[عمود كيم يونغ-جو] جرارات خلايا وقود الهيدروجين: واقع المنافسة المحلية والدولية في البراءات والتقنيات، وإلحاح تأمين التكنولوجيا المحلية

[عمود كيم يونغ-جو] أستاذ في قسم هندسة آلات أنظمة الزراعة الذكية، كلية علوم الحياة والزراعة، جامعة تشونغنام الوطنية
 

مقدمة — لم يعد التحول إلى مصادر طاقة صديقة للبيئة خيارًا بل ضرورة للمعدات الزراعية الكبيرة

مع التراجع المستمر في عدد السكان العاملين في الزراعة، وازدياد المساحة التي يتحملها الفرد الواحد، تطورت المكننة في الحقول الزراعية مع التركيز على التوسع نحو الآلات الكبيرة. فالجرارات الكبيرة التي تتجاوز قدرتها 100 حصان مطالبة بأداء أعمال عالية الحمل مثل الحراثة، والروتاري، وجر المعدات الكبيرة لفترات طويلة، ولذلك فإن استقرار مصدر الطاقة واستمراريته يعدان الأهم على الإطلاق. غير أنه في الآونة الأخيرة، وفي ظل التوجه العالمي نحو الحياد الكربوني، برز إدخال مصدر طاقة صديق للبيئة يحل محل محركات الديزل كمهمة لا مفر منها حتى في مجال المعدات الزراعية الكبيرة.

وتكمن المشكلة في تحديد مصدر الطاقة الصديق للبيئة المناسب للمعدات الزراعية الكبيرة. ففي سيارات الركاب أو المعدات الزراعية الصغيرة، رسخت البطاريات الكهربائية مكانتها كبديل واعد، لكن تطبيقها كما هي على الجرارات الكبيرة التي تزيد قدرتها على 100 حصان يواجه حدودًا واضحة. فالبطاريات منخفضة الكثافة الطاقية بالنسبة إلى الوزن، أي إن الطاقة التي يمكن تخزينها قياسًا إلى الوزن محدودة، ولذلك فإن تأمين الطاقة اللازمة لأعمال طويلة وعالية الحمل يجعل البطارية نفسها ثقيلة بصورة مفرطة. كما أن توزيع البطاريات داخل المساحة المحدودة في هيكل الجرار يسبب مشكلات تصميمية. ويضاف إلى ذلك طول زمن الشحن، ما يفرض قيودًا عملية على العمل المتواصل في موسم الزراعة.

والبديل الذي يحظى بالاهتمام بوصفه قادرًا على تجاوز هذه القيود جذريًا هو خلية وقود الهيدروجين. فخلية وقود الهيدروجين تولد الكهرباء عبر تفاعل كهروكيميائي بين الهيدروجين والأكسجين، وهي مصدر طاقة عديم التلوث لا ينبعث منه سوى الماء، كما تتمتع بكثافة طاقية أعلى بكثير من البطاريات وبزمن تعبئة قصير.

                        <الشكل 1> مقارنة كثافة الطاقة لكل وحدة وزن بين بطارية الليثيوم-أيون والهيدروجين المضغوط

وكما يتضح من المقارنة أعلاه، تستطيع خلية وقود الهيدروجين تخزين طاقة تزيد بنحو 4 مرات عن بطارية الليثيوم-أيون عند الوزن نفسه. أي إنه لتخزين الكمية نفسها من الطاقة، يجب أن تكون البطارية أثقل بكثير من خلية وقود الهيدروجين. ويحتاج الجرار إلى مستوى معين من الوزن لضمان قوة جر عالية، لكن الزيادة المفرطة في الوزن قد ترفع من انضغاط التربة ومقاومة السير، وتخفض استهلاك الطاقة وكفاءة العمل.

        <الشكل 2> مقارنة الزمن بحسب طرق شحن البطارية وخلية وقود الهيدروجين (على أساس 100 kWh)

كذلك، وكما في الشكل أعلاه، فإن الهيدروجين يُخزن ويُعبأ تحت ضغط عالٍ في الحالة الغازية، لذا يمكن تزويد الطاقة خلال وقت قصير، ما يجعله أكثر فائدة من نظام البطارية في مواقع العمل الزراعي الفعلية. فعند تعويض طاقة بمستوى يقارب 100kWh يمكن تعبئة الهيدروجين خلال نحو 3~5 دقائق بحسب شروط التعبئة ومواصفات خزان التخزين. في المقابل، تحتاج البطارية المطبقة عليها شواحن سريعة بقدرة 200kW إلى نحو 30~40 دقيقة، أما الشحن البطيء فقد يستغرق نحو 6~10 ساعات أو أكثر. وعليه، ففي الأعمال الزراعية التي تتطلب وقت عمل محدودًا خلال موسم الزراعة أو تشغيلًا متواصلًا طويلًا، يمكن لنظام الهيدروجين الذي يقلل زمن انتظار الشحن أن يتمتع بقدرة تنافسية أعلى نسبيًا من حيث معدل تشغيل المعدات وكفاءة العمل.

                  <الشكل 3> مبدأ توليد القدرة ومخطط التدفق لجرار خلية وقود الهيدروجين (PEMFC)

يوضح الشكل أعلاه بصورة تخطيطية مبدأ توليد القدرة في جرار خلية وقود الهيدروجين. فالهيدروجين المخزن في خزان تخزين الهيدروجين يُحدث تفاعلًا كهروكيميائيًا داخل مكدس خلية الوقود مع الأكسجين المسحوب من الهواء لتوليد الكهرباء، وتُستخدم هذه الكهرباء أساسًا في تشغيل المركبة. وإذا كانت القدرة المنتجة من خلية الوقود أكبر من القدرة المطلوبة للمركبة، تُخزن القدرة الفائضة في مصدر طاقة مساعد، وهو بطارية عالية الجهد أو مكثف فائق. وعلى العكس، إذا كانت القدرة المطلوبة للمركبة أكبر من قدرة التوليد في خلية الوقود، فيُستخدم أيضًا ما هو مخزن في مصدر الطاقة المساعد. وبما أن ما ينبعث بعد التفاعل ليس سوى الماء والطاقة الحرارية، فإن هذا الهيكل قادر على تحقيق انعدام الانبعاثات (Zero-emission) مع الاستعاضة الكاملة عن محرك الديزل.

<الشكل 4> عدد طلبات براءات الاختراع لجرارات زراعية بخلايا وقود الهيدروجين لدى أبرز الشركات المحلية والعالمية (استنادًا إلى 5 دول IP وPCT ، للطلبات/البراءات المنشورة أو المسجلة قبل 1 يوليو 2026)

هيمنة كوبوتا اليابانية — الاستحواذ على السوق المستقبلية عبر البراءات
تكمن القضية الجوهرية فيمن سيؤمن أولًا هذه التكنولوجيا الخاصة بالجرارات الكبيرة العاملة بخلايا وقود الهيدروجين. وأكثر الجهات تقدمًا في هذه المنافسة هي كوبوتا اليابانية (KUBOTA)، ثالث أكبر شركة للمعدات الزراعية في العالم. ففي معرض أوساكا-كانساي إكسبو لعام 2025، كشفت كوبوتا لأول مرة في العالم عن نموذج أولي لجرار ذاتي القيادة بخلايا وقود الهيدروجين بقدرة 100 حصان. ويستطيع هذا الجرار العمل بشكل متواصل لما يقارب نصف يوم بشحنة هيدروجين واحدة، كما أن زمن التعبئة لا يتجاوز نحو 10 دقائق، ولذلك يُقيَّم بوصفه مثالًا يثبت فعالية خلايا وقود الهيدروجين في التحول الصديق للبيئة للمعدات الزراعية الكبيرة.

والجانب الذي يستحق مزيدًا من الانتباه هو استراتيجية كوبوتا في البراءات. فقد أظهرت مقارنة وضع امتلاك البراءات المتعلقة بالجرارات الزراعية بخلايا وقود الهيدروجين لدى الشركات المحلية والعالمية الرئيسة في مجال الجرارات الزراعية (KUBOTA, YANMAR, ISEKI, Deere & Company, CNH) أن كوبوتا تمتلك ما مجموعه 171 براءة، أي نحو 82% من الإجمالي، لتحتل المركز الأول بفارق ساحق. في المقابل، كانت الجهة الوحيدة التي تلاحق كوبوتا في هذا المجال فريقًا بحثيًا كوريًا. وقد نتجت هذه الإنجازات عن فريق بحث 'تطوير جرار كبير بقدرة 110kW قائم على خلايا وقود الهيدروجين الصديقة للبيئة'¹ المؤلف من الصناعة والجامعة ومؤسسات البحث (19 حالة، نحو 9%).

         <الشكل 5> عدد طلبات براءات الاختراع السنوية لجرارات زراعية بخلايا وقود الهيدروجين لدى أبرز الشركات المحلية والعالمية

واقع التكنولوجيا المحلية — تحدي كونسورتيوم التطوير المحلي والمهام المتبقية
كما رأينا سابقًا، بلغ متوسط معدل الزيادة السنوية في طلبات البراءات لدى الفريق البحثي المحلي منذ عام 2022 نحو 18.9%، وهو لا يتجاوز خُمس مستوى كوبوتا (98.3%). كما أن طلبات PCT الرامية إلى تأمين الحقوق في الأسواق الخارجية لم تتجاوز 7 حالات (نحو 37%) من أصل 19 براءة منشورة محليًا، ما يعني أن القدرة على مواجهة الأسواق الخارجية لا تزال أقل بكثير من كوبوتا. ومع ذلك، توجد نقطة تبعث على الأمل. فبينما تركز كوبوتا على براءات متخصصة في هيكل يضع خزان الهيدروجين في الجزء العلوي من كابينة منصة جراراتها (السقف)، يركز كونسورتيوم البحث المحلي على هيكل يثبت وحدة الهيدروجين أسفل مقعد القيادة في الكابينة وفوق مجموعة نقل الحركة. ويمكن تقييم ذلك بوصفه نقطة تمايز تقني، لأنه يعني تأمين تقنية تصميم تراعي في آن واحد العمومية التي تسمح بتطبيقها بسهولة على أي منصة من منصات شركات تصنيع الجرارات المحلية الثلاث، واستقرار المركبة. 

الخلاصة والمقترحات — إذا أردنا ألا نفوّت الوقت الذهبي
وخلاصة القول، إن خلية وقود الهيدروجين تمثل بديلًا أكثر واقعية من البطارية في التحول الصديق للبيئة للمعدات الزراعية الكبيرة، وقد بدأت المنافسة التقنية بالفعل. وفي الوقت الذي تسرّع فيه كوبوتا، ثالث أكبر شركة للمعدات الزراعية في العالم، من وتيرة طلبات البراءات اعتمادًا على قوة رأسمالية هائلة، فإن فريقًا بحثيًا محليًا من الصناعة والجامعة ومؤسسات البحث هو الجهة الوحيدة تقريبًا التي تشكل بنية تنافسية في الداخل. غير أنه لا يمكن الجزم بأن هذا الوضع سيستمر في المستقبل.

ويجب أيضًا الإشارة بوضوح إلى العقبات الواقعية التي تعترض تسويق جرارات خلايا وقود الهيدروجين. فالبنية التحتية المحلية لتعبئة الهيدروجين لا تزال متمحورة حول سيارات الركاب، بل ومقامة على امتداد المدن والطرق الرئيسة، لذلك يصعب العثور على بنية تحتية للتعبئة في المناطق الريفية. ومهما جرى تطوير جرار متميز بخلايا وقود الهيدروجين، فإن تعذر تعبئة الهيدروجين بسهولة بالقرب من المزارع سيجعل التسويق التجاري أمرًا صعبًا لا محالة.

أولًا، يصعب على مؤسسات البحث والشركات الفردية، بالاعتماد على استثماراتها الذاتية فقط، مجاراة سرعة تطوير التكنولوجيا لدى الشركات الأجنبية الرائدة التي تتفوق في القوة الرأسمالية وحجم السوق. وحتى إن كانت تكاليف التطوير الأولية مرتفعة، فإن رفع نسبة توطين المكونات الأساسية وحجم الإنتاج عبر استثمارات مستمرة يمكن أن يثبت سعر النظام على المدى الطويل. وكما تجاوزت السيارات الكهربائية والبنية التحتية لشحنها التكاليف الأولية المرتفعة ومحدودية السوق ونمت لتصبح صناعة قائمة بذاتها، فإن المعدات الزراعية الهيدروجينية أيضًا يجب أن تؤمن الجدوى الاقتصادية والعملية عبر التطوير التقني المستمر والاستثمار السوقي.

ثانيًا، من أجل توفير الهيدروجين بصورة مستقرة في المناطق الريفية، لا بد من بناء منظومة طاقة زراعية صديقة للبيئة تربط عضويًا ليس فقط بنية التعبئة التحتية، بل أيضًا إنتاج الهيدروجين ونقله وتخزينه وتعبئته. وعلى وجه الخصوص، فإن الآلات الزراعية، بخلاف سيارات الركاب العادية، تُشغَّل لفترات طويلة في الأرياف ومواقع العمل البعيدة التي تقل فيها إمكانية الوصول إلى محطات التعبئة، ولذلك يصعب على محطات التعبئة الثابتة وحدها الاستجابة بفعالية لطلب العمل الزراعي الفعلي. ومن ثم، هناك حاجة إلى تطوير وإثبات أنماط توريد متنوعة تناسب المناطق وظروف العمل، مثل محطات تعبئة هيدروجين متنقلة، ومرافق ميدانية لإنتاج الهيدروجين وتعبئته، وأنظمة تعبئة مخصصة للآلات الزراعية. ويجب ألا يقتصر قطاع المعدات الزراعية الهيدروجينية على تطوير المركبات وبنية التعبئة التحتية كل على حدة، بل ينبغي أن يتطور إلى منظومة طاقة زراعية صديقة للبيئة ومستدامة عبر ربط العملية بأكملها، من إنتاج الهيدروجين إلى توريده واستخدامه في مواقع العمل الزراعي، ضمن نظام صناعي واحد.

ثالثًا، في سوق المعدات الزراعية بخلايا وقود الهيدروجين، لا تقل أهمية تأمين الحقوق على التكنولوجيا على نطاق واسع عن أهمية تطويرها أولًا. فكوبوتا تتقدم بطلبات لعدد كبير من البراءات في عدة دول في الوقت نفسه عبر المطالبة بالأولوية ونظام البراءات العائلية، استعدادًا للسوق العالمية مستقبلًا. وفي الوقت الراهن، لا يزال الباحثون المحليون يحتفظون بإمكانات تقنية في المنافسة مع الشركات الأجنبية الرائدة. لكن إذا لم تُربط النتائج البحثية المتحققة الآن بالتطوير اللاحق والإثبات العملي والبراءات والتصنيع التجاري، فقد ينهار هذا الوضع التنافسي الذي تشكل بصعوبة بسرعة. 

ومن المتوقع أن تصبح جرارات خلايا وقود الهيدروجين، إلى جانب الجرارات الكهربائية، أحد المحاور الرئيسة التي ستقود سوق المعدات الزراعية الصديقة للبيئة مستقبلًا. وقد يتغير شكل صناعة المعدات الزراعية العالمية خلال العقود المقبلة تبعًا للدولة التي ستمسك بزمام القيادة التقنية في هذا المجال. وفي المقالة التالية، سنلقي نظرة أكثر تحديدًا على تقنيات المكونات الأساسية لجرارات خلايا وقود الهيدروجين وحالات الإثبات العملي المحلية والعالمية.