وتقترب الصناعة البحرية العالمية من نقطة انطلاق حاسمة، حيث إن هناك ضغطاً من تشديد أنظمة الانبعاثات، وتقلب تكاليف الوقود، وتزايد الطلب من المستأجرين على السوقيات الخضراء، فإن ملاك السفن يعيدون التفكير في استراتيجيات الدفع التي ظلت دون تغيير إلى حد كبير في القرن الواحد، وقد ظهرت تكنولوجيات واعدة كجهات أمامية في هذا الانتقال، ألا وهي الدفع الكهربائي والدفع بالريح، وكل منهما يقدم تحسينات ذات معنى.

إن نظم الدفع الكهربائي، التي تقتصر على الأسمدة والسفن الساحلية الصغيرة، تتوسع بسرعة لاستيعاب السفن الكبيرة التي تتجه نحو المحيطات، وتنتج التكنولوجيات التي تساعد الرياح، والتي تُحدَّث مع المواد المتقدمة ونظم التحكم، مصدرا للطاقة يقود الشحنات إلى آلاف السنين، ولكن مع الدقة والكفاءة لا يمكن أن يضاهيهما الإبحار التاريخي، ويخلق تكامل هذين النهجين هيكلا للطاقة الهجينة يعوض فيه كل نظام عن القيود المفروضة على الانبعاثات الريحية.

وتدرس هذه المادة الأسس التقنية والفوائد التشغيلية والتطبيقات العالمية الحقيقية للجمع بين الدافع الكهربائي والتكنولوجيات التي تساعدها الرياح، وهي تستند إلى المشاريع الرائدة الحالية، والموافقة على المجتمع المحلي، والنشرات التجارية لتقييم ما يعمل وما لا يزال يواجه التحدي، وحيث تتجه الصناعة.

The Maritime Industry's Environmental Imperative

وقد حددت المنظمة البحرية الدولية هدفاً لخفض انبعاثات غازات الدفيئة من الشحن بنسبة 50 في المائة على الأقل من مستويات عام 2008 بحلول عام 2050، مع دفع العديد من أصحاب المصلحة إلى الصفر الصافي بحلول عام 2040 أو قبل ذلك، وتشمل مسارات الامتثال تحويل الوقود إلى غاز ملوث، أو أمونيا، أو هيدروجين، أو الاستيلاء على السفن، أو بطء البخار، أو اعتماد تكنولوجيات فريدة ذات كفاءة في استخدام الطاقة.

ويقدر تقرير من المجلس الدولي للنقل النظيف أن تكنولوجيات المساعدة الريحية يمكن أن تقلل استهلاك الوقود على طرق النقل البحري العالمية بنسبة تتراوح بين 5 و 25 في المائة، حسب نوع السفن وطريقها وتوافرها من الرياح، وعندما تقترن هذه التكنولوجيات ببطاقات الطاقة الإضافية والتخطيط الأمثل للرحلة، فإن مجموع احتمالات التخفيض قد يزداد، وبالنسبة للمشغلين الذين يديرون مئات السفن، وحتى وفورات كبيرة في الوقود تبلغ 10 في المائة، تترجم إلى ملايين من الأهداف التشغيلية السنوية لتخفيضات في التكاليف.

Understanding Electric Propulsion Systems

ويشير الدافع الكهربائي في السياق البحري إلى استخدام المحركات الكهربائية في قيادة المدافع، والاستعاضة عن محركات الاحتراق الداخلي التقليدية أو استكمالها، وتسحب النظم الحديثة الطاقة من مصارف البطاريات، أو المولدات الكهربائية، أو خلايا الوقود، أو مزيج من المصادر عن طريق هيكل حافلات مباشر (DC) أو عن طريق تغيير هيكل الحافلات الحالي (AC) والميزة الرئيسية هي: توليد الطاقة والدفع يتم تفكيكها، مما يتيح تشغيل المولدات الكهربائية على نحو أمثل.

قدرة البطارية على تكنولوجيا وتخزين

وتهيمن نظم بطارية الليثيوم على الجيل الحالي من الدفع بالكهرباء البحرية، وقد تحسنت كثافة الطاقة بشكل مطرد، حيث توفر الآن مجموعات البطاريات البحرية التجارية ما بين 140 و 180 ساعة من كل كيلوغرام على مستوى الحزم، وبالنسبة لخصبة كبيرة تعمل على طريق احتياطي قصير طوله 20 ميلا بحريا، فإن القدرة على البطارية يتراوح بين 4 و 6 ساعات من العجلات المتوسطة هي عادة، مما يتيح القيام بعمليات شاملة.

وقد انخفضت تكلفة نظم البطاريات البحرية بنسبة 70 في المائة تقريبا خلال العقد الماضي، من نحو 200 1 دولار لكل كيلوات ساعة إلى أقل من 400 دولار لكل كيلوات ساعة بالنسبة للنظم الكاملة، بما في ذلك الكترونيات الكهربائية، والإدارة الحرارية، ونظم الأمان، كما أن المحللين في مشروع BloombergNEF، يزيدون من 200 دولار لكل كيلوت ساعة بحلول أواخر عام 2020، مما يجعل من سفينة الدفع قادرة على البقاء اقتصاديا.

التجمعات الهجينة وإدارة الطاقة

ومعظم منشآت الدفع الكهربائي اليوم هي مهجورة بدلا من الكهرباء الكاملة، وتشمل التشكيلة الهجينة مولدات الديزل أو الوقود المزدوج التي يمكن أن تشحن البطاريات وتزود الطاقة بالدفع عند الحاجة، ويواصل نظام إدارة الطاقة استخدام الحمولة على كل مولد، ويبقي المحركات في أكثر قطاعات تشغيلها كفاءة، وعندما تضيف نظم المساعدة الريحية قوة الدفع، يستجيب نظام إدارة الطاقة بتخفيض إنتاج المولدات الكهربائية، وإنقاذ الوقود، وخفض الانبعاثات.

المولدات الكهربائية للزجاج والمحركات المغناطيسية الدائمة تزيد من الكفاءة، ويمكن لمولد للسرقة أن يجني فائض الطاقة من المحرك الرئيسي أثناء الإبحار ويغذيها بنظام البطاريات أو شبكة الكهرباء للسفن، وفي المقابل، يمكن للمحرك نفسه أن يوفر الدفع عندما يكون المحرك مغلقا، مما يتيح الوصول والمغادرة إلى الميناء بطريقة صامتة خالية من الانبعاثات، وهذه الآلات المزدوجة الأداء أصبحت معيارية في البنايات الجديدة المصممة للتكامل مع الريح.

Wind-Assisted Propulsion Technologies

الدفع المدفوع بالريح ليس تكنولوجيا واحدة بل هي أسرة من النظم، لكل منها خصائص هوائية مميزة، وقيود تشغيلية، ومتطلبات تكامل، والخط المشترك هو تحويل طاقة الرياح إلى دفعة للأمام، مما يقلل من الحمولة على محركات السفينة الرئيسية.

روتور سايلز (الرائح الفوتنر)

أبحار الروتور هي أسطوانات عمودية تدور لترفعها عن طريق تأثير ماغنوس عندما تتدفق الرياح عبر الأسطوانة الدوارة، تخلق فرق ضغط مناديل القوة إلى التدفق الجوي، وبحرات الدوار الحديثة، التي تصنعها شركات مثل شركة نورس ليفدز وتقنيات آني البحرية، مصممة من مركبات التناوب ذات الوزن الخفيف،

Wing Sails and Rigid Sails

و يُمكن لـ (واينز) أن يُرفعوا إلى أعلى مستوى، ومفهوم (أوشن بيرد) الذي طوره (والنيوس) وشركاؤه، يُتصور أن ناقل سيارات بأربعة أبحرات من أجنحة التليفزيون يصل إلى 80 متراً في الارتفاع، قادر على خفض استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 90 في المائة عندما تكون الرياح صالحة.

نظم كيت

وتستخدم نظم الصواريخ مجموعة كبيرة من المظلات المنتشرة من القوس لالتقاط رياح عالية الجودة أقوى وأكثر اتساقا من الرياح السطحية، وتطير الطائرة الورقية في نمط مائي لا يزيد عن ثمانية أضعاف من أجل زيادة التوتر على خط المركب، الذي يتم نقله عبر فوز إلى نظام الدفع في السفينة، وقد أظهرت أجهزة الرفع الآلي، وهي رائدة في هذا المجال، وفورات في الوقود تتراوح بين 10 و 15 في المائة على سفن الشحن العامة أثناء فترة الاستقطاع.

Suction Wings and Turbosails

أجنحة الإنقاذ تجمع بين مظهر أجنحة صلبة ومروحة داخلية ترسم الهواء عبر سطح الجناح وتتحكم في طبقة الحدود وتحافظ على تدفق حراري في زوايا هجومية أعلى، وهذا التصميم يولد رفعاً أكبر لكل منطقة من المناطق المحيطة بجناح مروري ويعمل بفعالية في مجموعة أوسع من الاتجاهات الريحية، ونظام إيساي من المسافات المحدودة 4 مثال على هذه التكنولوجيا، مع وجود منشآت على مركبات الكيماويات وسفن العامة التي تبلغ مدخرة 10 في المائة.

The Synergy of Electric and Wind Propulsion

فالحالة الملحة لدمج الدفع الكهربائي بالنظم الريحية تكمن في خصائص التشغيل التكميلية، فالقوة المتقطعة والمتغيرة؛ ويوفر الدفع الكهربائي بخزن البطاريات حاجزا يستوعب هذا التقلب ويحافظ على سرعة السفن وموثوقيتها، وبدون الحاجز الكهربائي، يجب على السفينة التي تتلقى مساعدة الرياح أن تعدل باستمرار قدرة المحرك استجابة لثبات الرياح والشحوم، التي لا تتسم بالكفاءة وتزيد من عبء العمل على طاقمها.

تدفق الطاقة وتوزيع الطاقة

وفي نظام مختلط، تنتج أجهزة المساعدة الريحية دفعاً يقلل من الطلب على المحركات الدافعة، ويقلل المحرك الكهربائي، الذي يعمل كصانع للمحركات، استهلاك الطاقة من حافلة العاصمة، ويقلل تلقائياً من استهلاك الطاقة الكهربائية، وإذا كانت السفينة تعمل على طاقة البطارية وحدها، فإن انخفاض الطلب يمتد إلى فترة تشغيل البطاريات، وإذا ما كانت المولدات تعمل، فإنه يمكن أن تُنخفض أو تُغلق تماماً عندما يكون الدفع الريح هو الأيسر.

وعندما تكون ظروف الرياح مواتية، يمكن للسفينة أن تعمل في شكل بطاري فقط بمساعدة الرياح، وأن تحقق انبعاثات صفرية لفترات طويلة، وعندما تهبط الرياح، يوفر نظام البطاريات طاقة مكياجية، ويتجنب الحاجة إلى تشغيل مولد كهربائي لفترة قصيرة، وهذه الإدارة الدينامية للطاقة هي الميزة الأساسية للنهج المشترك.

نظم التحكم الديناميكية

ويتطلب إدماج مصادر متعددة للطاقة هيكلاً للرقابة يتسم بالقوة والقدرة على الاستجابة، حيث أن نظم إدارة الطاقة المتقدمة تستخدم الخوارزميات التنبؤية استناداً إلى مسارات الطقس والتنبؤات بالرياح من أجل تحقيق أقصى قدر من شحن البطاريات وإطلاقها، فعلى سبيل المثال، يمكن للسفن التي تبحر عبر شمال الأطلسي أن تشحن بطارياتها خلال ساعات الليل عندما تكون سرعة الرياح مرتفعة وتخفض نسبة المولدات الكهربائية من الطاقة خلال اليوم التالي.

أنظمة التحكم يجب أن تتحكم بالتفاعل بين أجهزة المساعدة الريحية وقود السفينة، والتوجه المتناظر من الأشرعة الدوارة أو أبحار الأجنحة يمكن أن يستحدث لحظات من الصمامات تتطلب تصحيحا من الحشد أو الدافعات الغازية، وتنسق خوارزميات التحكم الحديثة زوايا البحار، وسرعة الدوارات، وقيادات الدفع للحفاظ على المسار، مع زيادة مدخرات الوقود الصافية التي تصدرها السجلات

دراسات الحالة والمشاريع الرائدة

وهناك عدة مشاريع بارزة توضح إمكانية الجمع بين التدفق الكهربائي والريحي، وقد قامت شركة نوزركت، بالشراكة مع شركات الشحن وجمعيات التصنيف، بتركيب أبحار رواقية على سفن متعددة، بما في ذلك صهاريج هجين يستخدم نظاما للبطارية من أجل حلاقة الذروة إلى جانب أبحار الرواد، ويحقق النظام باستمرار وفورات في الوقود تفوق 10 في المائة على الطرق بين أوروبا الشمالية ومنطقة البحر الأبيض المتوسط.

(اليارا بيركلاند) أول مغذي للوقود الكهربائي بالكامل في العالم يظهر القدرة الصفرية للدفع البطاري على الطرق القصيرة المدى في (ييرا بيركلاند) بينما لا يشمل (يارا بيركلاند) حاليا أجهزة مساعدة الرياح، فإن هيكل البطاريات ونظم التحكم المستقلة توفر نموذجا لإدماج هذه التكنولوجيات في المباني الجديدة في المستقبل.

مشروع (والينيوس) البحري (واشن بيرد) يطور سيارة نقية وشاحنات بأربع أشعة أجنحة وجهاز هجين للدفع الكهربائي يُضمّن مصرفاً للبطارية يُستخدم لعمليات الموانئ الخالية من الانبعاثات والمرور العابر المنخفض السرعة، ويُتوقع أن تدخل السفينة، التي تُدعى (أورسيل ويند) الخدمة في أواخر عام 2020، وستُستخدم أكبر تركيبة للشحن بواسطة الرياح في أي سفينة.

فوائد النهج الموحد

وتمتد الفوائد القابلة للقياس من إدماج الحفز الكهربائي والريحي عبر استهلاك الوقود والانبعاثات والمرونة التشغيلية ومجموع تكلفة الملكية، وتدعم هذه المزايا بيانات من المشاريع الرائدة ودراسات المحاكاة التي تجريها مؤسسات البحوث وجمعيات التصنيف.

خفض استهلاك الوقود

وتظهر البيانات الميدانية من منشآت بحار تعمل بالزراعة في نوريست أن نظم المساعدة الريحية يمكن أن تقلل من استهلاك الوقود الرئيسي بنسبة تتراوح بين 5 و15 في المائة في المتوسط، مع انخفاضات في الذروة تتجاوز 25 في المائة في الطرق المفضلة، وعندما تقترن بدافع الدفع المختلط بالبطارية، فإن مجموع وفورات الوقود بنسبة تتراوح بين 3 و7 في المائة نتيجة لتحميل المولدات الكهربائية على النحو الأمثل، وإزالة أسعار المحركات المنخفضة الحجم.

الانبعاثات والامتثال التنظيمي

وتتناسب إمكانية خفض الانبعاثات بشكل مباشر مع وفورات الوقود، مع الفائدة المضافة التي تنتجها عمليات البطاريات الكهربائية عن الانبعاثات الصفرية عند نقطة الاستخدام، فالسفن العاملة في مناطق مراقبة الانبعاثات مثل بحر البلطيق وبحر الشمال وسواحل أمريكا الشمالية يمكن أن تتحول إلى أسلوب البطاريات الكهربائية عند دخول هذه المناطق، مع تجنب تكلفة وتعقيد الأنهار أو الوقود الممتثل، وإدراج الاتحاد الأوروبي للوقود في عملياته الإضافية لخفض الانبعاثات بمقدار 100.

القدرة على التكيف في العمليات

ولدى السفن المجهزة بأجهزة المساعدة الريحية وخزن البطاريات مصادر متعددة للطاقة ويمكنها مواصلة تشغيلها إذا فشل نظام واحد، وفي سيناريو ينفجر فيه المولدات الكهربائية، يمكن لنظام البطاريات أن يوفر طاقة الدفع بينما يتم تشخيص الخطأ وإصلاحه، وتوفر الأجهزة التي تقدم المساعدة على الرياح قوة الدفع حتى لو استنزفت المولدات والبطاريات، وإن كانت السرعة المخفضة، وهذا التكرار قيمة للسفن العاملة في المناطق النائية أو التجارة.

تحليل تكاليف دورة الحياة

ويزيد الاستثمار الأولي في رأس المال للنظم المشتركة للطاقة الكهربائية عن التركيب التقليدي للديزل - الميكانيكي، ويدل نظام الإبحار الدوار على تكاليف ناقلة تتراوح بين مليون دولار و3 ملايين دولار للوحدة الواحدة، حسب الحجم والتعقيد، وتضيف نظم البطارية مليوناً آخر إلى 5 ملايين دولار حسب القدرة، غير أن تحليلات تكاليف دورة الحياة التي تجريها مجتمعات التصنيف تشير إلى فترات انتعاشية تتراوح بين 3 و7 سنوات للإنشاءات النموذجية، مدفوعة بوفورات في تكاليف الوقود، تشمل الصيانة.

التحديات التقنية والحلول الهندسية

ورغم الفوائد الواضحة، فإن النهج المشترك يستحدث تحديات تقنية يجب التصدي لها من خلال الابتكار الهندسي والتكيف التشغيلي.

التكامل الهيكلي

ويتطلب تركيب أبحار روتور أو أجنحة على متن سفينة قائمة تحليلا هيكليا دقيقا للسطح والهجوم لدعم الوزن الإضافي والحمولات الدينامية، ويمكن لأبحار الروتور أن تزن ما بين 20 و 50 طنا متريا، ويجب على المؤسسة أن تنقل القوى المحركة لـ 100 كيلونيوتن أو أكثر إلى الهيكل، وأن يكون تحليل العناصر الأساسية والرصد الهيكلي معيارا أثناء التركيب لضمان السلامة والامتثال لقواعد تصميم المجتمع.

تعقيد نظام المراقبة

ويتطلب تنسيق أجهزة المساعدة الريحية، والسيارات الكهربائية، والمولدات الكهربائية، ونظم إدارة البطاريات مستوى عال من التشغيل الآلي والمنطق غير الآمن، وفي حالة حدوث عطل في أجهزة الاستشعار أو فقدان في الاتصالات، يجب أن يتخلف النظام عن وضع طريقة تشغيل آمنة تحافظ على الدفع والمناورة، كما أن اختبارات البرمجيات المزودة بالأجهزة المحمولة، واختبارات قبول المصنع، هي أمور أساسية للتحقق من أداء المراقبة قبل التكليف.

الهياكل الأساسية للموانئ وشحنها

ولا تُستخدم هذه السفن إلا في عمليات كهرباء كهرباء الشحن، إذ تحتاج السفن إلى الوصول إلى الهياكل الأساسية لشحن السفن على جانب الشاطئ التي يمكن أن توفر عدة ميغاوات من الطاقة أثناء إقامة الموانئ، كما أن منشآت العزل الباردة أصبحت أكثر شيوعا في الموانئ الأوروبية وشمال أمريكا، كما أن اللجنة الدولية للكهرباء أصدرت برامج معيارية رقمية رقمها 80005-1 لنظم الربط بين الموانئ ذات التأثير العالي.

Economic Viability and Investment Landscape

وتتوقف الحالة الاقتصادية للدفع المشترك بالكهرباء على أسعار الوقود والتكاليف التنظيمية وموجز تشغيل السفن والحوافز المتاحة، حيث تذبذب أسعار وقود المستودعات بين 400 دولار و700 دولار للطن المتري والتسعير الكربوني، مما يضيف 50 إلى 100 يورو للطن الواحد من ثاني أكسيد الكربون، ويمكن أن يتجاوز مشروع قانون الوقود السنوي لسفينة كبيرة 5 ملايين دولار من دولارات الولايات المتحدة، ويحقق تخفيضاً بنسبة 20 في المائة وفورات تزيد على مليون دولار من دولارات الولايات المتحدة سنوياً، مما يبرر استثماراً.

وقد اعترفت مؤسسات التمويل، بما فيها مصرف الاستثمار الأوروبي والمقرضون التجاريون الذين يقدمون التمويل للسفن الخضراء، بالتكنولوجيات الكهربائية المدعومة بالرياح والمهجورة بوصفها تكنولوجيات مؤهلة لشروط قروض مواتية، كما أن مبادئ بوسايدون، التي تنسق تمويل النقل البحري مع أهداف المناخ، تشجع الاستثمار في حلول مع تخفيضات الانبعاثات يمكن التحقق منها.

الإطار التنظيمي والحوافز

إن مؤشر كفاءة الطاقة لدى المنظمة البحرية الدولية ومؤشر كثافة الكربون يفرضان متطلبات إلزامية للكفاءة وكثافة الكربون على السفن الموجودة، ويمكن للسفن المدعومة بالرياح أن تحقق الامتثال من خلال استخدام مخطط خصم الطاقة الريحية، الذي يسمح للسفن بخصم جزء من الدفع الذي توفره أجهزة الدفع الريحي عند حساب قيمها المتحقق منها في مجال الطاقة الكهربائية.

كما أن الحوافز الوطنية والإقليمية تؤدي دوراً في هذا الصدد، حيث تقدم الحكومة النرويجية الدعم الاستثماري للسفن التي لا تحمل أي انبعاثات من خلال صندوقها الخاص بعلامات النيتروجين وبرامج إنوفا، ويقوم الاتحاد الأوروبي بوضع خطة للصق السفن الخضراء التي توفر الأولوية في مجال الرعي وتخفض رسوم الموانئ للسفن التي تحقق من أداء الانبعاثات، وتخفض هذه الحوافز فترة السداد وتحسن حالة الاستثمار في النظم المشتركة بين الكهرباء والريح.

المستقبل المستقبل

إن مسار الدفع الكهربائي والريحي المشترك آخذ في الارتفاع، ويقوده نضج التكنولوجيا، والضغط التنظيمي، والطلب التجاري، وتصبح منشآت بحار الروتات على ناقلات السائبين وصهاريج السفن روتينية، وتنتقل مشاريع الإبحار من مفهوم إلى التشييد، وتستمر تكاليف البطارية في الانخفاض، وتزداد برمجيات إدارة الطاقة تعقيدا مع إدماج التعلم الآلي في مجال تحقيق الاستخدام الأمثل للطرق وتكامل التنبؤات الريحية.

وتشمل التطورات الناشئة استخدام محركات الزموثي التي تُستخدم بواسطة محركات كهربائية، إلى جانب أبحار أجنحة قابلة للانتقال من أجل المواقع الدينامية أثناء عمليات الشحن، مما يزيل الحاجة إلى المساعدة في الشحنات، وثمة اتجاه آخر يتمثل في كهربة نظم مساعدة مثل المضخات والمراوح والزجاجات، مما يزيد من تخفيض عبء المولدات الكهربائية ويوسع نطاق البطاريات، حيث أن هذه الابتكارات تتحول إلى تمييز بين السفن التي تُجمع بين الرياح والسفن.

كما تقوم صناعة الشحن باستكشاف خلايا الوقود لتوليد الطاقة الأولية باستخدام الهيدروجين أو الأمونيا كوقود، وتنتج خلايا الوقود الكهرباء ذات الكفاءة العالية والانبعاثات الصفرية عند نقطة الاستخدام، وعندما تقترن بنظم المساعدة الريحية، يمكن أن تعمل خلية الوقود في ناتج ثابت في حين تتولى الرياح الجزء المتغير من الطلب على الطاقة، مما يؤدي إلى وجود نظام تقريبا للدفع خال من الانبعاثات يمكن أن يعمل على الطرق العالمية.

ويمثل النشر المشترك للتكنولوجيات التي تدعمها الحركة الكهربائية وتكنولوجيات الدعم الريحي مسارا عمليا قريبا الأجل لتطهير صناعة النقل البحري من مركبات الكربون العميقة، وهذه التكنولوجيات ناضجة، والبيانات التشغيلية مقنعة، والحالة الاقتصادية تزداد مع ارتفاع تكاليف الوقود والكربون، ويكتسب ملاك السفن الذين يستثمرون الآن خبرة في مجال التكامل، ويحصلون على حوافز التبكير، ويضعون أساطيلهم في مواقع تحقق أهدافا متزايدة للانبعاثات، ولكن المستقبل لا يتعلق باختيار الصناعة البحرية.