تطوير تقنيات شحن المركبات الكهربائية

على الرغم من التقدُّم الحاصل في تقنيات شحن المركبات الكهربائية وعُمر بطارياتها، لا تزال طريقة الشحن المناسبة، والكفاءة التشغيلية تمثلان تحدياً كبيراً، نظراً إلى أن تشغيل المركبة يتطلَّب حزمة بطاريات أساسية لا تسمح حاليّاً إلا بالقيادة لمسافة محدودة، ويكمُن أحد البدائل الرامية إلى تمديد مسافة سير المركبة الكهربائية في شحن البطارية أثناء القيادة، وذلك عبر تطوير أنظمة تخزين طاقة هجينة ذات أداء أفضل من أداء مصادر الطاقة الفردية، وتضم المكثفات الفائقة وخلايا الوقود، إذ إنَّ إضافة المكثفات الفائقة ستمدّد عمر البطارية وتحسّن كفاءتها، لأنَّ المكثفات قادرة على تعويض الطلب على الطاقة ومعدلات الشحن/التفريغ العالية، في حين تتميَّز بتبديد حرارة أقل ومقاومة داخلية أقل، ما يعزز الكفاءة أكثر. وأما خلايا الوقود، فتتسم بمزايا كبيرة أيضاً، ولا سيَّما أنَّها طُوّرَت لتوفير مصدر طاقة نظيف ومستدام، برغم ما يرتبط بها من مشكلات تشمل التكاليف العالية، وحقيقة أن تكنولوجيا التزويد بالوقود وبنيته التحتية غير مُطوَّرتين بالقدر الكافي حتى الآن.
ولدفع قدرات التزويد بالوقود قُدُماً في هذا المجال يجب توفير قدرة فعَّالة على نقل الطاقة من المصادر إلى الأحمال، ما يُنجَز إلى حد كبير بوساطة الدوائر الإلكترونية.
وفي إطار نموذج شبكة ذكية أوسع يُتوقَّع أن تضطلع المركبات الكهربائية بدور كبير في شبكة الطاقة المستقبلية، غير أن المركبات الكهربائية تواجه تحديين رئيسيين حاليّاً، يتمثَّل أحدهما في المخاوف المتعلقة بما ستُحدِثه غالباً من طلب متزايد على شبكات الطاقة، والآخر في المستويات المنخفضة نسبيّاً لاستخدامها في المجتمعات. وأمَّا المشكلات الأكثر إلحاحاً من وجهة نظر المستهلك، فتكمُن في التكلفة العالية للمركبات الكهربائية، وطول الوقت اللازم للشحن، وعدم وجود بنية تحتية كافية للشحن في بعض البلدان، إضافة إلى الاستبدال المتكرر للبطارية.
وإذا أمعنَّا النظر في المشكلات المتعلقة بشحن المركبات الكهربائية، فسنجد أن الشحن السلكي هو الطريقة الرئيسية المستخدَمة حاليّاً، وأنه لا يزال في مراحله الأولى، وأن إحلال البدائل اللاسلكية محل أجهزة الشحن السلكي يقتضي إجراء بحوث كثيرة، لأن طرائق الشحن اللاسلكي لا تزال إلى حد كبير في مرحلة التطوير. وتُشحَن المركبات الكهربائية -عن طريق وصل الأسلاك أو الكابلات بأنظمة الشحن مباشرة- باستخدام شواحن يمكن تصنيفها إلى: (أ) شواحن مدمجة (داخل المركبة)، و(ب) شواحن غير مدمجة (خارج المركبة)، ففي حالة الشواحن غير المدمجة يكون جهاز الشحن مثبَّتاً في محطة الشحن، وفي حالة الشواحن المدمجة يكون مُثبَّتاً في المركبة الكهربائية نفسها. وبوجه عام يمكن استخدام الشواحن المدمجة ذات الاتجاه الأحادي أو الثنائي من أجل إيصال الطاقة من الشبكة إلى المركبة (إذ تستطيع بطاريات المركبات الكهربائية تخزين الطاقة عند وجود فائض «من الشبكة إلى المركبة» عن طريق استخدام محول)، ولذلك تزداد أهمية الاستفادة من كمية الطاقة المخزنة الناتجة من الاستخدام الواسع النطاق للمركبات الكهربائية، ومع ذلك لا تزال ثمَّة حاجة إلى حل مشكلات كبيرة في تصميم شواحن هذه المركبات، مثل ضعف كثافة الطاقة، وارتفاع التكلفة، وعدم توافر العزل، وانخفاض الكفاءة. وإنَّ تحسين قدرات نقل الطاقة من الشبكة إلى المركبة يمكن أن يؤدي إلى تقليل هدر الطاقة الذي تُسبّبه المكونات الكهربائية غير الفعالة عن طريق زيادة معدل تحويل الطاقة، غير أنَّ ذلك سيؤدي أيضاً إلى زيادة الفاقد في الكهرباء عند الانتقال من وضع التشغيل إلى وضع الإيقاف. وبوجه عام يُعد تصميم شواحن المركبات الكهربائية وتطويرها وإدارتها عوامل حاسمة لا بدَّ من مراعاتها عند إنشاء أي مرفق شحن، نظراً إلى ضرورة الربط بين شواحن المركبات الكهربائية، وزمن الشحن، وعمر البطارية، ومن ثَمَّ معالجة بعض التحديات الرئيسية التي تقف عقبة في طريق انتشار استخدام المركبات الكهربائية.
ولا تزال سوق شحن المركبات الكهربائية في مراحلها الأولى، ولا يوجَد قول فصل بشأن طرائق تقديم خدمات الشحن، أو الطريقة (مجموعة الطرائق) الأنسب لتوصيل الطاقة إلى المحول، أو السياسات المثلى لدعم تطوير هذا المرفق المهم، واستخدامه.
*أستاذ في كلية الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا