بطاريات على عجلات: كيف تعيد السيارات الكهربائية تشكيل البنية التحتية للمدن؟
تحول جدران المرائب والشبكات الحضرية من مستهلك سلبياً للطاقة إلى محطات توليد موزعة ومرنة
تقضي السيارات الخاصة ما يقرب من خمسة وتسعين بالمئة من عمرها التشغيلي متوقفة في المرائب السكنية، أو أسفل أبراج الشركات، أو على جوانب الأرصفة الحضرية. هذه الحقيقة المكانية تُبرز مفارقة معمارية وعمرانية غير مستغلة؛ إذ إن الملايين من الكتلة المعدنية الخاملة ليست مجرد أصول نقل معطلة، بل هي خزانات طاقة موزعة تتجاوز سعتها مجتمعة احتياجات التغذية الكهربائية للعديد من المدن الحديثة.
مع التحول السريع نحو الطاقة النظيفة، يواجه المصممون المعماريون ومخططو المدن تحديًا مزدوجًا: كيف يمكن لمنظومة البناء والهندسة الحضرية التكيف مع تدفقات الطاقة ثنائية الاتجاه، وتحويل المرائب من مساحات تخزين سلبية إلى مكونات نشطة في الشبكة الكهربائية الذكية؟
المرأب المتحول: من مساحة تخزين خاملة إلى محطات طاقة متوزعة
ينظر الفكر المعماري التقليدي إلى مرأب السيارات باعتبار أنه مساحة خدمية ثانوية تُصمم لاستيعاب أبعاد المركبات وتوفير مسارات الحركة. لكن دخول السيارات الكهربائية إلى نسيج المدينة أدى إلى تغيير هذه النظرة بشكل راديكالي. ففي دراسة مرجعية قادها الباحث فرزاد خسروجردي وفريقه العلمي في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، يتضح أن نفاذ السيارات الكهربائية يُحول شبكة التوزيع السكنية من شبكة استهلاك سلبية إلى شبكة توزيع نشطة تتميز بتخزين الطاقة المتجددة، والاتصال ثنائي الاتجاه، وضخ الطاقة الفعالة وغير الفعالة عند الطلب.
هذا التحول المفاهيمي يعيد تعريف مفهوم “الغلاف المحيط بالمبنى”؛ إذ لم يعد المبنى كيانًا معزولًا يقتصر على سحب التيار من الشبكة العامة، بل أصبح نقطة عقدية تبادلية. إن المرأب الذي يستوعب عشرات السيارات الكهربائية يتحول عمليًا إلى بطارية ضخمة ذات سعة تخزين موزعة، قادرة على تعويض العجز في الأحمال الكهربائية للمبنى نفسه أو للحي المجاور، بشرط وجود بنية تحتية هندسية داعمة للاتصال المتبادل بين المركبة والشبكة.
أزمة “الساعة السابعة مساءً”: عندما تتجاوز الشواحن الفردية قدرة الشبكات السكنية
يؤدي الشحن العشوائي وغير المنسق للمركبات الكهربائية إلى ضغوط حادة على شبكات التوزيع ذات الجهد المنخفض، وهي الشبكات نفسها التي تغذي الأحياء السكنية والمباني متعددة العائلات. وقد أظهرت الأبحاث التحليلية التي أعدها الباحثان أناميكا دوبي وسوريا سانتوسو أن شحن مركبة واحدة بشاحن من المستوى الثاني داخل المنزل قد يضاعف ذروة الطلب للبيت الفردي. وعندما تتزامن عملية الشحن هذه مع فترة الذروة المسائية المعتادة في الأحياء السكنية، تظهر المشكلات الفنية على مستوى البنية التحتية.
تُظهر دراسات الأحمال السكنية أن كل زيادة بنسبة عشرة بالمئة في معدل انتشار السيارات الكهربائية تقابلها زيادة قدرها نحو ثمانية عشر بالمئة في الحد الأقصى للطلب على الطاقة في حال الشحن غير المنظم. هذا الارتفاع المفاجئ يتسبب في هبوط الجهد الكهربائي عند نقاط التغذية البعيدة عن محولات الخدمة، وهو ما أثبتت المحاكاة التفصيلية لشبكات التوزيع أنه قد يؤدي إلى الانتهاك المبكر لمستويات الجهد المقبولة حتى عند معدلات انتشار لا تتجاوز خمسة بالمئة.
ولا تقتصر المشكلة على الجهد فحسب؛ ففي الشبكات الأوروبية ثلاثية الأطوار، يُحدث الشحن أحادي الطور المركز في مرائب السيارات تباينًا وزيادة في عدم تماثل الجهد يتجاوز النسبة المسموح بها علميًا والمحددة باثنين بالمئة. علاوة على ذلك، فإن الشحن المتزامن لعدة سيارات من محول خدمة واحد بسعة خمسة وعشرين كيلوفولت أمبير ومحمل مسبقًا بنسبة ثمانين بالمئة، يقلل من العمر التشغيلي الافتراضي للمحول بنسبة تتراوح بين عشرة وثمانين بالمئة. يُضاف إلى ذلك أن التشوهات التوافقية الصادرة عن المحولات الإلكترونية للشواحن ترفع نسبة التشويه التوافقي الإجمالي لتيار المحول إلى مستويات تتجاوز ثلاثين بالمئة، مما يسرّع من تلف المعدات الكهربائية المدفونة تحت الطرقات أو الموجودة في غرف الخدمات داخل المباني.
خوارزميات إدارة الأحمال: كيف تُصمم المباني السكنية لاستيعاب الشحن الذكي؟
لتجنب تكاليف الاستبدال الضخمة للبنية التحتية والمحولات في المدن القائمة، يبرز مفهوم “الشحن الذكي” كحل هندسي وتنظيمي يتيح إعادة جدول عمليات الشحن عبر أنظمة التحكم المركزية أو اللامركزية. يوضح الباحث جارسيا فيلالوبوس وزملائه في مراجعتهم الشاملة لأساليب الشحن الذكي أن نظام التحكم المركزي يعتمد على مجمّع بيانات يحلل حالة شحن البطاريات، ورغبات المستخدمين، وتوقيت الاتصال بالشبكة لضبط نقاط الشحن، وهو ما يحقق الاستغلال الأفضل لسعة الشبكة، وإن كان يستلزم بنية اتصالات معقدة ويطرح محاذير تتعلق بخصوصية البيانات.
في المقابل، يعتمد التحكم اللامركزي على اتخاذ القرارات برمجياً داخل كل مركبة بناءً على إشارات الأسعار، وهو نموذج يسهل توسيعه محليًا، لكنه قد يؤدي إلى تشكل ذروة شحن ثانوية متأخرة إذا تحولت جميع المركبات للشحن في لحظة انخفاض سعر التعريفة. ولتفادي هذه الإشكالية، تُصمم خوارزميات الشحن الذكي القائمة على البرمجة الديناميكية لربط بداية الشحن بأوقات متأخرة من الليل، بما يحقق التوازن بين الحفاظ على ثبات الشبكة وضمان امتلاء البطارية بحلول الصباح.
إن الفارق الهندسي بين الشحن العشوائي والشحن الذكي المدار خوارزميًا يظهر جليًا في القدرة الاستيعابية لل شبكات؛ حيث تشير دراسات المحاكاة التي أجراها دوبي وسانتوسو إلى أن الشحن غير المنسق يحد من قدرة استيعاب خطوط التوزيع للسيارات الكهربائية عند حدود خمسة بالمئة فقط قبل حدوث هبوط في الجهد. بينما يرفع تطبيق تعريفات الاستهلاك المتغيرة هذه القدرة إلى نحو عشرة بالمئة، في حين يقفز الشحن الذكي القائم على البرمجة الديناميكية بهذه القدرة الاستيعابية إلى سبعين بالمئة دون الحاجة لتغيير الكابلات أو المحولات الأرضية.
المبنى المغذّى من أسطوله: تقنيات الضخ العكسي واستقرار الشبكة الحضرية
يتجاوز مفهوم الضخ العكسي للطاقة من المركبة إلى الشبكة، والمعروف تقنيًا بمفهوم (V2G)، فكرة الاكتفاء بالشحن الذكي للبطارية إلى تحويل السيارات إلى وحدات توليد دقيقة قادرة على إعادة تفريغ الطاقة في شبكة المبنى أو المدينة. ينقسم هذا التفاعل إلى قسمين رئيسيين: خدمات الطاقة الفعالة التي تعتمد على تفريغ البطارية، وخدمات جودة القدرة الكهربائية التي تستغل المكونات الإلكترونية للشاحن نفسه.
في دراسة أعدها الباحث مهرداد إحساني وحلفاؤه حول تطبيقات تقنية الضخ العكسي، يتبين أن الاستخدام الأبرز يتجلى في إعادة تشكيل منحنى الحمل السكني، وهو ما يُعرف بحلق ذروة الاستهلاك. ولكن بسبب التكلفة المرتفعة لتدهور البطاريات، فإن الاستخدام الأكثر جدوى اقتصادية وهندسية يكمن في تقديم “دعم القدرة غير الفعالة”. في هذا الأسلوب، تستخدم الشواحن ثنائية الاتجاه المكثف المباشر المدمج داخلها لضبط مستويات الجهد ودعم تحفيز المحركات الكهربائية الكبيرة (مثل مضخات التكييف المركزي والمصاعد) دون الحاجة لسحب أي طاقة تفريغية من كيمياء البطارية نفسها، مما يقلل معدل تآكل البطارية إلى الصفر تقريبًا.
وعلى مستوى الاستجابة السريعة للطوارئ، أوضح النموذج التجميعي الذي طوّره الباحث سيكيونغ هان ومجموعته، وكذلك الأبحاث القياسية للباحث ساسان إيزادخاست، أن أسطول السيارات الكهربائية المتصل بالشبكة يمتلك زمن استجابة يتجاوز سرعة المولدات التقليدية في ضبط تردد الشبكة. وقد أظهرت النمذجة الرياضية أن مشاركة أسطول المركبات المزودة بتقنيات الضخ العكسي ثنائي الاتجاه في التحكم الأولي بالتردد تقلل من احتياطي الاستجابة المطلوب من محطات التوليد التقليدية بنسبة تتجاوز خمسين بالمئة، مما يحسن أداء الشبكة السكنية أثناء الانقطاعات التناوبية أو الهبوط المفاجئ في التغذية.
كيمياء البطارية واقتصاديات المكان: معادلة التآكل والحسابات العمرانية
يعد المعدل الزمني لتدهور البطارية العائق الاقتصادي والفني الأكثر حرجًا أمام التوسع في تطبيقات الضخ العكسي للطاقة. وتلعب الكيمياء الداخلية للخلية دورًا حاسمًا في تحديد هذا التدهور. فقد أظهرت التجارب العملية التي أجراها الباحث سكوت بيترسون وفريقه على خلايا فوسفات الحديد والليثيوم، تحت ظروف تشغيل واقعية تجمع بين القيادة والضخ العكسي، أن هذه التركيبة الكيميائية تبدي متانة عالية؛ إذ احتفظت بأكثر من خمسة وتسعين بالمئة من سعتها بعد آلاف أيام القيادة المطبقة محاكاةً. وتبين أن التفريغ ثابت المعدل في تطبيقات الشبكة يسبب نصف الفقد في السعة مقارنة بالتفريغ الديناميكي المتقلب أثناء القيادة الفعلية.
على العكس من ذلك، أظهرت الاختبارات المنضبطة التي أعدها الباحث ماتيو دوباري وفريقه على خلايا أكسيد النيكل والكوبر والنيكل والألومنيوم، أن إجراء عملية الضخ العكسي مرتين يوميًا يسرع من فقدان سعة البطارية بنسبة تصل إلى خمسة وسبعين بالمئة، ويزيد من المقاومة الداخلية بنسبة عشرة بالمئة، مما يتوقع معه تقليص العمر التشغيلي للبطارية إلى أقل من خمس سنوات.
علاوة على التآكل الناتج عن التفريغ، يلعب “التقادم التقويمي” الناتج عن التخزين في درجات حرارة مرتفعة ومع نسبة شحن عالية دورًا أساسيًا في تدهور الخلية؛ حيث أظهرت الاختبارات أن تخزين البطاريات عند درجة حرارة خمس وخمسين درجة مئوية مع نسبة شحن كاملة أدى إلى فقدان ثلاثة عشر بالمئة من سعتها خلال ستة وستين أسبوعًا فقط. هذه الحقيقة العلمية تفرض على المعماريين والمخططين التفكير مليًا في بيئة المرائب؛ حيث أصبحت التهوية، والتظليل، والتحكم الحراري في مساحات توقف السيارات عوامل مباشرة للحفاظ على القيمة الاقتصادية للأصول المباشرة للطاقة المربوطة بالمبنى.
البنية التحتية الخفية: الشحن اللاسلكي وتغيب الشواحن من المشهد الحضري
مع التطور التقني، يظهر الشحن اللاسلكي الحثي كبديل وظيفي وجديد كليًا لأسلاك الشحن التقليدية، وهو ما يحمل أبعادًا جمالية وتخطيطية واضحة للمشهد الحضري. تتيح هذه التقنية دمج وسادات الشحن المغناطيسية تحت طبقات الأسفلت أو أرضيات المرائب دون الحاجة لتركيب كبائن الشحن البارزة التي تزاحم حركة المارة على الأرصفة.
تُظهر الأبحاث التي قدمها الباحث شياو ليانغ ومشرف شودري أن أنظمة نقل الطاقة الحثية الحديثة قادرة على تحقيق كفاءة نقل تتجاوز تسعين بالمئة في ظروف المحاذاة الممتازة. ومن الناحية العمرانية والتخطيطية، أجرى الباحث تشياو هوانغ وفريقه مقارنة تحليلية كشفت أن نسبة السيارات المشاركة فعليًا في التفاعل مع الشبكة قفزت من تسعة ونصف بالمئة في حالة الشحن السلكي المباشر إلى أربعة وستين بالمئة عند استخدام الشحن اللاسلكي. يعود هذا الارتفاع إلى إلغاء الحاجة للتدخل البشري اليدوي في ربط الكابل، مما يجعل كل سيارة متوقفة فوق وسادة الشحن جاهزة تلقائيًا للمشاركة في تفريغ أو شحن الطاقة.
ويفتح الشحن اللاسلكي الديناميكي — القائم على دمج خطوط الشحن تحت مسارات الطرق السريعة للشحن أثناء القيادة — آفاقًا جديدة كليًا؛ إذ يسمح بتقليل الأحجام والمظلات المطلوبة لبطاريات السيارات، مع القضاء على هاجس المدى الحركي، وتوفير اتصال سلس ومستمر يدعم استقرار الشبكات الذكية على مستوى المدينة ككل.
✦ ArchUp Editorial Insight
إن تحول المرائب تحت الأرضية إلى مراكز طاقة نشطة ليس ابتكارًا جماليًا أو فضائيًا، بل هو العَرَض المعماري المنطقي لتصادم تشريعات إزالة الكربون البلدية مع هشاشة شبكات التوزيع ذات الجهد المنخفض. ومع مواجهة مزودي الطاقة لتدهور متسارع في المحولات السكنية نتيجة طفرات الأحمال المسائية غير المنسقة، يتم تحميل البنية التحتية للمباني الخاصة أعباء الاستثمار الرأسمالي العام. وتبرز إعادة الهندسة الفيزيائية للمبنى — بما تتضمنه من تحكم حراري دقيق، وشحن حثي تحت الأرضيات، ومسارات تدفق ثنائية الاتجاه — كإطار هيكلي لإدارة المخاطر، تحركه اقتصاديات تدهور البطاريات والتحكيم الخوارزمي للأحمال. هنا، لا تعود العمارة مجرد مجسم خرساني لتخزين وسائل النقل، بل تتحول إلى مخمد طاقة لاستقرار الشبكة الحضرية؛ حيث تُملى الكتل السفلية، وسعات التهوية، ومواصفات بلاطات المرائب مباشرةً بمحددات الكيمياء الداخلية لخلايا الليثيوم، وجداول تعريفة الاستهلاك، واستراتيجيات نقل التكلفة من القطاع العام إلى البناء الخاص.
المراجع
[1] فرزاد خسروجردي، وسعيد طاهري، وحامد طاهري، وإيبرهارد بوريسمائيل. “دمج السيارات الكهربائية في الشبكة الكهربائية الذكية: مراجعة تقنية”. مؤتمر إي إي إي للقوى والطاقة الكهربائية، 2016.
[2] مهرداد إحساني، ومسعود فلاحي، وسعيد لطيف فرد. “خدمات تحويل الطاقة من المركبة إلى الشبكة: الإمكانات والتطبيقات”. مجلة الطاقات، 2012.
[3] جارسيا فيلالوبوس، وإيغناسيو زامورا، وجوان إجناسيو سان مارتن، وفيلبي أسينسيو، وفيكتور أبيريباي. “السيارات الكهربائية القابلة للوصل بالكهرباء في شبكات التوزيع الكهربائي: مراجعة لأساليب الشحن الذكي”. مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة، 2014.
[4] أناميكا دوبي، وسوريا سانتوسو. “شحن السيارات الكهربائية في شبكات التوزيع السكنية: التأثيرات وحلول التخفيف”. مجلة إي إي إي أكسيس، 2015.
[5] ماتيو دوباري، وأرنو ديفي، وكيرت ماكينزي. “متانة وبنية بطاريات السيارات الكهربائية تحت عمليات شبكة الكهرباء العامة: تحليل تأثير الشحن ثنائي الاتجاه”. مجلة مصادر الطاقة، 2017.
[6] سكوت بيترسون، وجاي أبت، وجاي ويتيكر. “تدهور خلايا بطاريات الليثيوم أيون الناتج عن الاستخدام الاستثماري الواقعي والاستخدام ثنائي الاتجاه من المركبة إلى الشبكة”. مجلة مصادر الطاقة، 2010.
[7] سيكيونغ هان، وسوهي هان، وكازو سيزاكي. “تطوير مجمع مثالي لنظام نقل الطاقة من المركبة إلى الشبكة لتنظيم التردد”. معاملات إي إي إي على الشبكة الذكية، 2010.
[8] ساسان إيزادخاست، وبابلو جارسيا غونزاليز، وبيدرو فرياس. “نموذج تجميعي للسيارات الكهربائية القابلة للشحن للتحكم الأولي في التردد”. معاملات إي إي إي على أنظمة الطاقة، 2015.
[9] ديفيد ريتشاردسون. “السيارات الكهربائية والشبكة الكهربائية: مراجعة لأساليب النمذجة والتأثيرات وتكامل الطاقة المتجددة”. مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة، 2013.
[10] يوان زاو، ومجتبى نوري، وعمر تتري. “تعزيز اعتماد وموثوقية مصادر الطاقة المتجددة: التخفيف من تقطع طاقة الرياح واسعة النطاق من خلال تقنية المركبة إلى الشبكة”. مجلة الطاقة، 2017.
[11] تشياو هوانغ، وهوا تشيانغ، وزونغدونغ هوانغ، ويونغ سون، وجين لي. “بحث التفاعل بين الشبكة الذكية والشحن اللاسلكي للسيارات الكهربائية”. مؤتمر إي إي إي لطاقة المركبات والدفع، 2013.
[12] شياو ليانغ، ومشارف شودري. “أنظمة الشحن اللاسلكي الناشئة للسيارات الكهربائية – تحقيق كفاءة عالية في نقل الطاقة: مراجعة”. الاجتماع السنوي لجمعية التطبيقات الصناعية لإي إي إي، 2018.
