ابتكارات السكك الحديدية الخضراء: القطارات الهيدروجينية والبطاريات والشمسية

ما وراء الأسلاك العلوية: الجيل القادم من السكك الحديدية النظيفة

تُعدّ القطارات الكهربائية التي تعمل بالكهرباء المتجددة نظيفة بشكل استثنائي بالفعل — فهي من بين أكثر وسائل النقل الآلي استدامة لمسافات طويلة المتاحة في أي مكان في العالم. لكن ليس كل خط سكة حديد يمكن كهربته. فتركيب وصيانة نظام أسلاك السلسلة العلوية مكلف للغاية، وبعض الخطوط التي تمر عبر مناطق نائية أو تضاريس جبلية أو خطوط فرعية قليلة الاستخدام لا تولّد حركة مرور كافية لتبرير هذا الاستثمار.

هذه هي الفجوة التي صُممت خلايا وقود الهيدروجين ومجموعات الدفع الكهربائية بالبطاريات والتكنولوجيا الشمسية لسدها: تمكين تشغيل قطارات خالية من الانبعاثات فعلياً على خطوط يكون فيها التكهرب التقليدي غير عملي أو غير مبرر اقتصادياً. يغطي هذا الدليل عمليات النشر الفعلية لكل تقنية، وما يمكنها وما لا يمكنها تقديمه حتى الآن، وكيف تتناسب مع الصورة الأوسع لابتكارات السكك الحديدية المستدامة.

قطارات الهيدروجين: كيف تعمل خلايا الوقود على القضبان

يعمل قطار خلايا وقود الهيدروجين عن طريق دمج غاز الهيدروجين المضغوط المخزن في خزانات مثبتة على السقف مع الأكسجين المسحوب من الهواء المحيط داخل مجموعة خلايا وقود كهروكيميائية. ينتج عن هذا التفاعل كهرباء — مع بخار الماء باعتباره الانبعاث الوحيد من العملية. تعمل هذه الكهرباء على تشغيل محركات الجر، تماماً كما في القطار الكهربائي التقليدي. من منظور الركاب، تكون الرحلة مطابقة لأي قطار كهربائي آخر: سلسة وهادئة وخالية من الانبعاثات عند نقطة الاستخدام.

ألستوم كوراديا آي لينت: أول قطار ركاب هيدروجيني تجاري في العالم

دخل قطار كوراديا آي لينت من ألستوم الخدمة التجارية في ولاية ساكسونيا السفلى بألمانيا في سبتمبر 2018 — وهو أول قطار ركاب بخلايا وقود الهيدروجين في العالم ينقل ركاباً يدفعون أجرة على شبكة سكك حديدية عامة. يعمل على شبكة إلبه-فيزر الإقليمية، ليحل محل وحدات الديزل المتعددة القديمة على الخطوط غير المكهربة. يحمل آي لينت الهيدروجين في خزانات مثبتة على السقف، ويحقق مدى يبلغ حوالي 1,000 كم بتعبئة واحدة، ويسير بسرعة تصل إلى 140 كم/ساعة — وهو أداء مماثل لوحدات الديزل التي يحل محلها.

آي لينت ليس نموذجاً أولياً. فقد التزمت ألمانيا بنشر 41 قطار آي لينت عبر عدة ولايات اتحادية، مع خدمات تعمل بالفعل في ساكسونيا السفلى وهيسن وشمال الراين-وستفاليا. وقد ثبت أن التقنية قابلة للتطبيق التجاري على المستوى الإقليمي.

فرنسا: قطارات إقليمية هيدروجينية اعتباراً من 2025

وقّعت الشركة الوطنية للسكك الحديدية الفرنسية (SNCF) وألستوم طلبيات لنسخة هيدروجينية معدّلة من القطار الإقليمي كوراديا بوليفالان، تستهدف الخطوط الإقليمية غير المكهربة في أوكسيتاني ونورماندي. والتزمت فرنسا بإلغاء الجر بالديزل من شبكتها الوطنية بحلول عام 2035، مما يجعل الهيدروجين ركيزة أساسية لهذا التحول في الخطوط التي لا يكون التكهرب الكامل فيها مبرراً اقتصادياً.

المملكة المتحدة: استراتيجيات الهيدروجين لعقد الثلاثينيات

حددت الحكومة البريطانية هدفاً للتخلص التدريجي من جميع القطارات التي تعمل بالديزل فقط بحلول عام 2040. ومع كون حوالي 62% من الشبكة البريطانية غير مكهربة حالياً، فإن تقنيتي الهيدروجين والبطاريات تشكلان محوراً أساسياً لتحقيق ذلك دون تكلفة وجدول زمني للتكهرب الكامل على مستوى الشبكة. وقد تم عرض نموذج هايدروفليكس التوضيحي من هيتاشي-بورتربروك ومفاهيم الهيدروجين البريطانية من ألستوم على المشغلين البريطانيين. ووقّعت عدة شركات قطارات اتفاقيات نوايا لطلبيات أساطيل هيدروجينية مستقبلية، مع توقع النشر التجاري في أواخر عقد العشرينيات وأوائل عقد الثلاثينيات.

تحدي الهيدروجين الأخضر

قطارات الهيدروجين لا تكون نظيفة إلا بقدر نظافة الهيدروجين الذي تعمل به. الهيدروجين الأخضر — المنتج عن طريق التحليل الكهربائي للماء باستخدام الكهرباء المتجددة — هو خالٍ من الانبعاثات حقاً من المصدر إلى العجلة. أما الهيدروجين الرمادي، المشتق من الغاز الطبيعي، فيمثل حالياً حوالي 95% من إنتاج الهيدروجين العالمي ويولّد كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. والهيدروجين الأزرق يطبق احتجاز الكربون وتخزينه على إنتاج الهيدروجين الرمادي — أقل انبعاثاً لكنه ليس صفرياً. وبالتالي فإن المؤهلات البيئية الكاملة لقطارات الهيدروجين تعتمد على سرعة التحول إلى سلاسل إمداد الهيدروجين الأخضر، التي تتطور لكنها ليست متاحة بعد بالحجم المطلوب لتشغيل أسطول وطني.

القطارات الكهربائية بالبطاريات: مُثبتة وتعمل بالفعل

تستخدم القطارات الكهربائية بالبطاريات حزم بطاريات كبيرة على متنها تُشحن من الأسلاك العلوية التقليدية في الأقسام المكهربة من المسار ثم تعتمد على الطاقة المخزنة لمواصلة العمل في الأقسام غير المكهربة. هذا النهج الهجين — الذي يُسمى أحياناً الكهربائي ثنائي الوضع — مناسب تماماً للخطوط المكهربة جزئياً: يُشحن القطار تحت الأسلاك ويستخدم طاقة البطارية المخزنة للأميال الأخيرة على الخط الفرعي حيث لا توجد أسلاك.

بومباردييه تالنت 3 وشتادلر فليرت أكو

يعمل القطار الإقليمي الهجين بالبطارية بومباردييه (الآن ألستوم) تالنت 3 تجارياً في ألمانيا منذ عام 2019، مما يثبت أن تقنية البطارية الكهربائية ليست مجرد تجريبية. يُشحن من الأسلاك العلوية على الخطوط الرئيسية المكهربة ويستخدم الطاقة المخزنة لآخر 20-50 كم على الفروع غير المكهربة — وهو كافٍ لمعظم التطبيقات الإقليمية حيث تكون الخطوط الفرعية قصيرة نسبياً.

يوسّع شتادلر فليرت أكو المفهوم أكثر بتصميم يعمل بالبطارية بالكامل لمسافة تصل إلى 200 كم دون أي وصول إلى التغذية العلوية، مما يجعله قابلاً للتطبيق على خطوط ريفية أطول بدون تكهرب على الإطلاق. وقد طلبت عدة ولايات اتحادية ألمانية قطارات فليرت أكو، وعمليات النشر جارية في سويسرا والنمسا وعدة دول أوروبية أخرى.

هيتاشي AT300 للشبكة المختلطة في المملكة المتحدة

تتضمن منصة هيتاشي AT300 نسخة ثلاثية الأوضاع قادرة على العمل بالتغذية الكهربائية العلوية أو طاقة البطارية أو الديزل كاحتياط طوارئ أخير. هذه المرونة مناسبة تماماً لمشهد التكهرب المختلط في المملكة المتحدة، حيث تتبدل العديد من الخطوط بين أقسام مكهربة وغير مكهربة في منتصف الرحلة. تُعد ترانس بينين إكسبريس وأفانتي ويست كوست من بين المشغلين البريطانيين الذين ينشرون أو يخططون لنشر نسخ AT300 ثلاثية الأوضاع في أساطيلهم.

الطاقة الشمسية: ألواح على القطارات ومصادر طاقة متجددة على مستوى الشبكة

تساهم الطاقة الشمسية في السكك الحديدية المستدامة بطريقتين مختلفتين: ألواح مثبتة على القطارات نفسها، وطاقة شمسية (أو متجددة) تُستخدم لتزويد شبكة السكك الحديدية بالكهرباء على مستوى الشبكة الكهربائية.

الطاقة الشمسية على القطار: تكميلية وليست أساسية

سطح القطار له مساحة سطحية محدودة وزاوية الشمس تتغير باستمرار مع اتجاه المسار، لذا لا يمكن للألواح الشمسية على القطار إلا أن تُكمّل مصدر طاقة الجر الأساسي بدلاً من أن تحل محله. وهي تساهم بشكل ملموس في الأنظمة