مقدمة

وتشهد الصناعة البحرية تحولا عميقا حيث تتحول نظم الدفع الكهربائي من تطبيقات النشوء إلى عملية التبني الرئيسية، وهذا التحول يُعزى إلى الحاجة الملحة إلى خفض انبعاثات غازات الدفيئة، والامتثال للأنظمة البيئية المشددة، وانخفاض التكاليف التشغيلية، ويحل الدفع الكهربائي محل محركات الاحتراق الداخلي التقليدية ذات المحرك الكهربائي الذي تُستخدمه البطاريات أو خلايا الوقود أو التشكيلات الهجينة، ولا يقتصر هذا التغيير على تغيير محركات الطاقة الكهربائية.

كيف تعمل نظم التبريد الكهربائي

وتشمل هذه المركبات التي تستخدم في الهواء الطلق إحدى التشكيلات الثلاث: جميع أنواع الطاقة الكهربائية (البطارية فقط)، أو الهجين (الطاقة الديزلية)، أو خلايا الوقود التي تعمل على توليد الطاقة الكهربائية، أو التي تعمل على توليد الطاقة الكهربائية ذات السرعة العالية، أو التي تعمل على توليد الطاقة الكهربائية، أو على نحو أكثر، والتي تعمل على توليد الطاقة الكهربائية ذات النطاقات الكهربائية، أو على نحو أكثر، وتجمع النظم الهيدروجينية مع محركات الطاقة الكهربائية

وتشمل المكونات الرئيسية مجموعات البطاريات (الليثيوم -يون هو أكثر المواد الكيميائية شيوعا)، ومحركات الدفع الكهربائي (المحركات المتزامنة الدائمة أو المحركات التمهيدية)، ومعدات توزيع الطاقة، وبرامجيات إدارة الطاقة، بخلاف السفن التقليدية التي يقود فيها المحرك مباشرة الناقل عن طريق فتحة، تفكك السفن الكهربائية توليد الطاقة من الدفع، مما يتيح وضعا أكثر مرونة للمكونات، ويقلل من الخسائر الميكانيكية.

الفوائد الرئيسية للعمليات البحرية

(ب) يمكن أن تؤدي هذه المركبات إلى زيادة سرعة تشغيلها، إلى إحداث تغيرات في الطاقة، وإلى انخفاض في سرعة تشغيلها، وإلى انخفاض مستوياتها في الطاقة، وإلى ارتفاعها في مستوياتها، وإلى ارتفاعها في مستوياتها.

تعديلات التصميم الخاصة بالإنتاج الكهربائي

ويتطلب الانتقال إلى الطاقة الكهربائية إعادة التفكير الأساسية في هيكل السفن، وتُستبدل غرف المحركات التقليدية التي تهيمن على قسم الوسط أو السطو بمجمعات البطاريات وغرف السيارات، ويورد هذا الفرع تفاصيل التغييرات الرئيسية في التصميم.

توزيع البطارية والزمن

إن نظم البطاريات ثقيلة وكثيفة، إذ أن مجموعة البطاريات التي تحمل الليثيوم تزن ما يقرب من 10 إلى 15 كيلوغراماً لكل كيلوواط، مما يعني أن تركيب 5 ميغاواط يزيد على 50 طناً، ويدخل في وضع مثل هذا الكتلة تغيراً كبيراً في مركز الجاذبية في السفينة، ويجب على المصممين توزيع وحدات البطاريات على مجموعات متعددة، وغالباً ما تكون منخفضة في الحد الأدنى لخفض وزن الكربون، ويحسن من الاستقرار.

تعزيز الهياكل الأساسية والإدارة الحرارية

إن مراكب البطاريات تحتاج إلى تعزيز هيكلي للتعامل مع الحمولات المركزة وتلبية معايير مقاومة الحريق، ويجب أن تمر السفن باختبارات حرائق صارمة (مثلاً، مدونة قواعد السلوك الخاصة بالإنجاب) وأن تدمج الحدود مع أجهزة التبريد الحرارية، لأن بطاريات الليثيوم تولد الحرارة أثناء الشحن والتدمير، ويجب أن تبقى في نطاق حرارة آمن (النظامانبي المبردة يتراوح بين 15 و 35 درجة مئوية).

نظم إعادة التوحيد والطارئ

وتعتمد نظم الدفع الكهربائي على الطاقة الكهربائية، وهذا الازدهار أمر أساسي، وتشمل معظم التصميمات سلاسل متعددة للبطارية ومحركات الدفع بحيث لا يترك أحد المكونات معوقا، كما أن لوحات مفاتيح التبديل في حالات الطوارئ والمولدات الاحتياطية (التي غالبا ما تكون ديزل) توفر الطاقة اللازمة لموجات التوجيه والملاحة ومعدات السلامة، ويجب أن يسمح الهيكل بعزلة الأخطاء والتدهور الماهر، مثلا، في نظام الدفع المزود بالصدمات.

اعتبارات الاستقرار

فالقابلية لل الاستقرار هي مصدر قلق رئيسي لأي سفينة، ويستحدث الدفع الكهربائي متغيرات جديدة يجب إدارتها بعناية.

مركز الجاذبية والهادئة الوسطى

فوضع مصارف البطاريات الثقيلة يؤثر تأثيراً كبيراً على مركز الجاذبية الرأسي، كما أن تخفيض درجة الحرارة في الغلاف الجوي يحسن الاستقرار الأولي )الزيادة في الارتفاع المائي، والآلية العالمية(، وهو أمر مفيد للاستقرار الدائر، غير أن الآلية العالمية يمكن أن تؤدي إلى استجابات شديدة وتسريع شديد في الموجات، مما قد يكون غير مريح أو خطير بالنسبة للطاقات والبضائع، ويجب أن يستهدف المصممون تحقيق أقصى قدر من وزن الآلية العالمية.

دال - الاستقرار الديناميكي أثناء العمليات

إن استجابة الدفع الكهربائي السريعة تؤثر على الاستقرار الدينامي، ويمكن للمتحكمين في السيارات أن يقدموا، أثناء فترات الارتفاع الحادة، تنبيها مضادا فوريا للحد من الثقوب، ولكن السيطرة غير السليمة قد تؤدي إلى تدفق كهربائي مفرط أو إلى اليوط، كما أن القاذورات الإبداعية يمكن أن تطبق أيضا قوات متفاخرة على الناقل، مما قد يسبب مشاكل استقرار في أعقاب البحار، ويجب أن تفسر نماذج المحاكاة هذه الآثار العابرة.

التحديات وتدابير السلامة

ورغم الفوائد، فإن الدفع الكهربائي يأتي بتحديات فريدة في مجال السلامة يجب التصدي لها من خلال تصميم قوي وبروتوكولات تشغيلية.

سلامة البطارية والهرب الحراري

(أ) يمكن أن تتعرض البطاريات ذات الصبغة الحرارية إذا تعرضت للتلف أو الإفراط في الشحن أو التعرض لدرجات حرارة عالية، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى حرائق يصعب إطفاؤها لأن البطاريات تحتوي على أكسدة خاصة بها ويمكن أن تعاد تشكيلها، وتشمل استراتيجيات التخفيف ما يلي: استخدام كيميائيات أكثر أماناً (مثلاً، أشعة الليثيوميوم الحديدية)

نظم قمع الحرائق

وقد لا تكون نظم إطفاء الحرائق البحرية التقليدية (كو2 رغاوى) مثلى لحرائق البطاريات، فالماء فعال لتبريد الخلايا المتاخمة ومنع إعادة التهريب، ولكن دخول المياه إلى مضبوطات البطاريات يمكن أن يسبب دوائر قصيرة، ولذلك فإن تصميمات كثيرة تستخدم مزيجا من ضباب المياه، والغاز غير المزر، والكشف المبكر، ويجب أن يكون النظام قادرا على العمل باستقلالية إذا أصبح الفضاء غير قابل للاحتراق.

عزل الكهرباء ومسحها

وتفرض نظم عالية التأثير في البلدان النامية (تمثل في 600-1000V) مخاطر الكهرباء، ويجب أن تكون جميع المعدات الكهربائية مزورة بشكل سليم، وأن تتأكد أجهزة رصد العزل باستمرار من الأخطاء الأرضية، وينبغي أن تكون مفاتيح التبديل المغلقة في حالات الطوارئ متاحة من مواقع متعددة، ويجب أن يحمي التصميم أيضا من مصابيح القوس ويوفر معدات الحماية الشخصية للطاقم، ويجب أن تمتثل استراتيجيات التجمع لقواعد المجتمع المحلي، مثل تلك الواردة في سجل [FLT:L.]

دراسات الحالة: التطبيقات العالمية الحقيقية

وقد بدأ بالفعل تشغيل الدافع الكهربائي في مجموعة متنوعة من أنواع السفن، مما يوفر التحقق من مبادئ التصميم في العالم الحقيقي.

شهادة المفرزة

إن العبوات القصيرة الأجل هي مرشحات مثالية بسبب طرقها التي يمكن التنبؤ بها والمكالمات المتكررة في الموانئ، مما يسمح بالشحن بين عشية وضحى مشروع E-ferry في الدانمرك يُظهر عبَّارة كهربائية كاملة تبلغ مساحتها 22 ميلا بحريا، باستخدام بطارية تبلغ 4.3 ميغاواط، وقد وضع التصميم البطاريات في الهيكل للحفاظ على الاستقرار، وحققت السفينة انبعاثات صفرية أثناء التشغيل، ومن الأمثلة الأخرى التي أبرزها " إلين " (اليد كل القيود الصارمة)

خزائن الدعم في الخارج

وكثيرا ما تستخدم سفن الإمداد بالسفن الخارجية الكهربية الهجينة لتقليل الضوضاء أثناء الوضع الدينامي ولتدبير الوقود أثناء المرور العابر، فعلى سبيل المثال، تستخدم سفينة الإمداد بالمنبر " سيفين فيكنغ " نظاما مختلطا بالبطارية يقلل استهلاك الوقود بنسبة 20 في المائة، ويحتاج التصميم إلى تكامل دقيق للمصارف داخل الهيكل للحفاظ على الاستقرار مع حمل حمولات متغيرة، كما يوفر النظام ذروة أعلى.

سفن الشحن والنظم الهجينة

وتعتمد سفن الشحن الأكبر نظماً كهربائية مهجورة أو مزودة بأجهزة كهرباء لعمليات الموانئ، وتصمم " يارا بيركلاند " سفينة حاوية مستقلة ذاتياً، وتتوفر فيها شبكة دفع شاملة لجميع الطاقات وبطارية من طراز MWh، وتحتوي تصميمها على غرفة بطارية تقع خلف الجسر، مع تعويض عن الوزن عن طريق الباليه، ومن المتوقع أن تخفض انبعاثات المولدات الكهربائية من ثاني أكسيد الكربون بدرجة كبيرة.

الإطار التنظيمي والاتجاهات المستقبلية

المنظمة البحرية الدولية والأنظمة الإقليمية

وتهدف الاستراتيجية الأولية للمنظمة البحرية الدولية بشأن خفض انبعاثات غازات الدفيئة من السفن إلى خفض كثافة الكربون بنسبة 40 في المائة بحلول عام 2030 مقارنة بعام 2008، ويمثل الدفع بالكهرباء تكنولوجيا رئيسية لتحقيق هذه الأهداف، وتصبح الأنظمة الإقليمية، مثل مبادرة الاتحاد الأوروبي البحرية لمركبات الوقود، حدوداً صارمة بشكل متزايد على كثافة غازات الدفيئة من حيث الغسل الجيد، وتصبح الموانئ مثل تلك الموجودة في النرويج وكاليفورنيا وبحر البلطيق، مستلزمات القدرة على الانتقال من الشاطئ إلى السفينة.

السلف في تكنولوجيا البطاريات

ويرتبط مستقبل الدفع الكهربائي ارتباطا وثيقا بكثافة الطاقة بالبطارية، والتكلفة، والدراجة، كما أن البطاريات ذات الولاية الصلبة، التي تعد بزيادة كثافة الطاقة وتحسين السلامة، يجري تطويرها، كما أن خلايا كبريت الليثيوم وكيمياء الصوديوم تظهر أيضا إمكانية، كما أن الإفطارات في التعبئة السريعة والشحن اللاسلكي يمكن أن تجعل من الممكن أن تؤدي إلى زيادة في حجم الوقود المستخدم في مسارات أطول.

نظم الحكم الذاتي وذكاء الذكاء

فالنقل الكهربائي يتكامل بطبيعة الحال مع التكنولوجيا الرقمية وتكنولوجيا السفن المستقلة، فالتحكم الدقيق في المحركات الكهربائية يتيح استخدام أجهزة التوليد الآلي المتقدمة وأجهزة تجنب الاصطدام، وتغذي نظم رصد البطاريات بيانات في نماذج الصيانة المتوقعة، وتخفض الوقت، وتعتمد السفن المستقلة ذاتيا مثل يارا بيركلاند، والأسمدة المستقلة في النرويج على الدفع الكهربائي من أجل الموثوقية وتيسير الرقابة.

خاتمة

فالدفع الكهربائي هو أكثر من استبدال المحرك؛ وهو يعيد تعريف فلسفة التصميم للسفن البحرية، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين فوائد خفض الانبعاثات، وانخفاض الضوضاء، ووضع مخططات مرنة لمواجهة تحديات وزن البطاريات، والإدارة الحرارية، والاستقرار، كما أن التصميمات الناجحة تدمج البطاريات والسيارات بطريقة تعزز استقرار السفن، بدلا من أن تلحق الضرر بها.