دكتور مهندس: سمير على
استعرضنا مع حضراتكم أحدث ما وصل إليه العلم في تكنولوجيا صناعة السيارات الكهربائية في سلسلة من عدة مقالات شهرية متتالية تم نشرها في نفس الموقع وذكرنا فيها أهمية هذه السيارات للبشرية وكذلك أهم التحديات التي مازالت تواجه انتشارها بشكل أكبر في الأسواق العالمية.
وأوضحنا أن صناعة السيارات لا تزال في المراحل الأولى من الانتقال إلى الكهرباء بالكامل، والتي من المرجح أن تستغرق عقدًا أو عقدين آخرين، بالرغم من أننا نشهد زيادة في معدل انتشار السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEV) كما سنرى لاحقا.
ومع ذلك، لا يزال مصنعو (BEV) يواجهون تحديات حول تصور المستهلك بشأن قضايا مثل نطاق القيادة القصير وأوقات الشحن الطويلة. ولذلك كان من بين الحلول التي أخذت اهتماما واسعا من العلماء وتم التركيز عليها بشكل كبير هي استغلال الطاقة الشمسية في شحن السيارات الكهربائية خاصة أنها متاحة بشكل واسع ومجاني “حتى الآن” سواء بتوليد الكهرباء النظيفة من الألواح الشمسية على أسطح المنازل ثم استغلالها في شحن السيارات الكهربائية أثناء توقفها، أو تركيب الألواح الشمسية على الأسطح الخارجية للسيارات لتوليد الكهرباء واستغلالها في شحن بطاريات السيارات الكهربائية بشكل مباشر توفيرا لوقت الشحن وللتكلفة.
وقد قمنا باستعراض أخر ما توصلت إليه الأبحاث في هذا الموضوع في مقالة سابقة تم ننشرها في موقع أهرام السيارات بتاريخ 20 يونيو 2021. لكن ما نستعرضه مع حضراتكم اليوم هو الإجابة عن سؤال يشغل العديد من المهتمين بصناعة السيارات وهو: هل يمكن استغلال الطاقة الشمسية “وحدها” في شحن السيارات الكهربائية بالكامل دون الحاجة إلى أي مصدر أخر من مصادر الطاقة؟ ومتى؟
لقد بدأت العديد من المحاولات والأبحاث حول العالم لإنتاج نماذج لسيارة تعمل بالطاقة الشمسية منذ عام 1955 على يد (William G. Cobb) من جنرال موتورز. لكنها كانت سيارة صغيرة بحجم 15 بوصة مدعومة بـ 12 خلية من السيلينيوم الكهروضوئية ومحرك كهربائي. ثم ظهر أول نموذج مناسب لحجم الإنسان في عام 1962. كان موديل (Baker) بواسطة شركة (International Rectifier) وتم تزويده بـ 10,640 خلية شمسية فردية.
في البداية، تم بناء معظم السيارات الشمسية لغرض السباقات فقط. وهناك العديد من مسابقات السيارات الشمسية حول العالم. ومن أبرزها مسابقة (World Solar Challenge)، وهي مسابقة دولية تقام في أستراليا. ومع ذلك، فقد تم تصميم وبناء عدد من النماذج الأولية للسيارات الشمسية المصممة للاستخدام على الطرق العامة.
ولا أريد أن أدخل في التفاصيل الهندسية والكيميائية لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية. ولكن الفكرة ببساطة شديدة هي تركيب مجموعة ألواح شمسية على الأسطح الخارجية للسيارات (الخلايا الكهروضوئية) لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. وذلك بخلاف أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية التي تحول الطاقة الشمسية إلى حرارة. عندما يسقط ضوء الشمس (الفوتونات) على الخلايا الكهروضوئية، فإنها تثير الإلكترونات وتسمح لها بالتدفق، مما ينتج عنه تيار كهربائي. تتكون الخلايا الكهروضوئية من مواد شبه موصلة مثل السيليكون وسبائك الإنديوم والجاليوم والنيتروجين كما هو موضح بالرسم المبسط التالي:
علما بأن السليكون البلوري هو أكثر المواد المستخدمة شيوعًا وله معدل كفاءة يتراوح بين 15-25٪ فقط. وإذا تمكنت الأبحاث من الوصول إلى تكنولوجيا لشحن السيارة بالكامل من الشمس فقط، فلن تكون هناك تكاليف “وقود” لتشغيل السيارة … نظريًا. لكن يبقى السؤال: هل يمكن للخلايا الشمسية أن توفر بالفعل طاقة كافية لذلك؟
على الرغم من وجود كمية هائلة من الطاقة التي يمكن استخلاصها من الشمس، إلا أن تقنيات الخلايا الشمسية الحالية لا تزال منخفضة الكفاءة إلى حد ما. وعادة تكون في حدود 15 – 25٪. ولكن التحدي الأساسي يكمن في الطقس الغائم والضباب وتغيير زوايا سقوط أشعة الشمس على السيارة وغيرها من المشكلات التي قد لا تولد ما يكفي من الكهرباء لشحن البطاريات.
وعموما، لا تزال صناعة السيارات في المراحل الأولى من الانتقال إلى الكهرباء بالكامل، والتي من المرجح أن تستغرق عقدًا أو عقدين آخرين، بالرغم من أننا نشهد زيادة في معدل الاعتماد على السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEV). بين عامي 2020 و2021، فقد قفزت مبيعات السيارات الكهربائية حول العالم بنسبة 108٪، لتصل إلى 6.75 مليون وحدة في عام 2021. ومن بين هؤلاء، كانت نسبة 71٪ من السيارات الكهربائية بالكامل وليست هجينة. مقارنة بالمبيعات في عام 2012 والتي بلغت 125.000 سيارة فقط كما هو موضح في الرسم البياني التالي:
ومع ذلك، لا يزال مصنعو (BEV) يواجهون تحديات حول تصور المستهلك بشأن قضايا مثل نطاق القيادة القصير وأوقات الشحن الطويلة.
لماذا تعطي شركات السيارات كل هذا الاهتمام والاستثمارات الضخمة لتنمية صناعة السيارات الشمسية؟
ولتوضيح الأسباب نقول، أن معظم حكومات الدول المتقدمة قد وضعت هدف رئيسي وهو (Net Zero) وفرضت على كل شركات السيارات أن تساهم بفعالية في تحقيق هذا الهدف خلال مدة محددة لأن التغيرات المناخية نتيجة لتلوث البيئة لم تدع أي خيارات أخرى. وقد أدى إدخال السيارات الكهربائية في جميع أنحاء العالم إلى زيادة الطلب على نظام شحن أفضل وفعال للسيارات الكهربائية أثناء التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، أدى الافتقار إلى البنية التحتية المناسبة لشحن السيارة خلال المدى الطويل إلى تمهيد الطريق لتركيب الألواح الشمسية في السيارات، الأمر الذي عزز فكرة نمو سوق السيارات الشمسية لأنه إذا أمكن الاعتماد على الطاقة الشمسية فقط لشحن البطارية بالكامل فإن ذلك سيدعم الوصول إلى هذا الهدف للأسباب الآتية:
لن تصدر أي غازات كربونية ولذلك فهي تساهم في تحسين البصمة الكربونية. كما أنها لا تلوث الهواء بانبعاث الغازات السامة. وفي النهاية تحسين في طبقة الأوزون.
لا تحتاج إلى الوقود الأحفوري (منتجات النفط والغاز الطبيعي) فتقلل من استهلاك المصادر غير المتجددة. وبالتالي مساعدة المصادر غير المتجددة على الانقراض بسرعة.
تقلل من التلوث الضوضائي، ولذلك فهي صديقة للبيئة عند مقارنتها بالسيارات التقليدية.
تحتاج إلى صيانة أقل عند مقارنتها بمحركات الاحتراق الداخلي.
أشعة الشمس متوفرة بكميات هائلة طوال العام وفي معظم دول العالم.
لا ينبغي استبدال السيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية بسيارات جديدة طالما أنها تعمل بكفاءة كما يحدث عندما يتم استهلاك محركات الاحتراق الداخلي.
مازالت الطاقة الشمسية هي أرخص مصدر للطاقة مقارنة بالمصادر الأخرى خاصة إذا تمكن العلماء من زيادة كفاءة الطاقة المتولدة من الخلايا الشمسية.
ومن أهم الفوائد الاقتصادية لشحن السيارات باستخدام الطاقة الشمسية:
أرخص بحوالي 51 ٪. مقارنة بالشحن من شبكة الكهرباء المنزلية.
أرخص بنسبة 80٪ مقارنة بالشحن من أجهزة الشحن العامة.
أرخص من تشغيل السيارة بالبنزين بنسبة 81 ٪ (عند حساب سعر 4 دولارات للجالون).
(ضع في اعتبارك أن هذه الأرقام ستختلف حسب طراز السيارة والمسافة المقطوعة وتكلفة الوقود وأي والحمولة).
على مدار 25 عامًا، يمكن توفير أكثر من 14,000 دولار أمريكي إذا تم شحن السيارة كهربائية باستخدام الطاقة الشمسية مقارنة بشحنها عن طريق شبكة الكهرباء.
وبصفة عامة فإنه في عصرنا هذا الذي يهيمن عليه التضخم، تعد الطاقة الشمسية أفضل وسيلة يمكن الاعتماد عليها ضد ارتفاع تكاليف الطاقة.
إذا كانت لدينا كل هذه الفوائد المثيرة للاهتمام، فما هي المعوقات التي تجعل هذه التكنولوجيا لا تزال بعيدة عن الوصول إلى أقصى إمكاناتها؟
بالرغم من وجود كمية هائلة من الطاقة التي يمكن استخلاصها من الشمس، إلا أن تقنيات الخلايا الشمسية الحالية لا تزال منخفضة الكفاءة لا تتعدى 15-25٪ فقط وبالتالي لم نصل إلى أقصى استفادة منها.
تعتمد على حالة الطقس. وبالتالي ستعمل دائمًا بشكل فعال في المناطق التي توجد بها مواسم مشمسة.
تستغرق ساعات في إعادة شحن البطاريات بينما تحتاج السيارات التقليدية إلى دقائق فقط لملء خزانات الوقود الخاصة بها. فعلى سبيل المثال وجدت الأبحاث أنه لكي تقوم بشحن بطارية قدرتها (75 KWh) بشكل كامل فإننا نحتاج إلى 405 ساعة (حوالي 17 يوم). وهذا ليس سيئًا إذا كنت تقود سيارتك بشكل غير منتظم، ولكنه مستحيل إذا كان لديك رحلة منتظمة يوميا. وقد تختلف النتائج، اعتمادًا على موقعك الجغرافي وكذلك فصول السنة وحالة الطقس، وما إلى ذلك.
لا يمكن التحكم في زاوية سقوط أشعة الشمس على أسطح السيارة أثناء السير للحصول على أعلى كثافة للأشعة وبالتالي توليد أعلى طاقة منها. (كما يحدث في محطات توليد الطاقة الشمسية الأرضية).
مع التكنولوجيا الحالية لهذه السيارات، تكون السرعة أقل بكثير عند مقارنتها بمحركات الاحتراق الداخلي.
لا يمكننا حمل كميات كبيرة من البضائع في شاحنات تعمل بالطاقة الشمسية مقارنة بالشاحنات التقليدية.
تكلفة إنتاجها الأولية ضخمة حتى هذه اللحظة. كما أن تكلفة الإصلاح لهذه السيارات ستكون واحدة من أهم معوقات انتشارها بشكل سريع.
وبعد استعراض أهم مزايا وتحديات السيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية، يبرز السؤال الأهم: هل يمكن أن نرى على الطريق سيارات تعتمد بشكل أساسي في شحن البطارية على الطاقة الشمسية؟
لقد ظهرت مؤخرا عدة محاولات جادة من شركات قليلة جدا لإنتاج سيارة شمسية بشكل تجاري. ففي عام 2017، كشفت الشركة الألمانية الناشئة (SONO Motors)، عن نموذجها الأولي لسيارة كهربائية مدمجة يمكن إعادة شحنها بالطاقة الشمسية موديل (SION). تحتوي على 450 خلية شمسية على أسطح السيارة والتي يمكن أن تعزز نطاق القيادة بمتوسط 112 كم (~ 70 ميلاً) في الأسبوع، ويمكن أن تصل إلى 245 كم (~ 152 ميلاً) في الأسبوع في ظروف الذروة. وباستخدام محطة الشحن السريع، تحتاج إلى حوالي 35 دقيقة لشحن البطارية التي تبلغ قدرتها 54 كيلو واط في الساعة للوصول إلى حالة شحن بنسبة 80٪. ويبلغ إجمالي مدى القيادة للسيارة حوالي 305 كم (~ 190 ميلاً) وتبلغ سرعتها القصوى 140 كم / ساعة (~ 87 ميلاً في الساعة).
وقد قامت شركة (SONO Motors) بالفعل بقبول طلبات الحجز ل (SION)، لكن الإنتاج لن يبدأ قبل عام 2023 وبسعر شراء يبلغ 28,500 يورو (حوالي 32,361 دولارًا أمريكيًا). وتخطط الشركة لتسليم أول 14,000 حجز خلال النصف الثاني لعام 2023.
بالإضافة إلى ذلك، يقومون أيضًا بتكثيف الأبحاث في مجال الطاقة الشمسية للشاحنات الكبيرة. من خلال دمج الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة في شاحنة بمقطورة طولها 13 مترًا. ففي ظروف الذروة في ميونيخ، يمكن أن تولد الخلايا الشمسية المجهزة على السقف والجوانب حوالي 82 كيلو وات / ساعة يوميًا. وسوف يؤدي ذلك إلى توفير ما يصل إلى 80٪ من تكلفة الطاقة للمقطورات المبردة مقارنة بمحركات الديزل.
شركة أخرى تعمل على تطوير السيارات الكهربائية الشمسية وهي (Lightyear)، قد كشفت النقاب عن سيارتها (Lightyear One) في نهاية عام 2019. تبلغ مساحة الألواح الشمسية على سيارتهم طويلة المدى خمسة أمتار مربعة مكونة من مجموعة شمسية مزدوجة الانحناء حاصلة على براءة اختراع والتي تنتج 215 واط / متر مربع. وفقًا للشركة، يمكن أن توفر ساعة واحدة في الشمس حوالي 12 كم (~ 7 أميال) من المدى. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى 70 كم (~ 43 ميلًا) من المدى الإضافي يوميا. وتقول الشركة أن سيارتها يمكن أن تستمر سبعة أشهر دون توصيلها بالكهرباء. لكن الجانب السلبي لهذه الأرقام المذهلة هو أن سعر بيع هذه السيارة يبلغ حوالي 150 ألف يورو (ما يعادل 170,321 دولارًا أمريكيًا) باستثناء الضرائب!!
على الجانب الآخر من أرقام المسافة والكفاءة، هناك بعض أكبر مصنعي السيارات، مثل Hyundai و Mercedes، قد بدأوا بالفعل في وضع الطاقة الشمسية على خريطة التصميمات الحالية. فقد تم تجهيز نسخة محدودة الإصدار من هيونداي (Sonata) هايبرد خلال هذا العام بسقف شمسي فعال بنسبة 22.8٪ والذي سيزيد من نطاق القيادة بحوالي 4 كم في اليوم في الظروف المثالية.
كما قامت شركة مرسيدس بإنتاج سيارتها موديل (Vision EQXX) بمواصفات مذهلة حقا. ستوفر الخلايا الشمسية الـ 117 الموجودة على سطحها حوالي 25 كم (~ 15 ميلاً) من المدى الإضافي يوميا في ظل ظروف مثالية. إنها نموذج بحثي أولي قادر على تجاوز مسافة 1000 كيلومتر من القيادة الكهربائية في العالم الحقيقي بشحنة واحدة. خاصة بعد الوصول إلى استهلاك الطاقة المتميز الذي يقل عن 10 كيلو واط/ ساعة لكل 100 كيلومتر، خاصة بعد وصولها إلى معامل مثالي لمقاومة الهواء (0.17) فقط وهو معدل لم تصل إليه أي سيارة منافسة.
ثم يقودنا هذا إلى شركة السيارات التي أشعلت المنافسة حقًا في هذا المجال وهي (Aptera Motors). فقد اتبعت منهج “التفكير من خارج الصندوق” في بناء السيارة من الألف إلى الياء. فقامت بتصميم سيارة مستقبلية ذات ثلاث عجلات لتكون موفرة للطاقة للغاية أطلقت عليها (SOL). وقد أطلقت على مصفوفة الخلايا الشمسية الخاصة بها اسم (Never Charge)، يمكنها الوصول إلى حوالي 1000 ميل (حوالي 1600 كم) بشحنة واحدة. وكان أحد مفاتيح هذا الإنجاز المذهل هو وزنها الخفيف، حيث تزن 65٪ أقل من السيارة الكهربائية العادية. بالإضافة إلى نظام نقل الحركة الفعال والديناميكا الهوائية المثالية بحيث أنها تستخدم 30٪ فقط من طاقة السيارات الكهربائية والهجينة الحالية. ويمكن لهذه السيارة أن تصل إلى سرعة 100 كم/ ساعة في 3.5 ثانية فقط.
وقد بدأ إنتاج (SOL) وعمليات التسليم الأولى في هذا العام بسعر يتراوح من 25,900 دولار إلى 50,700 دولار. وبالإضافة إلى مظهرها الفريد فإن سعرها أيضا هو الأفضل حتى الآن مقارنة بكل منافسيها.
وأما في الصين، فإن شركة (Hanergy) الصينية تخطط لصناعة الألواح الشمسية لبناء سيارات تعمل بالطاقة الشمسية مزودة ببطاريات (ليثيوم أيون) للمستهلكين في الصين أولا. حيث توصلت الشركة إلى تكنولوجيا تسمح للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة في السيارات بتوليد 8-10 كيلووات/ ساعة من الطاقة خلال تعرضها لضوء الشمس مدة من 5 إلى 6 ساعات يوميًا، مما يسمح للسيارة بالسفر لمسافة 80 كيلومترًا (50 ميلًا) باستخدام الطاقة الشمسية وحدها.
وبعد استعراض كل ما سبق من معلومات وتحديات، فما هي التوقعات لسوق السيارات الشمسية حتى عام 2030؟
من المتوقع أن يصل حجم سوق السيارات الشمسية العالمية إلى 329.5 مليون دولار في عام 2023، ومن المتوقع أن يصل إلى 4,087.6 مليون دولار بحلول عام 2030، مسجلاً معدل نمو سنوي مركب قدره 43.3٪. من المتوقع أن تكون أمريكا الشمالية أكبر مساهم في الإيرادات، حيث ستبلغ 138.5 مليون دولار أمريكي في عام 2023 ومن المتوقع أن تصل إلى 1,819.4 مليون دولار أمريكي بحلول عام 2030 بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 44.5. ومن المتوقع أن تستحوذ أوروبا بشكل جماعي على حوالي 77.6٪ من هذه الحصة السوقية في عام 2023، المتوقع أن تشهد أوروبا وأمريكا الشمالية معدل نمو سنوي مركب بنسبة 46.3٪ و 44.5٪ على التوالي خلال فترة التوقعات. ستكون الحصة التراكمية لهذين القطاعين 77.6٪ في عام 2023، ومن المتوقع أن تصل إلى 85.5٪ بحلول عام 2030.
وخلاصة القول، إن المشكلة الكبرى تكمن في أن معظم هذه السيارات لا يمكن أن تعتمد على الطاقة الشمسية بالكامل، ولكن يمكنها إحداث تأثير في مقدار الشحن الإضافي الذي تحتاجه. هناك أيضًا مشكلة المصانع المحدودة المتاحة لدمج الخلايا الشمسية على سطح السيارة. ويمكن استخدام الألواح الشمسية الشفافة لنوافذ السيارة لزيادة مساحة الخلايا الشمسية وإنتاج طاقة أكبر، ولكن الخلايا الشفافة الحالية بكفاءة وكثافة طاقة أقل كثيرا من خلايا السيليكون. إن الجمع بين كل هذه التحديات يجعل هذا الأمر غير مقنع من منظور التكلفة والعائد. ومع ذلك، بالنسبة للسيارات المصممة لهذا الغرض، مثل Aptera أو Lightyear، تبدو الأرقام أكثر جاذبية.
هذه التحديات دفعت العلماء إلى المزيد من البحث عن وسائل شحن متطورة قادرة على نقل الطاقة بكفاءة عالية وبشكل سريع خاصة أن العديد من التقنيات الحديثة حاليا تفشل في توفير إرسال الطاقة عبر مسافات طويلة. ومن أهم هذه الوسائل الحديثة “استخدام النقل اللاسلكي عن بعد للطاقة بواسطة أشعة الليزر والميكروويف”. حيث أن شعاع الليزر هو شعاع ضوئي متماسك، قادر على نقل طاقة عالية للغاية وبكفاءة باستخدام خط البصر. حاليًا، تجري شركات مثل Nokia و Google وغيرهما أبحاثًا لتطوير نظام الشحن اللاسلكي الذي يستخدم تقنية الموجات الدقيقة أو أشعة الليزر لشحن الأجهزة المتوافقة مع (Qi) والتي يمكنها الحفاظ على ما يصل إلى 2 واط من طاقة الليزر. ومن المتوقع أن يؤدي هذا التقدم التكنولوجي في الشحن اللاسلكي إلى تعزيز نمو سوق السيارات الشمسية.
