خلايا وقود الهيدروجين والبلاتين يؤديان دورًا مهمًا في التنقل بالقطارات (تقرير)

تؤدي خلايا وقود الهيدروجين والبلاتين دورًا مهمًا في تحريك القطارات، وخصوصًا ما يتعلق بزيادة الكفاءة وتحسين الأداء.

فقد واجهت تجربة قطار الهيدروجين التي أجرتها شركة "ألستوم" الفرنسية (Alstom) صعوبات مجددًا، حيث لجأ المشغّلون في ألمانيا إلى الديزل لعدم توفر خلايا وقود بديلة.

تجدر الإشارة إلى أن 4 قطارات من أصل 14 قطارًا من طراز كاسكاديا اشترتها ولاية ساكسونيا السفلى تعمل حاليًا، حسب متابعة منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

وقد يبدو هذا الأمر مجرد عثرة في سلسلة التوريد، لكن المشكلة أعمق من ذلك، حيث يكشف تتبُّع المسار عن ضعف خلايا وقود الهيدروجين في قطاع النقل، وعن قيود هيكلية تتعلق بالمواد تجعله أقل قابلية للتطبيق.

قطارات كوراديا آي لينت العاملة بالهيدروجين

صُمِّمت قطارات كوراديا آي لينت لتكون رائدة في مجال التنقل بخلايا وقود الهيدروجين.

وتستعمل هذه القطارات خلايا وقود الهيدروجين من إنتاج شركة كومينز الأميركية (Cummins)، مبنية على إرث شركة هيدروجينيكس (Hydrogenics) في كندا وأوروبا.

ويحمل كل قطار وحدتين بقدرة نحو 200 كيلوواط لكل منهما، وتتطلب خلايا الوقود بهذا الحجم ما بين 0.4 و0.6 غرام من البلاتين لكل كيلوواط لتحقيق المتانة المطلوبة في خدمة السكك الحديدية؛ أي ما يعادل نحو 0.2 كيلوغرامًا من البلاتين لكل قطار.

بأسعار اليوم، يكلّف هذا نحو 8 آلاف و700 دولار، أي نحو 5% من تكلفة خلية الوقود، ويبدو هذا المبلغ ضئيلًا مقارنة بالإنتاج العالمي.

من ناحية ثانية، تحتوي كل خلية وقود غشاء تبادل البروتون (PEM) على غشاء رقيق مطلي بالبلاتين.

دور البلاتين

يعمل البلاتين محفزًا يقسم جزيئات الهيدروجين الواردة إلى بروتونات وإلكترونات.

وتنتقل البروتونات عبر الغشاء بينما تُجبر الإلكترونات على الدوران حول دائرة خارجية، منتجةً كهرباء قابلة للاستعمال، وفق تحديثات القطاع لدى منصة الطاقة المتخصصة.

على الجانب الآخر من الغشاء، يُمكّن البلاتين التفاعل مرة أخرى من خلال تسريع العملية البطيئة لدمج الأكسجين والبروتونات والإلكترونات في الماء.

ويُعدّ هذان التفاعلان أساسيين للجهاز، وتسمح كيمياء سطح البلاتين الفريدة بحدوثهما بمعدلات عملية وبالمتانة اللازمة.

دون البلاتين، إمّا أن تتوقف الخلية عن العمل بكفاءة أو تتفكك بسرعة كبيرة.

وتمثل هذه الوظيفة التحفيزية سبب أهمية كل غرام من البلاتين في مجموعة خلايا الوقود، ولماذا لا تستطيع خلايا الوقود الاستغناء عن اعتمادها على معدن نادر ومتقلب.

إنتاج سوق البلاتين

تُنتج سوق البلاتين نحو 250 إلى 280 طنًا سنويًا، ويُستهلك ثلث هذا الإنتاج تقريبًا في محفزات السيارات، خصوصًا لسيارات الديزل والشاحنات، ويُستهلك ربعه الآخر في صناعة المجوهرات.

بدورها، تستهلك المحفزات الصناعية في التكرير والمواد الكيميائية ما يقرب من الخمس، وتستحوذ صناعة الزجاج والإلكترونيات على حصة أقل.

بالكاد تُسجل خلايا الوقود وأجهزة التحليل الكهربائي مجتمعةً طنًا أو طنين سنويًا.

في المحولات الحفازة للسيارات والشاحنات، يُعدّ البلاتين أحد المعادن التي تجعل الاحتراق الحديث مقبولًا وفقًا لقوانين جودة الهواء.

وعندما تخرج غازات العادم من المحرك، فإنها تحمل معها هيدروكربونات غير محترقة وأول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين.

من ناحية ثانية، يوفر البلاتين مواقع نشطة على سطحه تعمل على تفتيت هذه الملوثات من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال عند درجات الحرارة العالية لتيار العادم.

وتتأكسد الهيدروكربونات وأول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، بينما تُختزل أكاسيد النيتروجين إلى نيتروجين.

البلاتين في محركات الديزل

يعمل البلاتين بتناغم مع البلاديوم والروديوم، ولكن في محركات الديزل، يُعدّ البلاتين المحفز الأكثر فعالية بفضل عادمه البارد والغني بالأكسجين، وتستطيع جزيئات البلاتين المشتتة بدقة تحمُّل الدورة الحرارية والسموم الكيميائية التي قد تُدمّر المواد الأقل جودة.

ودون البلاتين، لا تستطيع محركات الديزل تلبية لوائح الانبعاثات، ولهذا السبب تشتريه شركات صناعة السيارات بأيّ ثمن تقريبًا، ويهيمن الطلب من هذا القطاع على الاستهلاك العالمي.

في مصافي التكرير، يُعدّ البلاتين العنصر الأساس في وحدات الإصلاح الحفزي التي تُحوّل النافثا منخفضة القيمة إلى بنزين عالي الأوكتان ومواد خام للبتروكيماويات.

استعمال خلايا وقود الهيدروجين في قطاع النقل

كان استعمال خلايا وقود الهيدروجين في قطاع النقل عائقًا بسبب ضعف كفاءة الطاقة، وارتفاع تكاليف التشغيل، وتكاليف البنية التحتية، وضعف جاذبية السوق مقارنةً بالبطاريات.

وفي الوقت نفسه، تتفاقم الأمور بسبب ضيق إمدادات البلاتين، فكل ميغاواط إضافي من سعة خلايا الوقود يستهلك كمية أكبر من معدن نادر.

إزاء ذلك، سيواجه مشغّلو النقل الذين اشتروا أساطيل حافلات الهيدروجين المشكلة نفسها في الأشهر والسنوات المقبلة.

تجدر الإشارة إلى أن خلايا الوقود عادةً ما تدوم لمدة سنتين إلى 3 سنوات فقط وفقًا لبيانات الاتحاد الأوروبي، ونتيجة لنقص البلاتين، سيواجه مورّدو خلايا الوقود صعوبة في توفير بدائل.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصدر..