القوة الدافعة: تلبية متطلبات ثورة المركبات الكهربائية من الطاقة

ما من شك أن المركبات الكهربائية تعتبر بطلة قصة نجاح رائعة ومستمرة في مجال النقل الحديث.

تويوتا بريوس … أول سيارة حديثة تعمل بالدفع الكهربائي ويتم انتاجها بكميات هائلة.[1] تجمع تويوتا بريوس بين محرك وقود صغير ذي كفاءة سعة 1.5 لتر ومحرك كهربائي. وهي تستعيد الطاقة من خلال الكبح (كبح إعادة التوليد) لغرض تحسين كفاءة استهلاك الوقود. أطلقت تويوتا – الشريك التجاري لعبد اللطيف جميل على مدار سبعة عقود كاملة – سيارة بريوس في عام 1997، ومنذ ذلك الحين، ارتفعت مبيعات السيارات التي تعتمد على طاقة البطاريات – اما لكي تتكامل مع تقنية الاحتراق الداخلي أو لتحل محلها – مدعومة بمزايا عدة لقائدي المركبة، مثل: التوفير وتحسين الأداء، فضلاً عن أمور تتعلق بالمخاوف البيئية والتنظيمية. وقد شجعت العديد من البلدان التقنية الجديدة من خلال الحوافز التي جاءت في شكل اعفاءات ضريبية، أو المكاسب العملية التي تضمنت- على سبيل المثال – مواقف السيارات المجانية داخل المدينة.

وبحلول نهاية عام 2021، كان هناك سيارة كهربائية جديدة واحدة من بين كل خمس سيارات في أوروبا[2] ، وسيارة واحدة من بين كل سبع سيارات في الصين[3]  يمكن شحنها بدلاً من التزود بالوقود. في باديء الأمر، كانت سيارات هجينة مثلها مثل بريوس، وبدأت تستحوذ على اعجاب الجميع وتلقى قبولا لديهم. ومع تقدم تكنولوجيا البطاريات بشكل كبير في السنوات الخمس الماضية، اعتدنا رؤية السيارات الكهربائية التي انتشرت على الطرق بشكل متزايد.

وبينما تتراجع المبيعات الإجمالية للسيارات[4]، يلمع نجم المركبات الكهربائية وتزدهر. ففي المملكة المتحدة والدنمارك، سيكون من غير القانوني بيع سيارة جديدة بدون محرك كهربائي بحلول عام [5][6]2030. وحتى السيارات الهجينة سيتم حظرها بحلول عام 2030، ولدى معظم الدول الأوروبية أهداف مماثلة. وفي الإطار نفسه، من المنتظر أن تحظر الصين سيارات الديزل أو البنزين الخالص بحلول عام 2035.

ويقبل المستهلكون بحماس على امتلاك السيارات الكهربائية، إذ يشجعهم تراجع تكلفة التشغيل، وهدوء وسلاسة القيادة، وسهولة الصيانة، ودور تلك السيارات في الحفاظ على البيئة. ويعمل المصنعون بشكل دؤوب – بما في ذلك “تسلا”، و”ريفيان”، و”نيو”، وبولستر”، على زيادة قدرتهم بوتيرة متسارعة على تلبية الطلب المتزايد بنماذج جديدة ومبتكرة في كل قطاع من قطاعات السوق. ومن جانبها، تعتزم تويوتا تقديم 30 نموذجاً يعمل بالبطاريات الكهربائية، ويشمل ذلك شاحنات التوصيل، بحلول عام 2030، وذلك كجزء من طموحها لبيع 3.5 مليون سيارة كهربائية تعمل بالبطاريات (BEVs) سنوياً (وهو ما يمثل ارتفاعاً من 2 مليون سيارة يتم بيعها حالياً)، وذلك من إجمالي مبيعات السيارات عالمياً والمقدر بـ 10 مليون سيارة.

المركبات الكهربائية في جميع القطاعات

ربما باتت سيارات الركاب الكهربائية بالفعل تمثل مشهداً مألوفاً في الشوارع الرئيسة، لكن طاقة البطاريات لا تقتصر على نوع واحد من وسائل النقل. فالحافلات الكهربائية بدأت بالاستغناء عن الديزل، واحتلت شينزين في الصين  المركز الأول في تحويل كامل أسطولها إلى الكهرباء في العام 2020.

وعلى الرغم من تباطوء الحافلات الكهربائية الصغيرة في الظهور بشكل مكثف، تمتلك كل من نيسان ورينو ومرسيدس في الوقت الحالي نطاقات كهربائية. ومع وصول فورد ترانزيت الكهربائية ^[7] ما من شك أن تلك الحافلات في طريقها  كي تنضم إلى الركب.

وتتجه كل من Startups Arrival^[8]  و ^[9]Volta ، فضلا عن كبار اللاعبين المعروفين مثل Volvo و DAF وMercedes ، إلى تصنيع مركبات تجارية أكبر.

ومع تطوير البطاريات الضخمة وأنظمة شحن توفر ما يصل إلى 2 ميجاوات ^[10]لتحمل المسافات الطويلة والأحمال الثقيلة المطلوبة، من المنتظر أن تتحول حتى أكبر الشاحنات إلى طاقة البطاريات قريباً.

وبعيداً عن صالات العرض، ثمة تحول أكبر وإن كان أقل وضوحاً.

وبينما تحتاج سيارات الاحتراق الداخلي إلى بنية تحتية عملاقة من الناقلات ومحطات الوقود لتسييرها، تتطلب السيارات الكهربائية شبكة كهرباء – وهي بنية تحتية لم يتم بناء أنظمة الطاقة القائمة لدينا لاستيعابها. وتواجه الجهات التنظيمية، وشركات الامدادات، ومشغلو الشبكات، وشبكات التوصيل المحلية، ومشغلو نقاط الشحن حول العالم تحدياً كبيراً: فمع انتشار المركبات الكهربائية وزيادة شعبيتها، كيف يمكننا التأكد من وجود طاقة كافية في الوقت المناسب لتسيير كافة المركبات؟

ليس مشكلةً بل تحدياً

يحرص خبراء إمدادات الطاقة على عدم الاستهانة بحجم التحول المطلوب وتحدياته، ولكنهم يؤكدون دوماً أنه من خلال التخطيط والاستثمار المناسبين، فإننا أكثر من قادرين على توفير الطاقة لمستقبل النقل الكهربائي. ^[11]  يعود ذلك جزئياً إلى التحسينات التي تم ادخالها على الشبكات ومرافق الجيل الجديد. كما أن ذلك الهدف سيتحقق أيضاً بفضل التطوير الذكي للأصول القائمة في الوقت الحالي، واستخدام البيانات لغرض توزيع الأحمال الإضافية.

وقد وجد الخبراء في ماكينزي للاستشارات في ألمانيا، على سبيل المثال، أنه من المحتمل أن تحتاج الشبكة إلى 5 جيجاوات إضافية من السعة القصوى بحلول عام [12] 2030 في سيناريو محتمل وجديد بالكامل حيث يقوم الجميع بتوصيل مركباتهم الكهربائية لشحنها على الفور. ويعادل ذلك ست محطات طاقة حديثة كبيرة تعمل بالغاز – الأمر الذي من شأنه أن يعرقل طموح البلاد لبلوغ شبكة كهرباء صفرية الانبعاثات بحلول عام ^[13]. 2035. ولحسن الحظ، ثمة العديد من الحلول للحد من الذروة واستخدام الطاقة النظيفة بدلاً من ذلك.

يمكن لشبكات التوصيل المحلية معرفة أماكن حدوث فترات الذروة في الطلب ومتى يحدث ذلك. ففي منطقة يزداد فيها تركيز السيارات الكهربائية – كضاحية سكنية، على سبيل المثال، وتنتشر بها المحركات، والجراجات، ونقاط الشحن، ومراكز المركبات تجارية، من المنتظر أن تكون الذروة في نهاية يوم العمل عندما تكون المركبات قد انتهى استخدامها وتستعد كي تكون جاهزة لليوم التالي. لا شك أن ذلك يمثل ضغوطاً، والتي إما ان تتم مواجهتها على المدى القصير عن طريق تكثيف توليد الطاقة باستخدام النفط والغاز، أو بشكل أكثر استدامة، باستخدام مصادر طاقة أكثر كفاءة، تكون منخفضة الكربون أو خالية تماماً منه.

حلول المستهلك وحلول المرافق

تتفق شركات الطاقة والحكومات والرأي العام على أن مجرد بناء محطات طاقة جديدة ليس هو السبيل لمواجهة التحدي القادم. فبناء مرافق مركزية كبيرة ينتج عنها انبعاث غازات الاحتباس الحراري يعد أمراً مكلفاً وبمثابة إسراف غير مبرر، كما أن تلك المرافق لن تكون مطلوبة إلا لساعات قليلة، وهي أوقات الذروة، وستقتصر الاستفادة منها على أماكن بعينها.

أما الحلول الأكثر ذكاءً لهذه المعضلة المحلية المرتبطة بالشبكة فيمكن تقسيمها إلى فئتين: حلول المستهلك وحلول المرافق.

تضع فئة حلول المستهلك كامل التصرف في أيدي المستهلك، وتنطوي على تحفيز المستهلك على استخدام أجهزة ضبط الوقت بهدف الاستفادة من عروض الأسعار المخفضة التي تقع خارج نطاق أوقات الذروة الليلية. فعلى سبيل المثال، وفقا لتعريفة أوكتبوس جو Octopus Go ^[14] في المملكة المتحدة، يبلغ سعر كل كيلوواط /ساعة أثناء الساعات الأولى من الصباح 7.5 بنسات فقط، وهو ما يعد أقل من نصف متوسط التكلفة المحلية، وما يعادل حوالي 3 بنسات لكل ميل في السيارات الكهربائية ذات الشعبية.

وتعكس بعض التعريفات طبيعة أسعار الكهرباء دائمة التغير، لذا فإن المنازل التي تشتمل على وحدات تخزين خاصة بها – كالبطاريات المنزلية أو أنظمة التسخين والتدفئة الذكية – بإمكانها الاستفادة من الأسعار المخفضة خاصة إذا كانت ظروف الرياح أو الشمس مواتية. وفي بعض الأحيان، ينخفض سعر الطاقة إلى ما دون الصفر، وهو الأمر الذي يعوض صاحب المنزل بشكل فعال لاستيعاب الكهرباء الزائدة وتحقيق التوازن في الشبكة. ^[15]

أما حلول المرافق فتشمل شركات إمدادات الطاقة ومشغلي الشبكات وشبكات التوصيل المحلية التي تستخدم البيانات لغرض التحكم عن بُعد في نقاط الشحن العامة والخاصة. وهي تضمن أن يتم شحن السيارات بشكل صحيح في وقت كافٍ عندما تكون هناك حاجة إليها، ولا يتم الشحن بالضرورة فور توصيلها بالتيار الكهربائي.

ويمكن أن يبدأ هذا التحكم عند التحويلة، حيث يمكن أن يتم نشر مرافق التخزين المحلية من أجل تحقيق تكلفة معقولة، وأقل بكثير من بناء مولدات جديدة. ويتم الشحن ببطء في الأوقات التي تبعد عن ساعات الذروة من خلال استخدام الإمدادات الإضافية من مصادر طاقة متجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والتي تكون أكثر وفرة خلال فترات النهار، ثم متابعة عملية الإمداد بالطاقة عند بدء عملية الشحن. ^[16] وعوضاً عن ذلك، يمكن للعدادات وأجهزة الشحن الذكية ملاحظة الوقت الذي ستكون فيه السيارات مطلوبة، ثم تقوم بالتواصل فيما بينها لموازنة الحمل عبر المنطقة طوال ساعات الليل. ^[17]

وبالمثل، يمكن أن تقوم محطة المركبات التجارية باستخدام برنامج الجدولة الخاص بها لغرض إنشاء نسختها المحلية من الشيء نفسه، وهو ما يقلل من السعة المطلوبة لشبكة الأسلاك الخاصة بها، وبالتالي التكلفة، وإن كنا سنظل نلبي احتياجات الأساطيل الكبيرة من خلال شحن عدد من المركبات خلال الليل.

كما يمكن أن تصبح المركبات الكهربائية نفسها أصولاً/ مصادراً للطاقة في الشبكة مع زيادة انتشار إمكانات نقل الطاقة من المركبات إلى الشبكة. حيث يمكن للمركبة الموصولة بالكهرباء، والتي لا تحتاج إلى شحن، أن تخفف الطلب في منطقة ما عن طريق استيعاب فائض الطاقة المتجددة والتوليد الخالي من الكربون عند توفره، وتفريغه عند الحاجة. وسوف يؤدي ذلك إلى تجاوز الحاجة إلى البطاريات الثابتة التي تتطلب المساحات والاستثمارات، والتي لا تزال توفر إمدادات مستقرة عالية الجودة للمنطقة.

وبينما قد لا تشتمل الأجيال الأولى من المركبات الكهربائية على ميزة نقل الطاقة من المركبة إلى الشبكة، إلا أن هذه الخاصية قد بدأت تنتشر بشكل ملحوظ.

وتتمتع جميع شاحنات فورد F150 Lightning الكهربائية بهذه الميزة بشكل قياسي، وينطبق الأمر نفسه على  العديد من سيارات نيسان و سيارة هيونداي Ioniq 5 الشهيرة.

ومن المنتظر أن تكون جميع الموديلات القادمة من فولكس فاجن، ورينو، وبوليستار، وفولفو قادرة على تزويد الشبكة عند الحاجة. وفي المناطق الريفية والضواحي، حيث تكون الممرات والجراجات أكثر انتشاراً، وتزداد احتمالية توصيل السيارات غير المستخدمة بالكهرباء، ستقلل امكانات نقل الطاقة من المركبات إلى الشبكة بشكل كبير من الحاجة إلى التحديثات الكبيرة.

تحديثات ذكية بعيداً عن المراكز السكانية

قد تحتاج المناطق الريفية إلى التحديثات الأكثر شمولاً وتكلفة للشبكات من أجل تلبية متطلبات الشحن السريع، وقد توفر سعة التخزين المحلية حلاً فعالاً للغاية من حيث التكلفة.

كما يمكن للأفراد من أصحاب الممتلكات أو المجموعات الصغيرة مشاركة البطاريات منخفضة التكلفة والتي لم تعد تستخدم في السيارات الكهربائية بإمدادات طاقة منخفضة الجهد. ويمكن دفع سعة الزيادة المحلية هذه لمعظم اليوم، ثم استخدامها في أوقات الذروة لتوفير 7 كيلوواط من الطاقة التي يتوقعها السائقون.

إن تركيب وحدات التخزين المحلية لا يجعلنا نتجنب التكلفة العالية لتحديث الشبكات في المجتمعات النائية وحسب، بل يساعدنا على تجنب التأخيرات أيضاً. فالحلول المحلية توفر علينا ضرورة تقوية الشبكة على طول الطريق من التحويلات الكبيرة إلى كل مزرعة وقرية صغيرة، وهو ما يسمح لأصحاب المنازل الريفية بالاستمتاع بمزايا القيادة الكهربائية، دون القلق بشأن التحميل الزائد على دوائرهم القديمة.

وغالباً ما تجعل القدرات الهندسية النادرة والمتطلبات التنظيمية من عملية تقوية الشبكات الريفية مسألة تستغرق وقتاً أطول مما يجب. وقد يجعل ذلك من الصعب على الشبكات مواكبة الطلب – الذي ينمو على نحو متسارع.

وتشير الدراسات التي أجريت في المناطق التي بها فترات انتظار طويلة أو شبكات نقاط شحن غير موثوقة إلى أن نسبة استخدام المركبات الكهربائية منخفض للغاية. وتعد أيرلندا الشمالية ^[18] خير مثالٍ على ذلك، حيث أدى تراجع الاستثمارات في مجال شبكات الشحن العامة وتباطؤ تقدم الهيئات التنظيمية في عملية تشغيل الشبكات إلى تراجع ثقة المستهلك، وتجمد نسبة السيارات الكهربائية التي تسير على الطريق عند 0.4٪، وهو رقم ضئيل مقارنة بالنرويج – 17٪  – والتي سجلت النسبة الأعلى في العالم.

غياب معايير الشحن

ومن العوامل الأخرى التي يمكن أن تعرقل استخدام المركبات الكهربائية هو الافتقار إلى معايير عالمية للشحن.

وهناك ثلاثة مستويات من الشحن متاحة لمالكي المركبات الكهربائية:

• مستوى التيار المتردد 1: حيث يمكن شحن السيارة بمعدل 5 أميال في الساعة باستخدام منفذ قياسي 110 فولت.
• مستوى التيار المتردد 2: ويمثل أكثر أنواع الشحن شيوعًا بالنسبة لأولئك الذين يقومون بالشحن في المنزل. وهو يقوم بالشحن بمعدل بين 10 و 30 ميلا في الساعة باستخدام منفذ 240 فولت.
• الشحن السريع للتيار المستمر (المستوى 3): وهو الأكثر شيوعاً في البيئات التجارية أو الصناعية. ويمكن أن توفر أجهزة الشحن السريع ما يصل إلى 150 ميلاً من الشحن في الساعة.

ويعتبر الشحن السريع “المعيار الذهبي” لأجهزة الشحن التي يمكن للعامة الحصول عليها. ولكن الصورة تبدو أكثر تعقيداً بسبب وجود أربعة بروتوكولات للشحن الكهربائي السريع تتعارض وتتنافس فيما بينها على مستوى العالم. إذ يعتمد كل من تلك البروتوكلات على استخدام مجموعة مختلفة من الموصلات، كما هو موضح في الجدول التالي:

وعلى المدى الطويل، وتماماً مثلما حدث في “حرب الفيديو” بين كل من بيتاماكس و”في اتش إس” Betamax / VHS أثناء فترة الثمانينيات، من المحتم أن يهيمن معيار أو معياران في نهاية المطاف على الساحة. ولكن على المدى القصير، يعد هذا التضارب عاملاً آخر يجب مراعاته من قبل مالكي المركبات الكهربائية والمصنعين والجهات الرقابية. وينطبق الأمر نفسه على عدم اتساق الاستثمارات في البنية التحتية العامة لمنظومة الشحن على مستوى العالم. فعلى الرغم من أن وتيرة طرح أجهزة الشحن العامة (السريعة منها والبطيئة) آخذة في التسارع في جميع الأسواق – إذ سجلت حوالي 1.3 مليون نقطة شحن عامة في عام 2020 وفقاً لوكالة الطاقة الدولية [19]–  ثمة تبايناً كبيراً بين البلدان. ففي الاتحاد الأوروبي، على سبيل المثال، لم تتمكن معظم البلدان من بلوغ النسبة الموصى بها من أجهزة الشحن العامة الخاصة بالمركبات الكهربائية في عام 2020. [20]

قيادة مركبة كهربائية … تجربة رائعة

على الرغم من كل هذه التحديات، فإن الحكومات في جميع أنحاء العالم مصممة – وملتزمة – بالوصول إلى مستقبل يخلو من الأنشطة البشرية التي تلحق الضرر بالمناخ عن طريق انبعاث غازات الدفيئة. ولذا فإن صناعات الوقود البديل المزدهرة تهدف إلى تحقيق النمو، كما أن المستهلكون يقبلون بشكل متزايد على المركبات الكهربائية. وما من شك أن تنوع مصادر الوقود سيكون في صالحنا جميعاً. إذاً: ما الذي يعنيه كل ذلك بالنسبة للأفراد من أصحاب المركبات؟

تراجعت ثقة المستهلك في السيارات الكهربائية فيما مضى بسبب المخاوف بشأن ما يسمى بـ “القلق بشأن المدى”، وقلة نقاط الشحن الملائمة وسعر الشراء. ^[21]  واليوم يتم معالجة كافة تلك النقاط من خلال التقدم في مجال التكنولوجيا، وضخ المزيد من الاستثمارات، ووضع المزيد من الاستراتيجيات التنظيمية الملائمة للسيارات الكهربائية.

إن المركبات الكهربائية ليست مجرد قرار جيد يهدف إلى المساعدة في إنقاذ كوكبنا. فالمستهلكون بدأوا يدركون أن قيادة مركبة كهربائية تعتبر تجربة أفضل من البنزين أو الديزل من كافة النواحي – وهي تتحسن وتتطور طوال الوقت. فمن المنتظر أن تكون جولتك بالمركبة الكهربائية أكثر سلاسة وهدوءاً، وإيقاف السيارة أكثر دقة وسرعة، كما يمكن أن يكون التسارع أكبر “بشكل مذهل”. أضف إلى ذلك أدوات الرفاهية والمتعة التي قد تصبح من المحفزات الأخرى على التحول إلى السيارات الكهربائية. .

إن المحركات الكهربائية تعتبر أصغر حجما مقارنة بنظيراتها التي تعتمد على تقنية الاحتراق الداخلي، كما أن البطاريات قد تم تصميمها كي تلائم وجودها اسفل السيارة، لذلك تتمتع السيارات الكهربائية بمساحة أكبر بالداخل. علاوة على ذلك، فإن عدد الأجزاء المتحركة أقل وهو ما يعني أخطاء ومشكلات أقل أيضاً. ومع وجود مكان موثوق به للشحن، سوف تحل المشكلات التي تتعلق بضرورة التوقف للتزود بالوقود، حيث يقوم القائد ببساطة بتوصيل المحرك الذي يعمل بالبطاريات بمصدرالكهرباء في نهاية اليوم.

ولعل الانخفاض السريع في أسعار البطاريات، فضلا عن الدعم الحكومي، يعني أن تكلفة المركبات الكهربائية الجديدة تقترب بشكل أكبر من نظيراتها التقليدية. كما أن التكلفة المنخفضة للغاية للتزود بالطاقة والصيانة تعني أن التكلفة العمرية لامتلاك سيارة كهربائية قد انخفضت إلى ما دون تكلفة البنزين منذ سنوات. ^[22]

وحتى قبل الانتشار واسع النطاق لشواحن المنازل السريعة أو أجهزة الشحن العامة السريعة في أماكن العمل أو مواقف السيارات، فليس من المنتظر أن يعود إلى استخدام السيارات التي تعمل بالبنزين أو الديزل ^[23] سوى أقل من 1٪.  فبمجرد اختبار السيارة، يدرك السائق أنه من الأفضل امتلاك سيارة كهربائية. فجاذبية السيارات الكهربائية للمستهلك تمثل السبب الرئيس في تبني تكنولوجيا المركبات الكهربائية ووضع أحمال جديدة على شبكة الكهرباء.

محطات طاقة افتراضية

إن التخزين الثابت، والشحن الذكي، والسيارات التي بإمكانها توفير الطاقة للشبكات” كل ذلك يخلق ما يسمى بـ”محطات الطاقة الافتراضية”، والتي تمثل عاملاً رئيساً في البنية التحتية للطاقة التي سوف تحافظ على تقدم المركبات الكهربائية دون التأثير بالسلب على أهداف الحكومة المتعلقة بالكربون. ومن المنتظر أن يؤدي هذا التحول النموذجي من التخطيط المركزي وتوليد الطاقة الصناعية الهائلة إلى الوحدات المستقلة الأصغر، والتخطيط الذي يعتمد على الاقتصاد الدائري، والتوزيع الذكي في نهاية المطاف إلى تراجع الحاجة إلى محطات الذروة وإتاحة الفرصة أمام تنقل يخلو بالفعل من انبعاثات الكربون. ومن المنتظر ان يتم دعم هذا التحول من خلال مجموعة من تقنيات شحن المركبات الكهربائية الجديدة، ويشمل ذلك الشحن اللاسلكي، وتبادل البطاريات والألواح الشمسية التي تثبت على الأسطح والطرق التي تسمح بشحن سيارتك أثناء القيادة.

إذاً … الحكومات تحقق أهدافها فيما يتعلق بالكربون …  وشركات الكهرباء توفر النفقات التي توجه إلى بناء محطات طاقة جديدة … والمستهلك يستمتع بإمدادات طاقة أكثر اعتمادية ومرونة بتكلفة أقل … وكل ذلك  يتم من خلال التخطيط والهندسة الذكية. فالمستقبل المستدام الخالي من الكربون، لم يعد أمراً مستهدفاً وحسب، بل أصبح أيضل سهل المنال.

ويعكس ازدهار مبيعات السيارات الكهربائية أن استخدام المركبات التي تعمل بالبطاريات يسير في اتجاه واحد. ومن خلال التخطيط والتعاون بين الشركات المصنعة ومولدي الطاقة والموزعين، والأهم من ذلك، الحكومات المحلية، يمكن تحقيق هذا التحول الهائل في مجال التنقل بسلاسة ودون أية مشكلات، وهو ما يعود بالنفع على كل من المستهلك وكوكبنا.