مما يعني أنه لا يوجد عملية احتراق لتوليد الطاقة بل يوجد انتقال للطاقة من الحالة الكهربائية إلى الحركية، وهذا يفسر عدم وجود عوادم طاردة لغازات الاحتراق كما الحال في التقليدية الأمر الذي قاد وكالة حماية البيئة الأمريكية U.S. Environmental Protection Agency إلى تصنيف جميع السيارات الكهربائية الكاملة بأنها سيارات بلا انبعاثات كربونية.
تحتوي السيارات الكهربائية الكاملة على المكونات الرئيسية التالية، كما في شكل (5):
• حزمة البطاريات (Battery Pack):
مجموعة من البطاريات متصلة ببعضها البعض و تقوم بتخزين الطاقة الكهربائية ليتم استخدامها من قبل محرك السحب الكهربائي.
• محرك السحب الكهربائي (Electric Traction Motor):
باستخدام الطاقة الكهربائية الموجودة في حزمة البطاريات يقوم هذا المحرك بتحريك عجلات السيارة، وبعض السيارات الكهربائية تستخدم محركات مولدة تقوم بتحريك السيارة وإعادة توليد جزء من الطاقة في نفس الوقت.
• متحكم الطاقة الإلكتروني (Power Electronics Controller):
تقوم هذه الوحدة بالتحكم بعبور الطاقة الكهربائية الناتجة من حزمة البطاريات الرئيسية إلى المحرك الكهربائي مما يؤدي إلى تحكم بسرعة دوران المحرك والعزم الناتج عنه.
• ناقل الحركة الكهربائي Transmission (electric):
يقوم بنقل الطاقة الميكانيكية من محرك السحب الكهربائي لتدوير العجلات.
• منفذ الشحن (Charge Port):
يتيح هذا المنفذ عملية توصيل البطارية الرئيسية بنظام الشحن الخارجي.
• محول التيار المستمر (DC/DC Convertor):
تتغذى السيارة الكهربائية من مصدر طاقة كهربائي ذو تردد مستمر وبجهد مرتفع، ويقوم هذا الجهاز بتخفيض جهد هذه الطاقة إلى جهد أقل من أجل شحن البطارية المساعدة وتغذية المكونات الإلكترونية داخل السيارة، مثل: شاشة الملاحة، وأنظمة الصوت، وعداد المسافة.
• البطارية الثانوية – Auxiliary Battery:
مهمتها تزويد معدات السيارة الإلكترونية بالطاقة اللازمة للعمل، مثل:
- الشاحن الموضعي (Onboard Charger):
في حال تم تغذية السيارة من مصدر طاقة كهربائية ذو تيار متردد AC Power Supply فإن الشاحن الموضعي يقوم بتحويلها إلى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر DC Power ليتم تغذية حزمة البطاريات الرئيسية بها، كذلك يقوم الشاحن الموضعي بالاتصال بمعدات الشحن ومراقبة خواص حزمة البطاريات الرئيسية كالجهد، وكمية التيار الناتجة عنها، ودرجة الحرارة، وحالة الشحن. - النظام الحراري (التبريد)، Thermal System (cooling):
يقوم هذا النظام بضبط درجة الحرارة؛ لتوفير درجة مناسبة لعمل مكونات السيارة المختلفة. - حزمة البطاريات (Battery Pack):
مجموعة من البطاريات متصلة ببعضها البعض تقوم بتخزين الطاقة الكهربائية ليتم استخدامها من قبل محرك السحب الكهربائي.
2- السيارات الكهربائية الهجينة (Hybrid Vehicles):
تدمج بين خواص السيارات التقليدية والكهربائية، حيث تعمل بشكل رئيسي عن طريق محرك احتراق داخلي بجانب محرك كهربائي يستخدم الطاقة الموجودة في حزمة البطاريات، والبطاريات الموجودة في هذه السيارات لا يتم شحنها مباشرة عن طريق مصدر خارجي بل يتم شحن البطارية عن طريق إعادة استخدام الطاقة المهدرة الناتجة من ضغط المكابح وكذلك عن طريق محرك الاحتراق الداخلي أثناء عمله، والطاقة الكهربائية الإضافية التي يزودها المحرك الكهربائي والقادمة من البطاريات تزود السيارة بكمية بسيطة من الطاقة لكي تعمل، يمكن للبطارية أيضًا تشغيل الأحمال الإضافية وتقليل تباطؤ المحرك عند التوقف وتؤدي هذه الميزات معًا إلى توفير أفضل للوقود دون الإخلال بالأداء.
تختلف السيارات الكهربائية الهجينة عن الكهربائية الكاملة في أنها لا تحتوي على منفذ الشحن والشاحن الموضعي وكذلك تحتوي على المكونات الإضافية التالية، كما في شكل (6):
• منفذ الوقود (Fuel Filler):
يقوم هذا المنفذ بنقل الوقود البترولي إلى خزان السيارة.
• خزان الوقود البترولي، Fuel Tank (Gasoline):
يقوم بتخزين الوقود البترولي لتزويد المحرك به عند الحاجة.
• نظام التفريغ (Exhaust System):
يقوم هذا النظام بتفريغ الانبعاثات الكربونية الناتجة عن احتراق الوقود داخل المحرك إلى خارج السيارة عبر الأنابيب (العادم).
• محرك الاحتراق الداخلي (اشتعال)، Internal Combustion Engine (spark ignited):
يخلط الوقود مع الهواء ويتم حقنه داخل المحرك بشرارة اشتعال.
• المولد الكهربائي (Electric Generator):
يقوم هذا المولد بتوليد طاقة كهربائية باستخدام حركة دوران العجلات نتيجة ضغط المكابح وإرسالها إلى حزمة البطاريات لإعادة شحنها، هناك بعض السيارات الكهربائية الهجينة تستخدم طاقة المولد في نفس الوقت لتزويد السيارة بالحركة.
3- السيارات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن (Plug-in Hybrid Electric Vehicles):
تختلف عن النوع السابق في إمكانية شحن حزمة البطاريات مباشرة من مصدر خارجي مما يجعل حجم البطاريات أكبر؛ لأن إمكانية الشحن أصبحت متاحة ونتيجة لذلك فإن الاعتماد على المحرك الكهربائي سيصبح أكبر.
تحمل السيارات الهجينة القابلة للشحن نفس مكونات الكهربائية الهجينة وتزيد عليها في مكونين فقط وهما كما في شكل(7):
• منفذ الشحن (Charge Port):
يتيح هذا المنفذ عملية توصيل البطارية الرئيسية بنظام الشحن الخارجي.
• الشاحن الموضعي (Onboard Charger):
في حال تم تغذية السيارة من مصدر طاقة كهربائية ذو تيار متردد AC Power Supply فإن الشاحن الموضعي يقوم بتحويلها إلى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر DC Power ليتم تغذية حزمة البطاريات الرئيسية بها، كذلك يقوم الشاحن الموضعي بالاتصال بمعدات الشحن ومراقبة خواص حزمة البطاريات الرئيسية كالجهد، وكمية التيار الناتجة عنها، ودرجة الحرارة، وحالة الشحن.
4 – السيارات الهيدروجينية (Hydrogen Fuel Cell):
تتشابه السيارات الهيدروجينية مع الكهربائية الكاملة في آلية العمل فكلاهما يستخدم الطاقة الكهربائية كمصدر للطاقة، ولكن الاختلاف يكمن في أن السيارات الهيدروجينية تنتج الطاقة الكهربائية داخليًا في السيارة عن طريق خلية وقود هيدروجينية تسمى Hydrogen Fuel Cell، حيث تتزود بالهيدروجين من مصدر خارجي ويتم حدوث تفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الطاقة الكهربائية واستخدامها داخل السيارة، لذلك هي تحمل نفس مكونات الكهربائية الكاملة وتزيد عنها في المكونات التالية، كما في شكل (8):
• خزان الهيدروجين:
يقوم بتخزين الوقود الهيدروجيني لتزويد خلية الوقود به عند الحاجة.
• خلية الوقود:
تتكون خلية الوقود من قطبين أحدهما موجب (أنود) و الآخر سالب (كاثود) و يتوسطهم كهرل (Electrolyte)، حيث أن الكهرل عبارة عن مادة ناقلة للكهرباء مصنوعة من غشاء البوليمرات PEM Polymer Electrolyte Membrane، و طريقة عمل خلية الوقود كالتالي:
1- تمتد إلى خلية الوقود أنبوبين أحدهما قادم من الخزان لإدخال الهيدروجين (Hydrogen) وأحدهما قادم من منفذ هواء خارجي لإدخال الاوكسجين (Oxygen).
2- يدخل الهيدروجين إلى الخلية ويعبر القطب الموجب (أنود)، حيث يقوم المحفز Catalyst الموجود في هذا القطب بإحداث تفاعل كيميائي ينتج عنه انفصال جزيئات الهيدروجين إلى أيونات موجبة (بروتونات) و إلكترونات ذات شحنة سالبة.
3- يقوم الكهرل PEM Polymer Electrolyte Membrane بتمرير الأيونات الموجبة فقط إلى القطب السالب (Cathode)، أما الإلكترونات ذات الشحنات السالبة (الكهرباء) فتذهب عبر دائرة خارجية لتزويد المحرك بالطاقة.
4- عندما تصل الأيونات الموجبة إلى القطب السالب (Cathode)، يتم إدخال عليها عنصرين:
– الأكسجين عبر الأنبوب الخاص به.
– الإلكترونات ذات الشحنات السالبة بعد أن تخرج من المحرك.
تتحد هذه العناصر الثلاث مكونة الماء – في الحالة الغازية – ويتم إخراجه عبر منفذ منفصل إلى خارج السيارة.
و لفهم طريقة عمل خلية الوقود أنظر إلى شكل (9)، حيث يمكن استبدال المصباح بأي حمل كهربائي في حالتنا هنا (محرك السيارة).
السيارات الكهربائية.. ماذا بعد ؟
إن السيارات الكهربائية في الوقت الحالي لديها مدى قيادة أقل _لكل فترة شحن كاملة_ مقارنة بالسيارات التقليدية _لكل تعبئة وقود كاملة_ مما يرجح الكفة في الأداء للسيارات التقليدية، كذلك هناك تحديات تتعلق بملائمة السيارات الكهربائية لمختلف الظروف البيئية فمثلًا في ارتفاع درجة الحرارة يتطلب تبريد أكبر للبطاريات مما يزيد من استهلاكها للطاقة.
الجدير بالذكر أن السيارات الكهربائية قد تكون أكثر كفاءة للاستخدام داخل المدينة عن الطرق السريعة؛ نظرًا لوجود ظروف توقف مختلفة كإشارات المرور و بوابات الرسوم والتي تساعد على توليد طاقة من ضغط المكابح ولكن هذه الخاصية غير متوفرة في جميع الأنواع.
أما على الجانب الآخر فانتشار السيارات الكهربائية يعتمد على: مدى توفر البنية التحتية المناسبة كمنصات الشحن، و محطات الكهرباء سريعة الشحن، و أسعار الكهرباء، وكذلك مدى الأبحاث و الدراسات حول كفاءة البطاريات و تحسين تجربة القيادة و الذي يبدو أنه يحقق تقدم منذ السنوات العشر الأخيرة، كما في شكل (10).
ومجملًا يعتبر الطلب على السيارات الكهربائية في تزايد مستمر حول العالم وهذا ما قد يفسره تطور البنية التحتية للسيارات الكهربائية، حيث وصل عدد السيارات الكهربائية إلى ما يقارب 10.2 مليون سيارة، كما في شكل (11).
السيارات الكهربائية في المملكة العربية السعودية:
تهتم المملكة بصفتها رائدة في قطاع الطاقة بكل ما يساهم في تنويع مصادر الطاقة و تقليل الانبعاثات الكربونية ولعل أخر هذه المبادرات هي مبادرة السعودية الخضراء و الذي يتفرع منها مبادرة تتعلق بتقليل الانبعاثات الكربونية بأكثر من 4% من المساهمات العالمية، ولأن السيارات الكهربائية مساهم قوي في تقليل الانبعاثات الكربونية فهناك توجه لتعزيز تواجدها في المملكة.
يملك صندوق الاستثمارات العامة السعودي ما نسبته 67% في شركة “لوسيد” للسيارات الكهربائية بحجم استثمارات بلغ 1.3 مليار دولار، حيث تعتبر من كبرى شركات السيارات الكهربائية حول العالم، و تعتزم شركة “لوسيد” للسيارات الكهربائية بدء تصنيع سياراتها في السعودية في عام 2024 بعد أن تقدمت بطلب لاعتماد الطراز.
على جانب آخر قامت الهيئة السعودية للمواصفات و المقاييس SASO بإصدار لائحة فنية للمركبات الكهربائية التي لا يزيد وزنها عن 3500 كغم وتزيد سرعتها عن 25 كم/ساعة والتي تعرض في أسواق السعودية سواء كانت مصنعة أو مستوردة من الخارج، حيث يتم اختبار المركبات وفقاً للمواصفات القياسية السعودية وإصدار شهادة المطابقة لها من قبل الهيئة التي تتحقق فيها من تجاوز هذه السيارات لاختبارات تحمل الصدمات الميكانيكية والحماية ضد الصعقات الكهربائية ومقاومة العزل والحماية من الالتماس الكهربائي غير المباشر وغيرها من الاختبارات التي تضمن وجود مركبات في الطرق سليمة ولا تشكل خطراً على الأرواح، ومن المواضيع المهمة التي تغطيها هذه اللوائح هي البطاريات الموجودة بالسيارات الكهربائية.
نهاية المقال
المصادر:
A Basic Overview of Fuel Cell Technology
Fuel Cells | Department of Energy
Alternative Fuels Data Center: How Do Hybrid Electric Cars Work? (energy.gov)
Alternative Fuels Data Center: How Do Plug-In Hybrid Electric Cars Work? (energy.gov)
Alternative Fuels Data Center: How Do All-Electric Cars Work? (energy.gov)
Alternative Fuels Data Center: How Do Gasoline Cars Work? (energy.gov)
