كهربة النقل</trp-post-container

الوجبات الرئيسية

• تستبدل محركات النقل الكهربائية محركات البنزين والديزل والنفط والغاز الطبيعي بمحركات كهربائية تعمل بالكهرباء، مما يقلل من انبعاثات الكربون وتلوث الهواء المحلي.
• أنتج النقل البري ما يقرب من 171 تيرابايت و5 أطنان من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية في عام 2023؛ وتعتبر السيارات والحافلات والشاحنات وشاحنات التوصيل الكهربائية من الحلول المركزية لتغير المناخ.
• تعتمد المنافع على الكهرباء النظيفة: الشبكات التي تضيف الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية والنووية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى تحقق أكبر قدر من التخفيضات.
• تحتاج كهربة الأسطول إلى بنية تحتية للشحن، وإدارة ذكية للطاقة، ومرافق، ومشغلي الأساطيل الذين يعملون معاً.
• تعمل الأبحاث الجارية في معاملات IEEE حول كهربة النقل، ومعاملات IEEE، ومعاملات IEEE، وIEEE xplore، ومؤتمرات IEEE على تحسين البطاريات والشحن وتكامل الشبكة.

ما هي كهربة وسائل النقل؟

كهربة وسائل النقل هي الانتقال من محركات الاحتراق التي تعمل بالوقود الأحفوري إلى محركات كهربائية في مركبات الطرق والقطارات وبعض السفن والطائرات والطائرات ووسائل النقل العام. وهي تشمل المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات، والمركبات الهجينة التي تعمل بالبطاريات، وخلايا الوقود الهيدروجينية عندما يتم تصنيع الهيدروجين بالكهرباء النظيفة.

من الناحية العملية، تشمل كهربة وسائل النقل تحويل السيارات الشخصية والأساطيل التجارية ووسائل النقل العام من المركبات التي تعمل بالوقود الأحفوري إلى تلك التي تعمل بالكهرباء، مما يعيد تشكيل أنظمة النقل والطاقة بشكل أساسي. ويشمل أيضاً شبكات الشحن، ومحطات الشحن فائقة السرعة، ومبادلة البطاريات، وتكامل الشبكة الذكية، وتكنولوجيا تحويل المركبات إلى شبكة، والتقنيات المترابطة مع الشبكة.

والهدف بسيط: الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والملوثات من قطاع النقل، الذي كان أكبر قطاع ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون في الولايات المتحدة منذ عام 2016 تقريبًا.

كهربة النقل وتغير المناخ

تعد كهربة النقل استراتيجية أساسية للحد من الاحترار إلى 1.5-2 درجة مئوية، إلى جانب كفاءة الطاقة وإزالة الكربون من قطاع الطاقة. في الفترة 2022-2023، أنتج قطاع النقل حوالي ربع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بالطاقة على مستوى العالم، وكانت المركبات البرية مسؤولة عن معظم الانبعاثات.

يعد قطاع النقل ثاني أكبر مساهم في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على مستوى العالم، حيث إن المركبات الخفيفة مسؤولة عن غالبية انبعاثات وسائل النقل في الولايات المتحدة، وهو ما يمثل 291 تيرابايت و5 أطنان من غازات الاحتباس الحراري. ويمكن للمركبات الكهربائية أن تخفض ذلك بسرعة: تنبعث من المركبات الكهربائية انبعاثات غازات دفيئة أقل بمرتين إلى خمس مرات من المركبات التي تعمل بالبنزين، اعتمادًا على مصدر الكهرباء المستخدمة لشحنها.

تُظهر التحليلات التي راجعها النظراء والنمذجة على غرار الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ أن انبعاثات السيارات الكهربائية طوال دورة حياتها يمكن أن تكون أقل بنسبة 50-801 تيرابايت إلى 5 تيرابايت على الشبكات منخفضة الكربون. تنتج السيارات الكهربائية انبعاثات أقل مدى الحياة من السيارات التي تعمل بالبنزين، حتى عند شحنها على شبكات تستخدم بعض أنواع الوقود الأحفوري. ويعتمد إجمالي خفض الانبعاثات الناتجة عن الكهربة بشكل كبير على مصدر الكهرباء؛ فمع إزالة الكربون من الشبكات، ستؤدي السيارات الكهربائية إلى انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل عام مقارنةً بالسيارات التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي.

تستهدف العديد من الحكومات الآن مبيعات شبه كاملة من السيارات عديمة الانبعاثات بحلول 2035-2040.

إمكانات خفض الانبعاثات من وسائل النقل

وتتمتع السيارات والشاحنات والحافلات والسكك الحديدية والسفن والطائرات بإمكانيات مختلفة في مجال الكهرباء. تقدم المركبات على الطرقات أسرع المكاسب لأن ملايين السيارات الكهربائية تباع بالفعل كل عام، كما أن أساطيل حافلات المدن تتوسع في الصين وسانتياغو ودلهي والمكسيك والهند واليابان وأوروبا والولايات المتحدة.

يمكن للانتقال إلى المركبات الكهربائية أن يقلل من إجمالي انبعاثات الكربون في وسائل النقل البري بأكثر من 751 تيرابايت إلى 931 تيرابايت بحلول عام 2050 مع شبكات الطاقة النظيفة. تعد كهربة أساطيل الحافلات البلدية وتوسيع شبكات السكك الحديدية المكهربة من الاستراتيجيات الرئيسية في كهربة النقل.

أما الشاحنات المتوسطة والثقيلة فهي أصعب لأن الوزن والمدى وسرعة الشحن وجداول الخدمة مهمة. ومع ذلك، فإن التسليم الإقليمي، والنقل بالشاحنات في الموانئ، والنقل بالشاحنات في الممرات هي أسواق مبكرة قوية. بالنسبة للسفن والطائرات، غالبًا ما يجمع المسار البديل على المدى القريب بين الكفاءة والهيدروجين والوقود الحيوي والوقود الإلكتروني.

دور الطاقة الكهربائية النظيفة في كهربة وسائل النقل

تحدد الشبكة الكهربائية مدى نظافة شحن السيارات الكهربائية. وتعني الكهرباء النظيفة الطاقة المستمدة من الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة النووية ومحطات الطاقة الأحفورية مع احتجاز الكربون.

توسعت الصين والاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة والهند في استخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح منذ منتصف عام 2010. تزداد فوائد كهربة وسائل النقل مع تحول شبكات الطاقة إلى مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية. في الشبكات التي تستخدم الفحم بكثافة، لا تزال السيارات الكهربائية تتفوق على السيارات التي تعمل بالبنزين على مدى عمرها، ولكن الهامش أقل؛ أما في الشبكات التي تستخدم الطاقة المتجددة بكثافة، فإن الانبعاثات من البئر إلى العجلة تنخفض بشكل حاد.

يساعد الشحن الذكي أيضًا. يمكن للأساطيل الكهربائية تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح الزائدة التي يتم توليدها في غير ساعات الذروة، في حين أن تسعير وقت الاستخدام يحوّل الطلب بعيداً عن الذروة ويجعل نظام الطاقة أكثر كفاءة.

المزايا الأوسع نطاقاً لكهربة وسائل النقل

توفر الكهرباء مزايا بيئية واقتصادية وشبكية وصحية عامة. تعمل الكهرباء على تحسين جودة الهواء المحلي، مما يفيد الصحة العامة في المناطق المكتظة بالسكان. يؤدي التخلص من انبعاثات العوادم إلى تحسين جودة الهواء في المناطق الحضرية، مما يقلل من الملوثات المحلية مثل أكاسيد النيتروز والجسيمات الدقيقة.

يمكن أن يؤدي اعتماد السيارات الكهربائية على نطاق واسع إلى تجنب ما يقدر بنحو 150,000 إلى 550,000 حالة وفاة مبكرة سنوياً بسبب تحسن جودة الهواء. وتنتج المحركات الكهربائية مستويات ضوضاء أقل من محركات الاحتراق الداخلي، مما يساهم في جعل البيئات الحضرية أكثر هدوءاً، خاصة حول المدارس ومحطات الحافلات والأحياء المكتظة.

يستفيد مشغلو السيارات الكهربائية من انخفاض تكاليف التشغيل بسبب انخفاض تكاليف الكهرباء وانخفاض تكاليف الصيانة مقارنةً بمحركات الاحتراق الداخلي. تسمح تقنية تحويل المركبة إلى شبكة (V2G) للمركبات الكهربائية بالشحن خارج ساعات الذروة وإعادة الكهرباء إلى الشبكة خلال ذروة الطلب، مما يساعد على استقرار الشبكة وإدارة استهلاك الطاقة. يمكن للمركبات الكهربائية أن تعمل كبطاريات موزعة لشبكة الطاقة أثناء ذروة الضغط من خلال بروتوكولات V2G وبروتوكولات الشحن المُدارة.

تقنيات جديدة لشحن السيارات المتوسطة والثقيلة

تحتاج كهربة المركبات الكهربائية متوسطة وثقيلة التحمل إلى طاقة أعلى وكابلات أكثر أماناً وبنى مستودعات جديدة. تشمل التطورات في تقنيات الشحن للمركبات الكهربائية المتوسطة والثقيلة خدمات المرافق ذات الجهد المتوسط، والتوزيع المركزي للتيار المستمر، والكابلات المبردة بالسوائل، والشحن اللاسلكي، مما يعزز سرعات الشحن وقابلية التوسع.

تشمل البنية التحتية لشحن السيارات الكهربائية مقابس التيار المتردد الثابتة في المنازل ومراكز الشحن السريع ذات الجهد العالي للتيار المستمر، بالإضافة إلى أنظمة الشحن اللاسلكي الديناميكية المستقبلية المدمجة في الطرق. تُعد تقنية الليثيوم أيون عالية الكثافة معيار الصناعة الحالي لبطاريات السيارات الكهربائية، في حين أن تطوير الحالة الصلبة قد يقلل من وقت التعطل لاحقاً.

تخطيط وإدارة الطاقة لكهربة الأسطول

كهربة الأسطول ليست مجرد شراء مركبات. ينبغي لمديري البرامج مراجعة:

• المسارات وأوقات المكوث والمسافة المقطوعة والحمولة والطقس والتضاريس
• مواقع المستودعات وسعة الشبكة ونوع الشاحن والطاقة الاحتياطية
• خيارات الشحن العامة والمستودعات والشحن على الطريق
• تدهور البطارية والتعريفات والجاهزية التشغيلية

تلعب المرافق الكهربائية دورًا حاسمًا في معالجة العوائق التي تحول دون كهربة السيارات الكهربائية من خلال المساعدة في بناء شبكة قوية من محطات الشحن وضمان دمج السيارات الكهربائية بشكل جيد في الشبكة الكهربائية. تعد أنظمة إدارة الطاقة الذكية ضرورية لكهربة أسطول السيارات، مما يمكّن المشغلين من تحسين جداول الشحن وموازنة استخدام الطاقة أثناء الشحن لحماية الشبكة.

المشهد الحالي للسوق ودوافع السياسة الحالية

توسعت أسواق السيارات الكهربائية بسرعة بعد أواخر عام 2010 مع انخفاض أسعار البطاريات وتحسن الحوافز وزيادة راحة المستهلكين. وفقاً ل وكالة الطاقة الدولية, ، بلغت مبيعات السيارات الكهربائية العالمية حوالي 17 مليون سيارة في عام 2024.

تشمل دوافع السياسة ما يلي:

• تفويضات المركبات عديمة الانبعاثات
• حوافز الشراء، والإعفاءات الضريبية، والخصومات الضريبية
• معايير الاقتصاد في استهلاك الوقود والانبعاثات
• ممرات الشحن السريع العامة
• برامج للمجتمعات ذات الدخل المنخفض، والمناطق الريفية، والإسكان متعدد العائلات

يتم تشجيع المنظمات والحكومات على الاستثمار في البنية التحتية التي تجعل الانتقال أسرع وأكثر عدلاً. ويعني التأخير في دوران المخزون الرأسمالي أن الأمر يستغرق عقوداً من الزمن حتى تتقاعد المركبات الحالية التي تعمل بالوقود الأحفوري وتستبدل ببدائل كهربائية، مما يعقد عملية الانتقال إلى التحول إلى الكهرباء.

البحوث والابتكار والمعايير في مجال كهربة وسائل النقل

يعتمد التقدم على الأبحاث والمعايير والأنظمة المتكاملة. تعمل المختبرات الأكاديمية والمرافق والمصنعون وهيئات معايير IEEE على المحركات والبطاريات والأمن السيبراني والاتصالات وطوبولوجيا مجموعة القيادة والأنظمة الفرعية وقابلية التشغيل البيني.

معاملات IEEE حول كهربة وسائل النقل وما يتصل بها IEEE Xplore تغطي المنشورات الشحن ثنائي الاتجاه وصحة البطارية ومعايير الشحن وتخطيط النظام. تساعد هذه التقنيات الأساطيل على المساهمة في تقليل الانبعاثات مع تحسين الموثوقية.

العوائق الرئيسية وكيفية معالجتها

على الرغم من الزخم المتزايد نحو كهربة وسائل النقل، لا تزال هناك العديد من العوائق التي تعيق الانتقال إلى السيارات الكهربائية والبنية التحتية الكهربائية. وتشمل هذه العوائق محدودية أجهزة الشحن، والجداول الزمنية الطويلة للتوصيل البيني، والتكاليف الأولية المرتفعة، والقلق بشأن المدى الذي يمكن أن تصل إليه، والمخاوف المتعلقة بالبطاريات، ونقص القوى العاملة، ومخاطر توريد مواد الليثيوم والنيكل والكوبالت.

لتقليل الاحتكاك:

• يجب على صانعي السياسات مواءمة الحوافز والتصاريح وقواعد إعادة التدوير والاستثمار في الشبكة.
• يجب على المرافق ومشغلي الأساطيل التخطيط مبكراً ومشاركة البيانات وتنظيم التحديثات قبل وصول الطلب.

يوفر الانتقال إلى السيارات الكهربائية فوائد اقتصادية وبيئية وصحية عامة كبيرة، حيث يؤدي الانتقال الأسرع إلى تحقيق فوائد أسرع للمجتمعات.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

إلى أي مدى يمكن لكهربة وسائل النقل أن تقلل من انبعاثات الكربون؟

تبدأ التخفيضات بمجرد أن تحل المركبات الكهربائية محل المركبات التي تعمل بالبنزين أو الديزل. وتحقق أكبر المكاسب عندما تتحول الأساطيل وتضيف الشبكة كهرباء نظيفة.

هل السيارات الكهربائية أنظف حقاً على مدار دورة حياتها الكاملة؟

نعم. يشمل تحليل دورة الحياة التصنيع وإنتاج البطاريات والقيادة وإمدادات الوقود أو الكهرباء وإعادة التدوير. تجد معظم الدراسات أن المركبات الكهربائية أنظف من المركبات المماثلة التي تعمل بالبنزين في معظم الشبكات.

ماذا يحدث لبطاريات السيارات الكهربائية في نهاية عمرها الافتراضي؟

يمكن إعادة استخدام العديد من البطاريات للتخزين الثابت قبل إعادة التدوير. وتستعيد عملية إعادة التدوير مواد مثل الليثيوم والنيكل والكوبالت والنحاس والألومنيوم.

هل تستطيع شبكات الطاقة الحالية التعامل مع كهربة وسائل النقل على نطاق واسع؟

في كثير من الأحيان نعم، مع التخطيط. تقلل عمليات الشحن المُدارة وعناصر التحكم في المستودعات والتحديثات المستهدفة وشبكة V2G من الضغط خلال ساعات الذروة.

هل الهيدروجين منافس أم مكمل للنقل بالبطاريات الكهربائية؟

يمكن أن يكون الهيدروجين مكملاً لتقنيات البطاريات الكهربائية في النقل بالشاحنات والشحن وبعض الاستخدامات على الطرق الوعرة. بالنسبة لمعظم السيارات والأساطيل الحضرية، تعتبر أنظمة البطاريات الكهربائية أكثر كفاءة ونضجاً في الوقت الحالي.