بعد ظهور أول سيارة كهربائية في القرن التاسع عشر والزيادة الثانية في الشعبية في السبعينيات من القرن العشرين ، خرجت الحافلات الكهربائية مرة أخرى إلى شوارع المدن. يمكنك معرفة ما أثر على تطورهم وكيف تغيرت التقنيات: من إنشاء بطاريات ضخمة إلى تطوير البنية التحتية للشحن في مقالتنا الجديدة.
السيارة الكهربائية الأولى: تحيات القرن التاسع عشر
ظهرت السيارات الكهربائية قبل وقت طويل من السيارات بمحرك احتراق داخلي. حصل جوتليب ديملر وكارل بنز على براءة اختراع لأول عربة ذاتية الدفع مع البنزين ICE في عام 1886 ، في حين تم إدخال أول سيارة كهربائية لنقل الناس في عام 1837. بسبب التكلفة العالية والكفاءة المنخفضة ، لم تستطع السيارات الكهربائية الأولى منافسة السيارات ذات المحرك البخاري. كانت تكلفة خدمة سيارة ببطارية من الزنك أعلى 40 مرة من تكلفة خدمة محرك بخاري يعمل بالفحم.
بعد ظهور بطاريات الرصاص الحمضية بأسعار معقولة ، تمكنت السيارات الكهربائية من دخول الموضة لفترة من الوقت. في عام 1890 ، بنى الأمريكي ويليام موريسون أول حافلة كهربائية - سيارة بسعة 6 أشخاص ، تصل سرعتها إلى 19 كم / ساعة وتسافر بشحنة واحدة تصل إلى 160 كم. أنتجت 24 بطارية ، تزن ما يقرب من 350 كجم في المجموع ، تيارًا 112 أمبير بجهد 58 فولت وتحتاج إلى 10 ساعات لإعادة الشحن بالكامل.
الحافلة الكهربائية لوليام موريسون. المصدر: american-automobiles.ruفي بداية القرن العشرين ، عملت 20 حافلة كهربائية بنجاح على طرق النقل الحضري في لندن ، والتي كانت في ذلك الوقت أكثر كفاءة واقتصادية من نظيراتها من البنزين. شحنة بطارية واحدة كانت كافية لمسافة 60 كم ، لذلك تم استبدال البطاريات الفارغة بأخرى جديدة في المحطات النهائية - استغرقت العملية ثلاث دقائق فقط.
إن حافلة لندن الكهربائية ذات البطارية القابلة للإزالة هي النموذج الأولي لسيارة تسلا المستقبلية مع بطاريات قابلة للفصل السريع. المصدر: متحف لندن للنقلبحلول عام 1900 ، كانت 38 ٪ من السيارات في الولايات المتحدة تعمل بالكهرباء ، ولكن تحسين محركات الاحتراق الداخلي وخفض أسعار الوقود أعاقا بشكل كبير تطور صناعة النقل الكهربائي المستقل - بحلول الثلاثينيات من القرن العشرين ، اختفت الحافلات الكهربائية عمليا. على عكس سيارات البنزين ، لم يكن النقل الكهربائي أرخص ، ولم تبعث حالة البيئة حتى الآن بأي قلق. وضع الاستثمار في الحافلات المزودة بالبطاريات المظهر في العشرينات من حافلات الترولي الرخيصة.
عملية استبدال البطارية في حافلة كهربائية تلقائية تمامًا ، كما هو الحال في القرن الحادي والعشرين.
المصدر: المكتبة البريطانيةولكن بسبب انخفاض أسعار الوقود في منتصف القرن العشرين ، اتخذت صناعة ICE مسارًا لزيادة الحجم ، مما أثر بشكل مباشر على استهلاك البنزين. حتى السيارات تم تزويدها بمحركات غير فعالة سداسية اللتر ، أصبحت صيانتها في السبعينيات "ذهبية". تسبب الوضع الحالي في طفرة جديدة في شعبية السيارات الكهربائية. لذلك في مانشستر الإنجليزية في عام 1974 ، جاءت الحافلات الكهربائية Seddon Pennine 4-236 على بطاريات الكلوريد إلى طرق المدينة.
لقطة نادرة للحافلة الكهربائية Seddon Pennine 4-236 التي كانت تعمل في عام 1975.
المصدر: Alan Snattكانت السيارة التجارية العالمية الوحيدة المتبقية في ذكرى ذلك الوقت هي الميني فان مرسيدس بنز 306 جنيه ، والتي قدمت بطاريتها القابلة للفصل السريع طاقة تبلغ حوالي 76 حصانًا ، ولكن تم استنفادها بعد 50 كم فقط. عاشت السيارة حتى عام 1983 ، بعد اختبارها بواسطة الخدمة البريدية لمدينة بون الألمانية ، تم إعلان أنها غير مربحة.
حافلة صغيرة Mercedes-Benz 306 جنيه - تذكير بعصر أزمة الوقود. المصدر: مرسيدس بنزبدأوا يتحدثون بجدية عن الإنتاج الضخم للسيارات الكهربائية واستخدامها فقط في القرن العشرين ، عندما بدأ المجتمع يفكر في التهديدات البيئية ويدرك الضرر البيئي الناجم عن عوادم السيارات. على خلفية مناقشة القضايا البيئية ، أصبحت فكرة تحويل حافلات الديزل إلى كهرباء شائعة جدًا ، ولعب ظهور بطاريات ليثيوم أيون التي يمكن أن تتراكم الطاقة وتوفر حركة مستقلة للحافلات الكهربائية لفترة طويلة دورًا مهمًا. كما أدى اختراع هذه البطاريات إلى حل المشكلة الاقتصادية ، مما جعل إنتاج المركبات الكهربائية وصيانتها أكثر اقتصادا وفتح الطريق أمامها إلى السوق الشامل.
قضايا التغذية
في الحافلات الكهربائية الحديثة ، يتم استخدام البطاريات أو المكثفات الفائقة للطاقة. الطريقة الأخيرة لتخزين الطاقة مثيرة للاهتمام بطريقتها الخاصة ، على الرغم من أنها تحد بشكل كبير من إمكانيات النقل الكهربائي.
يمكن للمكثفات الفائقة تخزين 5٪ فقط من الطاقة مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون ذات الحجم المماثل. من الواضح أنه في شحنة واحدة من المكثف ، ستسافر الحافلة عدة كيلومترات فقط ، مما يعني أنه لا توجد حاجة للحديث عن أي نوع من الاستقلالية. لكن الخاصية الإيجابية للمكثفات هي سرعة الشحن. يستغرق ثواني لاستعادة الشحن.
الحافلة فائقة السرعة الصينية Ultracap Bus في محطة توقف مع محطة شحن - تشبه قسمًا بأسلاك ترولي باص. المصدر: Shanghai Aowei Technologyلذلك في مدينة نينغبو الصينية ، هناك حافلة مكثف ، تستغرق 10 ثوانٍ فقط لإعادة الشحن - بفضل البنية التحتية المتطورة لمحطات الشحن ، تتلقى الحافلة الطاقة في كل محطة أثناء صعود وهبوط الركاب ، والتي عادة ما تستمر لفترة أطول قليلاً. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحويل ما يصل إلى 80٪ من طاقة الكبح إلى كهرباء ويتم إرجاعها إلى المكثفات - وهذا يوفر ما يصل إلى 50٪.
يتم تحسين المكثفات الفائقة باستمرار ، ولكن إدخال الحافلات الكهربائية على مثل هذه البطاريات يتطلب بنية تحتية باهظة الثمن للغاية على شكل محطات شحن عالية الطاقة في كل محطة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تترك المواقف الطارئة في شكل اختناقات مرورية غير متوقعة حافلة مع مكثفات مفرغة على الطريق وتخلق مشاكل إضافية لحركة المرور.
بطارية أيونات الليثيوم ليست نوعًا معينًا من البطاريات بتركيبة واحدة معتمدة ، ولكنها عائلة كاملة من عناصر الطاقة. إن تطوير بطاريات الليثيوم أيون عملية معقدة لإيجاد التوازن الضروري بين القوة والقدرة والضغط والسعر. المثالية غير موجودة بعد. كل نوع من بطاريات الليثيوم أيون جيد لتطبيق معين. لا يتم استخدامها جميعًا في السيارات الكهربائية ، يجد الكثيرون مكانها في الإلكترونيات ذات استهلاك منخفض للطاقة.
بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO
2 ) ، الأكثر بأسعار معقولة وشعبية اليوم ، لديها قدرة ممتازة لكل وحدة حجم ، منخفضة التكلفة و جهد فلطي 3.6 فولت لكل خلية. هذا هو نوع البطارية التي ستجدها في الأجهزة المحمولة والإلكترونيات الاستهلاكية المحمولة. عيوب هذه البطاريات معروفة أيضًا: تيار تفريغ صغير ، بحد أقصى 1000 دورة شحن / تفريغ قبل بدء التدهور الخطير للخزان ، الشحن الطويل وعدم القدرة على العمل في درجات حرارة منخفضة. سيكلف الحافلة الكهربائية في LiCoO
2 أقل من الأنواع الأخرى من البطاريات ، ولكن يمكن أن تعمل فقط في البلدان الدافئة على طرق قصيرة بأقل حمولة ، مثل النقل داخل الحرم الجامعي.
بفضل هيكلها ثلاثي الأبعاد ، كانت بطارية الليثيوم والمنغنيز (LiMn
2 O
4 ) قادرة على توفير تيار تفريغ عالي - يصل إلى 30 ضعف سعتها. هذا جعل من الممكن استخدام LiMn
2 O
4 في الأجهزة ذات الاستهلاك العالي للطاقة على المدى القصير ، على سبيل المثال ، في السيارات الكهربائية Nissan Leaf و BMW i3. لكن بطاريات الليثيوم والمنغنيز أظهرت عيوبها: حتى أقل من عمر بطاريات الليثيوم والكوبالت وعدم تحمل البرد. لذلك ، يتم دمج بطاريات الليثيوم والمنغنيز مع نوع آخر من البطاريات - NMC.
بطارية نيسان ليف NMC هي نصف سعر بطارية Tesla NCA ، لكن السعة تفقد حوالي ضعف السرعة (70٪ بعد 100 ألف كم). المصدر: بنيامين نيلسونتلقت بطاريات أكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت ، أو ببساطة NMC ، استهلاكًا جيدًا من الطاقة ومدة خدمة (تصل إلى 2000 دورة تفريغ) ، ولكن تبين أن تيار التفريغ كان صغيرًا. هذا هو السبب في أنه ، للاستخدام في السيارات الكهربائية ، يتم الجمع بين NMCs مع LiMn
2 O
4 - أثناء القيادة العادية ، تعمل خلايا NMC بشكل أساسي ، وعند التسارع ، تعطي خلايا LiMn
2 O
4 تيارًا عاليًا.
تتميز بطاريات الليثيوم والنيكل والكوبالت وأكسيد الألومنيوم (LiNiCoAlO
2 ، أو NCA) بقدرة محددة عالية وتكلفة معقولة. سرعة الشحن والتفريغ الحالي للبطاريات NCA متوسطة ، لا يمكن كتابتها في مزايا أو عيوب. أصبحت NCA مصدر الطاقة لسيارات Tesla وأنظمة تخزين Powerwall.
يتم إرسال بطارية Tesla Model S 85A NCA بقدرة 85 كيلووات ، عند استبدالها بسبب البلى ، إلى أنظمة تخزين الطاقة Tesla Powerwall. المصدر: wk057لكن إحدى ميزات بطاريات NCA تلقي بظلالها على Tesla حتى قبل أن يواجه المالكون مشاكل محتملة - فالبطاريات لها دورة حياة 500 دورة مماثلة لخلايا الليثيوم والكوبالت. ثم استبدال وتصريف الأشياء البالية. لقد أظهرت التجربة الحقيقية أنه حتى بعد 200 ألف كيلومتر ، لا تزال البطاريات في سيارات تسلا الكهربائية تعمل ، حيث فقدت ثلث طاقتها. ولكن ، على الرغم من هذه التجربة الإيجابية ، بالنسبة للمركبات الكهربائية الحضرية ، فإن بطاريات NCA ليست الخيار الأفضل ، لأن عدد الأميال في الحافلة عدة مرات أو حتى أوامر بحجم أكبر من عدد الكيلومترات من السيارات الشخصية.
استجابة تيتانات الليثيوم
عُرفت بطاريات تيتانات الليثيوم (Li
4 Ti
5 O
12 ، LTO) منذ ثمانينيات القرن الماضي. تعمل Toshiba بنشاط على تطوير وإنتاج هذا النوع من البطاريات يسمى SCiB (بطارية Super Charge Ion Battery). لتصنيع الأنود ، يستخدمون تيتانات الليثيوم بدلاً من الجرافيت. في هذه الحالة ، يمكن استعارة الكاثود من بطاريات NMC. جعل استبدال الجرافيت من الممكن زيادة المساحة الفعالة للأنود من 3 م
2 / جم إلى 100 م
2 / جم ، مما يؤثر بشكل أفضل على سرعة شحن الخلية وتيار التفريغ. لذلك ، في عام 2017 ، أظهرت Toshiba بطارية SCiB يمكنها استعادة ما يصل إلى 90٪ من سعتها في 5 دقائق فقط.
يوفر الهيكل المسامي لأكسيد تيتانات الليثيوم مساحة أكبر 30 مرة من الجرافيت ، وعمر خدمة أطول عدة مرات. المصدر: KB "الطاقة"بطاريات الليثيوم تيتانات تعطي بثبات التيار عشر مرات ، وثلاثين مرة في الأحمال النبضية. تحملت العينات المبكرة ما يصل إلى 7000 دورة تفريغ ، وتوفر البطاريات الحديثة دورات 15000-20000 - لا يمكن مقارنة أي نوع آخر من بطارية ليثيوم أيون مع هذه المؤشرات. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز بطاريات LTO بأنها مقاومة للحريق ، حيث تعمل أثناء خفض الضغط على تسخينها حتى 70 درجة وتبرد ، ولا تخشى من ارتفاع درجة الحرارة أيضًا. في الطقس البارد ، لا تفقد الخلية فعاليتها تقريبًا - عند درجة حرارة -30 درجة ، تنخفض قدرة خلية الليثيوم تيتانات إلى 80 ٪ من القيمة الاسمية.
بطارية توشيبا الليثيوم تيتانات المستخدمة في حافلات بروتيرا. المصدر: بروتيراقابلية بقاء مذهلة ، شحن فوري ، مقاومة باردة. تبدو مثل البطارية المثالية لهاتفك. لكن بطاريات LTO لها أيضًا عيوبها ، والتي تحد حتى الآن نطاقها. بادئ ذي بدء ، هذه قدرة محددة منخفضة تبلغ 50-80 وات / كجم ، بينما بالنسبة لخلايا الليثيوم الكوبالت التقليدية تكون 150-200 واط / كجم - أي للحصول على سعة متساوية ، يجب أن تكون خلية الليثيوم تيتانات أكبر مرتين أو ثلاث مرات. ثانيًا ، يبلغ جهد الخلية المقنن 2.4 فولت فقط مقارنة بـ 3.6 فولت للكوبالت الليثيوم. ثالثًا ، في حين أن بطاريات الليثيوم تيتانات لها سعر مرتفع ، أعلى بثلاث مرات من بطاريات NCA. هذا هو السبب في أنه من غير الممكن حتى الآن دمج بطارية ليثيوم تيتانات في هاتف ذكي - ستحصل على عنصر باهظ الثمن بسعة منخفضة وجهد غير كاف لكي يعمل الجهاز.
ولكن في الحافلات الكهربائية ، حيث لا يوجد نقص في المساحة ، وتتطلب أيضًا عمر بطارية طويل ، فإن بطاريات الليثيوم تيتانات هي المكان المناسب للذهاب.
يوضح الرسم البياني المسافة المقطوعة لآلة اختبار على بطاريات SCiB وبطاريات أكسيد الليثيوم والكوبالت. ميزة SCiB أكثر من واضحة. المصدر: توشيباقضية إعادة الشحن
بدون بنية تحتية متطورة ، تتحول الحافلة الكهربائية إلى مشكلة. يمكنك شحن حافلة كهربائية بثلاث طرق مختلفة: الشحن الليلي الطويل والشحن السريع في المحطات الطرفية والشحن السريع في محطات التوقف.
محطات الشحن في محطات النقل العام مطلوبة ، على سبيل المثال ، عن طريق الحافلات الكهربائية على المكثفات الفائقة: يتم تثبيت منطقة التلامس أو الأسلاك فوق الجناح ، والتي تلمسها الحافلة باستخدام آلة النسخ. إذا كانت المكثفات الفائقة تحتوي على طاقة كافية لعدة ثوان ، فستكون هناك حاجة إلى دقائق على الأقل لإعادة شحن البطارية. مع الأخذ في الاعتبار أن بطاريات Toshiba lithium-titanate الحديثة تسترد معظم الشحن في خمس دقائق ، يكفي تثبيت بضع محطات شحن فقط على شبكة مسار الحافلات التي يمكنها إبقاء بطاريات الحافلة مشحونة.
يتم استخدام الشحن الليلي الطويل في وسائل النقل العام فقط جنبًا إلى جنب مع إحدى الطريقتين الأخريين. من المستحيل شحن الحافلة مرة واحدة يوميًا وإرسالها إلى الطريق طوال اليوم لأسباب موضوعية. أولاً ، للعمل لمدة نصف يوم على الأقل ، تحتاج إلى بطاريات كبيرة جدًا تشغل مساحة كبيرة في المقصورة - وهذا الظرف يزيد بشكل حاد من تكلفة كل حافلة. ثانيًا ، من الضروري إحضار خطوط طاقة قوية جدًا إلى مستودع الحافلات من أجل توفير عشرات بل ومئات الحافلات في وقت واحد.
يتم شحن الحافلة الكهربائية التسلسلية KamAZ في المحطة النهائية لطريق موسكو رقم 73.
المصدر:
أليساما هي الخطوة التالية؟
لطالما اعتبر النقل الكهربائي للمدينة غريبًا مشكوك فيه ، والآن تعمل مئات الآلاف من الحافلات الكهربائية في العالم. الصين هي البطل في تكييف التقنيات الجديدة ، حيث توجد حوالي 99٪ من الحافلات الكهربائية الموجودة في العالم. وفقًا لتقديرات Bloomberg New Energy Finance ، بحلول عام 2025 ستكون 47٪ من الحافلات في العالم تعمل بالكهرباء.
كما أن روسيا لا تتخلف عن الاتجاهات العالمية. في كل عام ، تشتري العديد من المدن الروسية المركبات الكهربائية وتضعها على طرق دائمة ، وتخلق بنية تحتية خاصة وتقدم حلولًا في مجال إمدادات الطاقة. من الممكن أن يستمر الانتقال إلى النقل الكهربائي لعقود ، وربما سنلتقط الوقت الذي تتوقف فيه السيارات الكهربائية الشخصية عن كونها عنصرًا فاخرًا وستنافس نظائر الديزل.