سيارات النشرة الاسبوعية تقارير السيارات سلايدر الرئيسية

التوسع بإنتاج السيارات الكهربائية لن يحدث في غياب النفط.. واللدائن كلمة السر (تقرير)

الطاقة

2022-08-14

1 2٬217

يسعى مريدو السيارات الكهربائية من الجماعات البيئية وأرباب صناعتها لتصوريها على أن استخدامها أكثر استدامة، مقارنة بسيارات الاحتراق الداخلي أو التقليدية، وتسويقها للمستهلك على أنها الحل للتخلص التام من استخدام مشتقات النفط المسبب للانبعاثات.

حاليًا تصنع المركبات الكهربائية من اللدائن المشتقة من النفط، والتي تشكل نسبة تصل إلى 50% من حجم السيارات، في حين تُسهِم في نحو 10% فقط من الوزن الإجمالي للمركبة الكهربائية.

وأكد العديد من الخبراء أن اللدائن قادرة على تقليل ما يصل إلى 30% من الوزن الإجمالي للسيارة مقارنة باستخدام المعادن البديلة، وبتكلفة أقل بكثير.

بالإضافة إلى ضآلة الوزن مقابل الحجم، تستخدم اللدائن البلاستيكية لخواص فريدة ومتخصصة لا توجد إلا فيها من غير التقليل من اشتراطات السلامة، بل تُعزَّز في نواحٍ كثيرة.

توفر السيارات الكهربائية العديد من الفرص للبوليمرات التي لم تكُن موجودة في سيارات الاحتراق الداخلي التقليدية، وهو ما نسعى إلى إبرازه في هذا التقرير.

تطور استخدام اللدائن في السيارات

على مدى العقود الماضية، كان مصممو السيارات التقليدية يستبدلون المكونات المعدنية الثقيلة ويستخدمون اللدائن بشكل متزايد، وبفضل التقدم المستمر في تكنولوجيا اللدائن، استطاع المهندسون الاستفادة بشكل متزايد من مجموعة واسعة من الخيارات التكنولوجية الأخف وزنًا والأقل تكلفة.

بالإضافة لذلك، أصبحت اللدائن المتخصصة ذات الخواص الفريدة كالعزل الحراري ومقاومة اللهب وحيادتيها للإشارات الكهرومغناطيسية أكثر ملاءمة من مثيلاتها المعدنية.

في عام 1960، كان متوسط وزن اللدائن المستخدمة في السيارة لا يزيد على 8 كيلوغرامات، وفقًا لمجلس الكيمياء الأميركي، وهو مجموعة تجارية، وفي عام 2016، صُنِّعَت بعض السيارات باستخدام 150 كيلوغرامًا من اللدائن، وهو ما يمثل نحو 8% من وزن السيارة ونحو 50% من حجم المواد في السيارة.

استخدام اللدائن في السيارة الكهربائية

لكثافة استخدام المعادن في البطارية الكهربائية مقارنة بالسيارة التقليدية، يسعى مهندسو السيارة الكهربائية بشكل حثيث لتقليل وزنها بأقل تكلفة، وإطالة نطاق أميال قيادة السيارة الكهربائية لكل عملية شحن، لكي تتماشى مع أنظمة السلامة للسيارات الخفيفة باستخدام مواد ذات وزن خفيف في أجزاء السيارة الأخرى، كلما أمكن ذلك.

هناك العديد من خيارات المواد خفيفة الوزن، كالألومنيوم والمغنيسيوم وسبائك الصلب عالي القوة والألياف الكربونية واللدائن المدعم.

ولا يزال مصنعو السيارات التقليدية يفضّلون الألومنيوم، لأنه يقدم حلًا وسطًا جذابًا للغاية من حيث تقليل الوزن، وتكلفة الاستخدام، والأداء الميكانيكي، وإعادة التدوير.

وترجع أسباب تفضيل صناع السيارات التقليدية للمعادن خفيفة الوزن مثل الألومنيوم؛ لأنها تقاوم الاحتراق وتحمي من التداخل الكهرومغناطيسي، وعلى الرغم من أن المعادن توفر أيضًا خصائص ميكانيكية وأبعادًا يمكن الاعتماد عليها، فإنها تأتي مع مقايضات كالوزن والتكلفة.

ووجد مهندسو صناعة السيارات ضالتهم في استخدام اللدائن المشتقة من النفط ذي الوزن الأقل والمنخفض التكلفة، وأصبحت على نحو متزايد المادة الأولى المفضلة في قطاع السيارات الكهربائية؛ ما أدى إلى تحسينات في السلامة والأداء وكفاءة استهلاك الوقود.

تقول القاعدة القديمة في صناعة السيارات إنه مقابل كل 10% من تخفيض وزن السيارة، يتحسن الاقتصاد في استهلاك الوقود بنحو 5%؛ إذ تتطلب السيارة الأخف وقودًا أقل (وفي هذه الحالة تكون الكهرباء) لتسريعها.

هذا يعني أن السيارات الكهربائية قادرة دائمًا على أن تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وكذلك أكثر قوة، إذ تُهدَر طاقة أقل في دفع مركبة أثقل.

يمكن أن تحتوي السيارات الكهربائية على بطاريات قد يزيد وزنها على 500 كيلوغرام، والتي تمثل أحيانًا 25-30% من إجمالي وزن السيارة؛ ما يحد من كفاءتها إلى حد ما.

ويُعَد الوزن المناسب للبطارية أثقل مكون في السيارة التقليدية (المحرك)، وتمركزها في موقع مركز الثقل للسيارة وفي مستوى منخفض، يساعد في تقليل مخاطر حوادث الانقلاب، والمزيد من الاستجابة والمناورة لسائقي السيارات الكهربائية.

مزايا اللدائن

يدفع الطلب المتزايد على السيارات الكهربائية نمو الطلب على الخواص الفريدة للدائن؛ إذ إنها أصبحت المواد المفضلة المستخدمة في تصنيعها. بالإضافة إلى خفة وزنها وتكلفتها المنخفضة، ويمكن حصر خصائص اللدائن في التالي:

سهولة سبك اللدائن متعددة الاستخدامات، ذات الخواص الفيزيائية والكيميائية المطلوبة؛ ما يساعد على تقليل الأجزاء وكفاءة التجميع، كما أسهمت التطورات في تكنولوجيا سبك وقولبة اللدائن وعملية التصميم والتصنيع بأكملها أسرع وأكثر قابلية للتنبؤ وبدقة، ومن ثم تعزيز وظائف وإمكانيات تطبيقات اللدائن؛ ما أسهم في تحقيق جداول زمنية أقصر من التصميم إلى السوق.
الاحتفاظ بالخصائص الكيميائية والفيزيائية والخواص الفريدة في بيئات استثنائية لمدد طويلة من الزمن.
مثبطات اللهب؛ إذ يمكن للدائن المتخصصة تثبيط اللهب ومنع انتشاره لأكثر من 400 ثانية عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، وهو أداء محسّن بنحو 45 مرة مقارنةً بالبدائل الأخرى.
المقاومة الحرارية وكذلك إمكانية الاستخدام المبتكر للتوصيل الحراري متباين الخواص للدائن لتحسين أداء الإدارة الحرارية؛ إذ يمكن تصنيع اللدائن المقولبة بالحقن باستخدام مواد ذات خصائص تلبي متطلبات معينة تنفرد بها السيارات الكهربائية؛ فالبطاريات الكهربائية، على سبيل المثال، يجب أن تظل باردة، ويوفر عدد من البوليمرات مقاومة ممتازة للحرارة يمكن من خلالها بناء حجيرات البطارية وأنظمة التبريد دون التضحية بالمتانة والسلامة، وأيضًا السيارات الكهربائية لها متطلبات تبريد مختلفة عن محركات السيارات التقليدية؛ ما قد يجعل شبكات الواجهة الأمامية المألوفة في السيارة التقليدية غير مبررة؛ وهو ما يخلق فرصًا لتصميمات قائمة على اللدائن.
العزل الكهربائي حتى في وجود الجهد العالي قد يصل إلى 1000 فولت.
ضمان عدم التداخل الكهرومغناطيسي، مع زيادة عدد المستشعرات في السيارة؛ إذ أصبح من الضروري التأكد من عدم حدوث أي اضطراب في الأداء، في حالة عمل جميع أجهزة الاستشعار في وقت واحد؛ حيث تُعَد البوليمرات فريدة في قدرتها على توفير الحماية من الطقس والحرارة، بالإضافة إلى أنها لا تتداخل بأي شكل من الأشكال مع الإشارات؛ فعلى عكس كثير من المعادن، تظل اللدائن محايدة للإشارات والموجات التي تُرسَل وتُستَقبل بواسطة المستشعرات.
مقاومة التآكل والتفاعل مع المواد الكيميائية الأخرى.
تحقيق مستويات مقبولة من الصلابة وقوة التحمل، والمرونة، ومقاومة الصدمات عند الظروف الاستثنائية.

اللدائن المتقدمة

على نحو متزايد، يستخدم صانعو السيارات جيلًا جديدًا من اللدائن تسمى "باللدائن المتقدمة" لتلبية معايير كفاءة أكبر.

ومركبات اللدائن المتقدمة هي مواد تُصنَّع من خلال توليفة هندسية من مصفوفة اللدائن أو تُطعَّم بعامل يعزز خواصها المطلوبة، كإضافة الألياف (عادةً الكربون أو الزجاج أو الألياف الطبيعية).

غالبًا ما يشار للدائن المطعمة باسم اللدائن المعززة بالألياف، وتسمح هذه المركبات الكيميائية بتصميم الهياكل المدعمة بكفاءة أكبر، وتشمل المزايا الأخرى الوزن الخفيف، ونسبة القوة إلى الوزن العالية، ومقاومة التآكل والطقس، والمتانة على المدى الطويل، وانخفاض الصيانة واستقرار الأبعاد.

تتمتع هذه المركبات بإمكانية التفوق في الأداء على كل من الصلب والألومنيوم؛ إذ يمكن أن تقدم المركبات مزايا خفيفة الوزن من 15-25% للمركبات المعززة بالألياف الزجاجية، وإلى 25-40% للمركبات المعززة بألياف الكربون مقارنة بالمواد المعدنية الأخرى السائدة حاليًا، مثل الصلب والحديد والألومنيوم.

وهناك أيضًا مميزات فريدة تناسب السيارة الكهربائية حصريًا، خاصة في ظل الحاجة لتدفق الكهرباء والموصلات والكابلات بحيث تظهر المواد المستخدمة العزل الكهربائي ومقاومة اللهب ومقاومة التحلل المائي عند الظروف الاستثنائية، بحيث تزيد من كفاءة البطارية وإطالة تخزين الكهرباء ونطاق القيادة.

أكد الخبراء أن أي شيء يساعد على تقليل "تسرب" التيار من البطارية يساعد في تحسين عمرها من خلال زيادة المسافة التي يمكن اجتيازها بشحنة واحدة. وأثبتت اللدائن المتقدمة مثل بولي تترافلورو إيثيلين والبوليميد فعاليتها العالية باعتبارها عوازل في تطبيقات درجات الحرارة العالية والجهد العالي.

كما أن الهياكل المهجنة من اللدائن والمعادن كالبولي إيثيلين وتلك المصنوعة من الألياف الزجاجية الطويلة المبطنة لجوف البطارية الكهربائية تحسين النقل الحراري، وتظهر قدرة على استثنائية على امتصاص الحرارة، وكذلك تعمل كدرع لمقاومة الصدمات الكبيرة التي يمكن أن تتعرض لها.

وتبدي هذه المواد قدرات كبيرة لمواجهة اللهب، وتقلل التداخل الكهرومغناطيسي وتساعد على العمل باعتبارها درعًا لتقليل تداخل التردد اللاسلكي.

من جهة أخرى، أصبح أحد أنواع اللدائن المتقدمة شائعًا بشكل متزايد في محطات شحن السيارة الكهربائية ومكوناته هي البولي كربونات.

ويُعرف البولي كربونات بكونه قويًا بشكل لا يُضاهَى ومقاومًا للصدمات، وهذا يجعله مثاليًا لمحطات شحن البطارية الكهربائية؛ إذ يمكنه مقاومة الصدمات والخدوش المحتملة، وقد يتحمل حتى أعمال التخريب أو الظروف الجوية القاسية التي تصاحب الإقامة في الهواء الطلق.

أين تستخدم اللدائن في السيارة الكهربائية؟

هناك العديد من الاستخدامات للدائن في صناعة السيارات الكهربائية؛ إذ تُستَخدم في الأثاث الداخلي والخارجي للسيارات، وأجهزة التحكم، والمكونات الكهربائية، وأجزاء غطاء المحرك؛ إذ تُستَخدم في لوحة القيادة، ومقاعد الصدمات، وألواح الهيكل، وأنظمة الوقود، والتشطيبات الداخلية، ومكونات أسفل غطاء المحرك، والإضاءة، والكسوة الخارجية، وخزانات السوائل.

ويستخدم العديد من أجزاء هياكل السيارات ومكونات المحرك أيضًا اللدائن بدلًا من المعدن؛ فمثلًا تُستَخدم اللدائن باعتبارها بديلًا للمعادن في أنابيب التبريد والمراوح ومكونات السيارات الأخرى، مثل أجهزة امتصاص الطاقة وجسم السيارة وغيرهما.

وتُعَد اللدائن دروعًا ومرفقات أجهزة الاستشعار؛ إذ يُعَد استخدام المستشعرات أمرًا ضروريًا لضمان السلامة، ونظرًا لأن السيارات ذاتية القيادة تشهد زيادة في الاعتماد؛ فمن المحتمل أن تصبح المستشعرات أهم مكون يُعَيَّن داخل السيارة؛ إذ تحتوي سيارات اليوم على مكونات كهربائية وإلكترونية تؤدي العديد من الوظائف المهمة، ولكن أجهزة الاستشعار بالغة الأهمية بشكل خاص.

على سبيل المثال، تراقب مستشعرات المكابح المانعة للانغلاق سرعة العجلة، وتحدد مستشعرات الأكسجين كمية الوقود اللازمة لتشغيل المحرك بكفاءة، وأجهزة الاستشعار الأخرى تراقب مستويات سائل التبريد.

وتدعم اللدائن المتقدمة المستشعرات وغيرها من أجهزة استشعار السيارات مع تحمل درجات الحرارة المرتفعة والبيئات القاسية المرتبطة بهذه الأنظمة.

كما تُستَخدم المكونات الصلبة المصنوعة من النايلون باعتبارها بدائل للمعدن حتى في السيارات التقليدية؛ إذ إنها توفر خفضًا كبيرًا في الوزن ويمكن تشكيلها لتناسب الشكل الدقيق لمجموعة المكونات التي تُوضَع.

علاوة على ذلك، في حالة عدم ارتخاء أحد المكونات بشكل طفيف، تُقَلل الضوضاء المحتملة من الاهتزاز بشكل كبير.

وخلال العقود العديدة الماضية، ساعدت اللدائن في تعزيز عمل الأنظمة الكهربائية للسيارات، على سبيل المثال، تدعم اللدائن التشغيل والتوصيل البيني وإسكان لوحات الدوائر الإلكترونية، والموصلات، والمفاتيح، والأسلاك.

ونظرًا لأن رقائق الكمبيوتر تنظم وترصد وتتحكم في الأنظمة الفرعية للسيارات، يمكن العثور على اللدائن المتخصصة في كل شيء بدءًا من أنظمة تحديد المواقع العالمية للملاحة إلى أنظمة الصوت.

استخدامات خاصة للمركبات الكهربائية

إلى جانب العديد من الاستخدامات التقليدية للدائن في صناعة السيارات؛ فإن هناك عدة مزايا مخصصة للسيارات الكهربائية فقط، ومن بينها غلاف البطارية الكهربائية المصنوع من اللدائن المتقدمة يساعد على احتواء الهروب الحراري وحماية ركاب السيارة الكهربائية من الحريق وتوفير الوزن؛ إذ تُعَد علبة البطارية هدفًا رئيسًا لاستبدال سبائك الألومنيوم.

كما أن أحد العوامل الرئيسة في السيارات الكهربائية هو أن تخزين البطاريات يجب أن يكون واسعًا وفعالًا، يُنظر إلى المنتجات المصنوعة من اللدائن على أنها فواصل فعالة للبطاريات.

وتوفر هذه الفواصل عزلًا داخليًا للبطارية؛ ما يمنع البطاريات من التفريغ عند الخمول، وهو ما يجعلها فعالة على مدى مدة زمنية أطول بكثير.

كما يتيح استبدال اللدائن خفيفة الوزن بدلًا من أغلفة وعوازل الخلايا الكهربائية الثقيلة، لشركات صناعة السيارات توسيع قدرة السيارات الكهربائية لتظل مشحونة وتوسيع نطاق قيادتها.

مستقبل استخدام اللدائن

تُعَد صناعة السيارات ثالث أهم قطاع استهلاكي للدائن بعد قطاع التعبئة والتغليف، وقطاع البناء والتشييد، ومع انتشار اللدائن وخصوصًا اللدائن المتقدمة في أجزاء السيارات المختلفة وخاصة السيارات الكهربائية، قد تتقدم صناعة السيارات باعتبارها مستخدمًا للدائن مركزًا أو مركزين.

وقد تظل المكونات الهيكلية المهمة مثل التروس والمحركات مصنوعة من المعدن؛ إذ تشير متطلبات القوة ومقاومة الصدمات إلى أن المعادن ستظل المادة المفضلة لهذه التطبيقات.

ومع ذلك، فإن للدائن إمكانات هائلة في بعض المكونات الأخرى، وهذا ما تسعى فيه صناعة السيارات بشكل عام.

وسوف تحتاج السيارات أيضًا إلى موثوقية الاستخدام وديمومته مع زيادة التعقيد والاستخدام الواسع؛ فإذا تعطل الموصل؛ فإن الوظيفة بأكملها تتعطل، وهذا ما تستطيع اللدائن المتقدمة الوفاء به بتكلفة منخفضة دون غيرها.

أما بالنسبة للمركبات ذاتية القيادة؛ فستكون الإلكترونيات أكثر تعقيدًا، وسيحتاج صانعو السيارات إلى لدائن لجميع الكاميرات والرادار وأجهزة الاستشعار الجديدة على السيارات.

ريادة سابك

نظرًا لأن صناعة النقل تتجه نحو مستقبل كهربائي؛ فإن الشركات المصنعة للدائن لديها فرصة كبيرة لتعزيز البحث والتطوير في الحلول المبتكرة القائمة على اللدائن المتقدمة.

وبدأت سابك السعودية منذ البداية في تسخير إمكاناتها لمساعدة الصناعة على تحسين أداء السيارات الكهربائية.

وتُعَد حلول قطاع صناعة السيارات أحد أهم مكونات محفظة اللدائن في سابك، وتهدف لإيجاد البدائل المناسبة لاستبدال المعادن.

من جهة أخرى تؤكد سابك أنها ستنتج لدائن قابلة للتدوير بحلول نهاية عام 2022، ويستفيد مفهوم حزمة البطاريات الذي طورته الشركة السعودية من خصائص اللدائن الحرارية وقوتها لتحسين الأداء وتقليل التكاليف والوزن ودعم الإنتاج الضخم.

ويرى صانعو اللدائن فرصة سانحة في تطور صناعة السيارات الكهربائية؛ حيث ستضع المزايا الفريدة التي توفرها اللدائن وخصوصًا اللدائن المتقدمة صناعة البتروكيماويات المشتقة من النفط والغاز على خريطة صناعة السيارات الكهربائية.

وسيظل تدوير اللدائن بتكلفة اقتصادية إحدى أهم القضايا الشاغلة لصناعة السيارات؛ لذلك لا بد من إعمال وتوجيه الابتكار التكنولوجي فيه.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..