◄ باتری، خازن و ایستگاه های شارژ خودروهای برقی چگونه تامین می شود؟

بخش سیزدهم از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش چهاردهم آن در ادامه می آید.

باتری،  خازن و ایستگاه های شارژ

از معایب مهم استفاده از باتری، بالا بودن مبلغ سرمایه‌ گذاری بابت ایجاد زیرساخت جایگاه های شارژ و هزینه‌های جاری و همچنین مدت شارژ کردن باتری هاست. یکی از مهمترین عوامل اصلی گرایش یا گریز از خرید خودروهای برقی، وضعیت باتری‌ های آنهاست. پنج متغیر عمده‌ وزن، قیمت، عمر، مدت زمان شارژ شدن، مسافت طی شده در هر بار شارژ صحنه‌ رقابت سازندگان باتری در جهان است. متأسفانه به تناسب ارتقای سطح تقاضا، محدودیت عرضه‌ مواد اولیه و افزایش شدید تبعی بهای لیتیوم در ماه سپتامبر سال 2020 منجر شده است. این موضوع  قیمت های محلی چین را به بالاترین سطح از سال 2018 تاکنون رسانده است. ارتقای قیمت های کربنات لیتیوم از مقدار 20 درصد در سال قبل به افزایش215 درصدی اخیر نسبت به سال قبل انجامیده است. این موضوع زنگ خطری برای ازدیاد قیمت خودروهای برقی می‌باشد. ضمن اینکه کمبود تراشه‌ی الکترونیکی نیز به این گرانی دامن زده است. 

در مقابل خبرهای امیدوار کننده‌ ای نیز به گوش می‌ رسد. شرکت امپرکس تکنولوژی چین (Amperex Tech. Co.)، ادعا می‌ کند توانسته باتری هایی بسازد که عمر مفید آن 1.6 میلیون کیلومتر است. ضمن اینکه به زودی قادر خواهد بود باتری هایی با 2 میلیون کیلومتر (یعنی50 برابر محیط کره زمین) یا 16 سال کار مستمر را به بازار عرضه می‌کند. در حال حاضر این شرکت کارکرد باتری‌ های خود را برای 240 هزار کیلومتر یا هشت سال کار تضمین می‌کند. شرکت تسلا که اغلب باتری‌ خودروهای خود را از طریق شرکت پاناسونیک تأمین می‌ کند، قول بهره‌ گیری از باتری هایی با کارکرد 1.6 میلیون کیلومتر را داده است. شرکت جنرال موتورز ادعا می‌کند به فناوری ساخت باتری هایی با 2 میلیون کیلومتر کار دست یافته است. باید توجه داشت که عمر مفید خودروهایی با احتراق داخلی حدود 250 هزار کیلومتر و برقی 450 هزار کیلومتر است. ساخت باتری هایی با عمر طولانی به معنی این است که پس از طی شدن عمر خودروهای برقی،  باتری ها از روی آن جدا شده و بر روی خودروی جدید نصب می‌ گردد و ممکن است که این کار چند بار تکرار شود. خاطر نشان می‌سازد بهای مجموعه باتری ها، بخش بزرگی از قیمت خودروی برقی را به خود اختصاص می‌ دهد. بدین ترتیب چندی نخواهد گذشت که صرفه‌ اقتصادی خودرو برقی بسیار زیادتر از همتای موتور احتراق داخلی خواهد شد. 

پس از رکود ناشی از کرونا و ارزانی غیر منتظره‌ سوخت در سال 2020 که فروش خودروهای برقی را با مشکل مواجه کرده بود، تولید باتری های بسیار با دوام و نسبتاً ارزان، استقبال دلگرم کننده‌ مردم را به دنبال داشته است. به گونه‌ ای که برآورد می‌ شود طی سال جاری در کشور چین 8.1 درصد و در اروپا 5 درصد رشد فروش وجود خواهد داشت. اما شارژ شدن کند باتری ها نسبت به مدت سوختگیری بنزین و هیدروژن هنوز یک ضعف بزرگ برای آن محسوب می‌ شود.

طبق برآوردهای شرکت بلومبرگ (نمودار زیر) از میانگین 80 میلیون خودرو فعال در جهان طی 20 سال آینده، روند رشد خودروهای سوخت فسیلی تا سال 2025 افزاینده و از آن پس کاهنده خواهد بود. در مقابل روند فروش خودروهای برقی (باتری‌دار یا هیبریدی با شارژر پریزی) به طور مستمر افزاینده می‌ باشد. با وجودی که در حال حاضر سهم مجموع فروش خودروهای برقی با 2.5 میلیون دستگاه در سال نسبت به کل خودروهای قابل فروش جهان تقریباً ناچیز است، ولی میزان فروش آن در سال های 2025 و 2030 به ترتیب به 11.2 و 31.1 میلیون دستگاه می‌ رسد. مطلب مهم اینکه در سال 2037 فروش خودروهای برقی از خودروهای سوخت دیزلی فراتر می‌رود. خاطر نشان می‌سازد این روند با این فرض تنظیم شده که کشورهای مختلف به طور قانونی ساخت خودروهای سوخت فسیلی را محدود نکرده یا جلوی آن را به کلی مسدود نکنند.     

محققان آزمایشگاه انرژی های تجدیدپذیر آمریکا (NREL) گزارشی را منتشر کرده اند که در آن جزئیات فنی، بازار، موانع تنظیم گری برای ایجاد چرخه‌ بازیافت باتری های لیتیومی- یونی بررسی شده است. در حال حاضر فقط ساخت، مصرف و دور انداختن باتری ها انجام می‌ پذیرد. باتری های لیتیومی به طور روزافزونی در وسایل نقلیه و سایر تجهیزات به کار می‌روند. سیستم بازیافت باعث ایجاد فرصت های بازار، ثبات زنجیره‌ تأمین، تنزل آثار زیست محیطی، تسهیل در امر رفع معضلات منابع و بهبود زنجیره‌ ارزش باتری ها می‌ شود. موانع موجود امر بازیافت در سه زمینه‌ فنی، زیرساخت و فرایند وجود دارد. مثلاً طراحی و ساخت آنها توسط سازندگان متفاوتی صورت می‌گیرد و لذا طراحی یک فرایند استاندار برای بازیافت مشکل است. میزان اطلاعات دورریزی اندک و هزینه‌ های بازیافت نامشخص است. هنوز مفهوم باتری ضایعاتی و معنی ضایعات خطرناک به دقت تعریف نشده است.

با اینکه شرکت تویوتا در تولید خودروهای هیدروژنی سرمایه گذاری های زیادی می‌کند، اما از ساخت باتری برای خودروهای برقی نیز غافل نبوده و قرار است که تا سال 2030 مبلغ 14 میلیارد دلار در این زمینه سرمایه‌ گذاری کند.  

یکی از موانع رشد بهره گیری از باتری به عنوان پیش‌ران اصلی، کندی سرعت شارژ آنهاست. در این رابطه استفاده از خازن های بزرگ در حمل ریلی، سطح رقابت پذیری کاربری باتری با شبکه‌ بالاسری را ارتقاء داده است. اخیراً شرکت اسکلتون تکنولوژی (Skeleton tech.) با همکاری شرکت (CAF Power & Automation) اسپانیایی که سازنده‌ جهانی تجهیزات برقی و الکترونیکی در صنعت ریلی است، قرارداری را امضاء کرده تا خازن فرابزرگی برای تراموا (در قالب سیستم ذخیره سازی انرژی بر روی وسایل نقلیه OESS) را بسازد. این سیستم که راه حلی برای بازیافت انرژی به هنگام نیاز باتری ها در نقطه اوج مصرف است، در برخی از کشورهای جهان نظیر بریتانیا، استرالیا، استونی، لوکزامبورگ و اسپانیا به کار گرفته شده است. خازن های فرابزرگ راه حلی برای حمل و نقل های عمومی است تا میزان مصرف باتری ها را کاهش دهند. این سیستم دارای مزایای بهبود بازدهی، کاهش هزینه ها و تنزل میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای ترامواست. ضمن اینکه می‌تواند توان محدود زیرساخت موجود با تقاضای بیشتر نیرو به هنگام اوج مصرف ترامواها را تطابق بخشد. علاوه براین توانایی حذف کامل شبکه‌ برق بالاسری و شارژ سریع در ایستگاه های شارژ را دارد.  

ایستگاه های شارژکننده‌ سریع  باتری

در این رابطه سیستم برقی نسبت به پیل سوختی از دو امتیاز برخوردار است. اول اینکه قیمت دستگاه های شارژ آن بسیار کمتر از جایگاه های سوخت هیدروژنی است. ثانیاً به دلیل تقدم 10 ساله، تعداد دستگاه های شارژ نصب شده در جهان بسیار بیشتر از مشابه هیدروژنی است. با این وجود با در نظر گرفتن استقرار میلیون ها جایگاه سوخت فسیلی در سرتاسر جهان، دستگاه ها یا ایستگاه های شارژ باتری و بالا بودن قیمت از موانع موجود برای افزایش سهم خودروهای برقی است. البته فناوری‌های جدید در هر دو زمینه‌ قیمت بالای جایگاه های شارژ و کند بودن سرعت شارژ باتری ها در حال بهبود است. انتظار می‌رود که نصاب 100 دلار به ازای هر کیووات ساعت در سال 2024 شکسته شود. شارژرهای مسکونی و تجاری در سال 2030 به مرز 58 میلیون دستگاه خواهد رسید. برآورد می‌ شود که سرمایه‌ گذاری در این رشته از 57 میلیارد دلار در سال 2020 به 111 میلیارد دلار در سال 2030 برسد. ضمن اینکه خودروسازان به تدریج ماهیت خود را از یک سازنده‌ صِرف، به یک سرمایه‌ گذار عمده در پیل های سوختی، باتری سازی، معادن و زیرساخت های شارژ تغییر می‌ دهند. این نوع ادغام عمودی، یک عامل تعیین کننده در کاهش هزینه ها و در دسترس داشتن مواد و تجهیزات برای تضمین رشد آینده است.        

بر اساس بررسی‌ های انجام شده، شرکت های تولید کننده‌ خودروهای برقی بدون در اختیار داشتن شبکه‌ ملی شارژ کننده‌ های سریع برق، نمی توانند به موفقیتی بزرگ در فروش خودروهایشان نایل شوند. در سال 2019 حدود 17 میلیون دستگاه خودرو در آمریکا فروخته شد که فقط 245 هزار دستگاه از نوع برقی بوده است. حدود 90 درصد از فروش خودروهای برقی به شرکت تسلا تعلق داشته است. به غیر از شرکت تسلا، قرار است که دیگر شرکت های خودروساز هم مجموعاً 200 میلیارد دلار برای ساخت مدل های جدید خودرو برقی سرمایه‌ گذاری کنند.

 هم اکنون در آمریکا قریب 4000 دستگاه شارژکننده‌ سریع برق وجود دارد که اکثر آنها فقط به خودروهای برقی تسلا خدمت می‌ دهند. سرمایه‌ گذاری برای تشکیل یک شبکه‌ بزرگ از شارژ کننده‌ های سریع، بسیار سرمایه‌بر است. مشکلی که وجود دارد، اغلب خودروسازان بر این باورند تا زمانی که تعداد کافی از خودروهایشان در جاده ها حرکت نکنند، در این زمینه سرمایه‌گذاری نمی کنند. برعکس آن، به دلیل نبودن شبکه‌ شارژکننده‌ سریع، استقبال از خرید خودروهایشان پایین باقی می‌ ماند. بخشی از موفقیت شرکت تسلا مرهون سرمایه‌ گذاری مساوی در هردو زمینه‌ ساخت خودرو و نصب شارژکننده‌های سریع بوده است. پیش بینی می‌ شود که تا یک دهه‌ دیگر، تعداد شارژکننده‌های سریع در آمریکا به حد کافی برسد. در این صورت همچون جایگاه های سوخت فسیلی، یک استاندارد جهانی بر ساخت آنها حاکم خواهد گردید تا هر نوع خودرو برقی بتواند از  همه‌ آنها استفاده کند.

• اخیراً یک شرکت اسپانیایی وابسته به رپسول- ایبیل در اقدامی مبتکرانه، با استفاده از باتری های دست دوم که به شبکه‌ برق وصل می‌ شوند، یک نوع ایستگاه شارژ باتری خودروهای برقی را ساخته است. بدین وسیله ابتدا باتری های دست دوم ایستگاه شارژ از برق شبکه شارژ می‌ گردند. سپس به کمک آنها، طی هر شارژر 50 کیلووات انرژی به باتری خودرو رسانده می‌شود که سرعت بالایی دارد. در عین حال وابستگی به شبکه‌ برق را به میزان 70 درصد و هزینه ها را تا 30 درصد تنزل داده است. یک سیستم مکانیزه هم موقع شارژ و دشارژ باتری های دست دوم ایستگاه را تعیین می‌کند. میزان فضای لازم برای هر دستگاه شارژر به کمتر از یک متر مربع تقلیل یافته است. بهره گیری از باتری های دست دوم خود یک نوع بازیافت محسوب می‌ شود. از طرف دیگر شرکت رپسول- ایبیل در سال 2019 مبادرت به ساخت یک ایستگاه شارژ 400 کیلوواتی کرده که توانایی شارژ بسیار سریع (بین 5 تا 10 دقیقه) هر خودرو را دارد. این ایستگاه یکی از سریع ترین نوع شارژرها در اروپاست. 
• اخیراً شرکت (A.B.B.) دستگاه شارژ همزمان چهار خودرو سواری را به بازار عرضه کرده که ظرف مدت 15 دقیقه به این کار نایل می‌ شود. ضمن اینکه طی مدت سه دقیقه خودرو می‌تواند به اندازه‌ ای شارژ شود که بتواند مسافت 100 کیلومتر را طی کند. این شرکت از سال 2010 تا کنون توانسته 460 هزار دستگاه شارژ خودرو را در 88 کشور عرضه کند.
• قرار است جایگاه ها و دستگاه های شارژ تسلا در سطح جهانی نصب شوند. این دستگاه های شارژ می‌بایست طبق وعده‌های داده شده ظرف مدت 30 دقیقه کامیونتها را شارژ کنند و آنها بتوانند مسافت 400 کیلومتر را بپیمایند. برای اینکار به دستگاههای شارژ خورشیدی با یک مگاوات قدرت نیاز می‌باشد.
• شرکت ریوین در نظر دارد مانند تسلا، قریب  3500 جایگاه شارژ باتری را در سراسر آمریکا نصب و راه اندازی کند. 
• شرکت پروترا  (Proterra) شارژ باتری اتوبوس های ساخت خود را در 2.9 تا 4.7 ساعت از طریق خط شارژ بالاسری سریع 330 کیلو واتی (200  آمپر برق مستقیم) و شارژ کُند 132 کیلو واتی انجام می‌دهد.
• در ویسبادن آلمان، جایگاه شارژ باتری‌ های EvoBus دارای 200 دستگاه شارژ است.  

• توان خروجی سیستم شارژ باتری های اتوبوس های شرکت مان (MAN) بین 40 تا 150 کیلووات است.

• سیستم شارژ (Urbino) برقی متعلق به شرکت سولاریس از نوع پریزی پانتوگرافی است.

• مدت شارژ عادی اتوبوس های K9 شرکت  BYD حدود 6 ساعت، شارژ سریع یک ساعت و شارژ کُندِ شبانه (60 کیلوواتی) پنج ساعت است. با کمک یک مؤسسه‌ تحقیقاتی آمریکا، BYD توانسته سیستم شارژ بدون کابل از زیر اتوبوس را راه اندازی کند.

پهپادهای کوچک برقی

هم اکنون یکی از مهمترین کاربری های باتری، در صنعت تولید پهپاد است. شرکت های بسیاری در ساخت پهپاد فعالیت می‌کنند، زیرا پیش بینی می‌شود باتری پهپاد، بازار 4.5 میلیارد دلاری در سال 2025 داشته باشد. برخی از اهم کاربری های پهپاد شامل موارد زیر است:

• بازی و مصارف شخصی: پهپادهای کوچک و با برد اندک،  بازاری شدیداً رو به رشد دارند.
• عکسبرداری و فیلمبرداری هوایی: پهپاد باید بتواند حداقل 90 متر از محل کنترل خود دور شود تا در یک فضای باز و بدون مانع عکسبرداری و فیلمبرداری کند.
• نقشه برداری: در نقشه برداری برای نقشه کشی اراضی کم وسعت، می‌بایست پهپاد بتواند به صورت برخط اطلاعات را دریافت و ارسال کند.
• استفاده‌های صنعتی: بهره گیری از پهپاد برای معدن‌ کاوی و تعیین انباشت مواد معدنی و همچنین بابت کارهای بزرگ ساختمانی رایج است.
• ایمنی و نظارت: بررسی امن بودن و پایش وضعیت یک منطقه از جمله کنترل مرزها، حرکت قاچاقچیان و شکارچیان غیر قانونی، تعقیب مجرمان فراری و غیره از کاربری های آن می‌ باشد.
• امور نظامی: استفاده از آن در امور رزمی به وسیله‌ تجهیز آن به انواع تجهیزات شناسایی و سلاح های سنگین انجام می‌پذیرد.

شرکت های بسیاری در ساخت پهپاد فعالیت می‌کنند و لذا به سمت خرید باتری هایی با ظرفیت افزونتر، سبکتر، ارزانتر، سرعت شارژ‌پذیری بیشتر، و عمر طولانی‌تر گرایش می‌یابند. بعضی از انواع باتری های مورد استفاده در پهپادها به شرح زیر است:

• لیتیوم پلیمر (LiPo) به لحاظ قیمت و ظرفیت پرکاربردترین است. با یک منبع تغذیه USB شارژ می‌شود. بیشترین چگالی انرژی (قدرت ذخیره سازی انرژی به نسبت حجم یا وزن) را دارد. 
• نیکل کادمیوم (NiCd) دومین باتری پرطرفدار است که شامل نیکل، کادمیوم و یک محلول بازی است. با وجود قابلیت بازیافت، مقداری گران است (300 دلار به بالا). ضعف آن اینست که چنانچه قبل از دشارژ کامل، اقدام به شارژ کردن آن گردد، پس از مدتی از ظرفیت آن کاسته می‌ شود.
• نیکل- هیدرات فلز (NiMH) شامل نیکل و یک هیدرات فلز (آلیاژ سدیم و پتاسیم) است. اگر چه چگالی انرژی آن از نیکل کادمیوم بیشتر است، ولی مقاومت آن در برابر شارژ کردن بی موقع، کمتر است.
• لیتیوم- یون فسفات آهن با وجودی که چگالی انرژی کمتری نسبت به سایر باتری ها دارد، ولی حائز دوام بیشتر و تعداد دور شارژ پذیری افزونتر است. ضمن اینکه به سبب داشتن آهن، در هوای مرطوب کمتر خراب می‌گردد.
• لیتیوم- یون بسیار پر استفاده است و با یک بار شارژ کردن آن، پهپاد می‌تواند چندین بار پرواز کند.

علاوه بر باتری ها، پهپادها به چند وسیله‌ مهم دیگر هم مجهز هستند:

• دوربین هایی شفاف و با بزرگنمایی‌ های متفاوت که بازار بسیار رشد یابنده‌ای برای عکسبرداری و فیلمبرداری شخصی و هم چنین مصارف تجاری و نظامی دارند.

• سیستم های مخابراتی برای دریافت علائم از سوی کنترل کننده جهت هدایت پهپاد و در مقابل ارسال اطلاعات مورد نظر برای او کاربری دارند. برد مخابراتی برای پهپادهای کنترل از راه دور یک محدود‌کننده‌ اساسی است، زیرا پس از آن ارتباط مخابراتی قطع می‌ گردد. اما برای پهپادهای بدون کنترل رادیویی (radio controlled , RC) که از طربق تعیین مسیر حرکت، محل های مبدأ و مقصد، سقف پرواز، حداکثر برد و ... از پیش برنامه ریزی شده  باشند، محدودیت مخابراتی وجود ندارد. در این حالت عوامل اصلی تعیین کننده برد پهپاد، ظرفیت باتریها و میزان مصرف می‌باشد. میزان مصرف به وزن (پهپاد، باتریها و بار در حال حمل) وابسته است. 

 عوامل اصلی توان و ظرفیت پهپاد عمدتاً شامل برد پرواز، سقف پرواز، سرعت آن، وزن قابل حمل و توانایی پرواز در شرایط آب و هوایی متفاوت است. این عوامل نیز به کیفیت باتریها، قدرت سیستم مخابراتی، موتور برقی مرتبط است. برد پهپادهای کوچک 220 تا 420 متر، متوسط تا 5 کیلومتر و پهپادهای دنباله دار (بزرگ)، قابل برنامه ریزی و مجهز به GPS توانایی پرواز در یک محدوده‌ی خاص و قابل کنترل را دارند. گرانترین پهپادها بین 12 تا 18 کیلومتر برد پرواز دارند. بعضی از پهپادها مجهز به سیستم های کنترل سقف پرواز، برگشت به منزل و نظارت بر ولتاژ پایین باتری هستند.

تعدادی از موارد تأثیر گذار بر برد پرواز پهپادها به شرح زیر است:

• منطقه‌ی پرواز (کوهستانی، دشت، ساختمان های بلند) و موانع موجود بین دستگاه کنترل کننده و پهپاد.
• شرایط آب و هوایی نظیر سرعت و جهت باد و حضور ابرها.
• وجود نویز و پارازیت و کیفیت علائم دریافتی.
• نوع باتری نصب شده.
• کیفیت (استحکام و وزن) موادی که پهپاد از آن ساخته شده است.

برخی از پهپادها دارای تجهیزاتی هستند که  هرگاه در حال خروج از محدوده‌ ارسال علائم بشوند و پیام ها ضعیف گردند، چراغ های هشداردهنده‌ سیستم کنترل روشن و خاموش شده و همزمان بوق های غیر ممتد زده می‌شود و اگر کنترل کننده غفلت کند و پهپاد به کلی از محدوده‌ عملیاتی از پیش تعیین شده خارج گردد، چراغ ها یکسره روشن شده و صدای بوق ممتد بلندتری زده می‌ شود. برخی از دستگاه های کنترل پهپادهای پیشرفته دارای یک تکمه برای ارسال پیام برگشت خودکار به منزل هستند تا  قبل از رسیدن به چنین شرایط خطرناکی، با زدن این تکمه، فرایند بازگشت پهپاد شروع گردد. البته بر روی برخی پهپادها یک آنتن قوی با باتری ویژه نصب می‌گردد تا بر برد مؤثر آن افزوده گردد. بهای پهپادهای کوچک به سبب زیاد بودن تقاضای خرید به سرعت در حال نزول است. ولی به واسطه‌ افزوده شدن امکانات جدید و فناوری های نوین، قیمت آنها تقریباً ثابت باقی مانده است. بعضی از این پهپادها به سلول های خورشیدی مجهزند تا با شارژ باتری ها، میزان برد آنها تقویت گردد.

در سال های اخیر کشورهای پیشرفته پهپادهای شناسایی یا انتحاری کاملاً هوشمند را برای مقاصد نظامی طراحی کرده‌ اند که سرعت زیادی دارند. این پهپادها به اندازه‌ کف دست و کاملاً بی صدا هستند. آنها را در منطقه‌ی نبرد رها می کنند و با ارسال فیلم هایی کل صحنه را از نزدیک و بدون آنکه دشمن کوچکترین اطلاعی از حضور آنها داشته باشد، زیر نظر ستاد منطقه قرار می‌ دهند. پهپادهای انتحاری با یک فرمان به سرعت به سمت گروه فرماندهی و مخابراتی دشمن حمله کرده و با اصابت به سر آنها و ایجاد انفجاری کوچک، مغز آنان را متلاشی می‌کنند. برخی معتقدند که آینده‌ نبردهای کوچک عملیاتی به قدرت پهپادها وابسته است.    

(این نوشتار ادامه دارد...)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته