Table of Contents
وتتحول تكنولوجيا الدفع الكهربائي إلى عمليات بحرية، لا سيما في بيئات الموانئ التي تتجمع فيها الأنظمة البيئية، والضغوط على التكاليف، ومتطلبات الكفاءة، ويمثل التحول من محركات الاحتراق الداخلي التقليدية إلى محركات العجلات الكهربائية أحد أهم التغييرات في تصميم السفن والهياكل الأساسية للموانئ في قرن، حيث أن شبكات البطاريات والنباتات لا تتكيف فحسب، بل إنها تمر بإعادة تشكيل أساسية لشبكاتها الكهربائية، وهي في مرحلة النضج.
وتنتقل التجارة البحرية العالمية نحو 11 بليون طن من البضائع سنويا من خلال آلاف الموانئ، وتسهم السفن التي تتحكم في هذه الشبكة بنسبة 3 في المائة تقريبا من انبعاثات غازات الدفيئة العالمية، وتعطيل الشحنات القصيرة الأجل والأسمدة والقوارب وحرف الميناء مسارا مباشرا لتطهير أكثر قطاعات الأسطول كثافة في الموانئ، بالإضافة إلى الانبعاثات، تؤدي عملية الدفع الكهربائي إلى تغييرات في نوعية النقل البحري، وإلى خفض عبء الصيانة.
سائقو البيئة والتنظيم من أجل كهرباء الموانئ
ويرتكز الزخم الذي خلف الدفع الكهربائي على تشديد أنظمة الانبعاثات والأهداف الطموحة لتطهير الكربون، وقد حددت المنظمة البحرية الدولية هدفاً لخفض مجموع انبعاثات غازات الدفيئة من الشحن البحري بنسبة 50 في المائة على الأقل من مستويات عام 2008 بحلول عام 2050، حيث تفرض العديد من الموانئ والهيئات الإقليمية ولايات أشد صرامة، وتزيد من سرعة الضغط، حيث تؤثر محركات الديزل المزودة بأجهزة إضافية والمحركات الرئيسية في الموانئ على أكسيد النيتروجين.
وتقدم الآن عدة سلطات رئيسية في الموانئ رسوما مخفضة للمرفأ أو منح الأولوية للسفن التي لديها قدرات على عدم الانبعاثات، وتكافأ ميناء لونغ بيتش، من خلال برنامجه الخاص بالعلامات الخضراء، السفن التي تقلل السرعة وتستخدم الوقود الأنظف، وتتقاسم شركة الاتحاد الأوروبي لساعات التشغيل، وتشتمل على 55 مجموعة تدابير لتوسيع نطاق الاتجار بالانبعاثات ليشمل الشحن البحري، وتفرض فعليا أسعارا للكربون على السفن التي تنادي بالموانئ الأوروبية.
كما أن السفن الكهربائية تكتسب ميزة استراتيجية في الموانئ التي تُسمى مناطق غير احتواء بموجب أنظمة جوية نظيفة، فعلى سبيل المثال، تشترط كاليفورنيا أن تكون جميع سفن الموانئ الجديدة التي تباع أو تُشغَّل في الدولة بحلول عام 2035، خالية من الانبعاثات، وهذه الأنظمة غير معزولة؛ وتبرز جداول زمنية مماثلة في النرويج وهولندا وسنغافورة، وبالنسبة لمتعهدي الموانئ وخطوط الشحن التي تخدم هذه المناطق، فإن الاستثمار في نهج الدفع الكهربائي ودعم البنية التحتية القائمة على جانب الضرورة.
المنافع التشغيلية والاقتصادية للكهرباء
خفض تكاليف الوقود والصيانة
:: تحويل نظم الدفع الكهربائي إلى طاقة كهربائية مخزنة إلى قوة دافعة تزيد فيها الكفاءة عن 90 في المائة، مقارنة بما يتراوح بين 35 و 45 في المائة لمحرك وقود بحري نموذجي، وفي حين أن التكلفة الأولية للبطاريات والإلكترونيات الكهربائية لا تزال أعلى من تركيب المحركات التقليدية، فإن التكلفة الإجمالية للملكية على شبكات متجددة، ومعدلات دورة الحياة تصبح أكثر ملاءمة، ولا سيما بالنسبة للسفن التي لديها دورات كهرباء يمكن التنبؤ بها، وعمليات متوقفة باستمرار.
فالنفقة هي مجال آخر يحقق فيه الدفع الكهربائي وفورات قابلة للقياس، إذ أن المحركات الكهربائية لديها أجزاء أقل بكثير من محركات الاحتراق الداخلي، ولا توجد حقنات للوقود، أو أجهزة للسطو، أو حلقات للسطو، أو أجهزة الاضطرابات، أو نظم العادم بعد المعالجة، مما يؤدي إلى تحسين موثوقية شركات الشحن، وعدم وجود تغييرات في الزيت التشحيم، واستبدال المرشيح، وإصلاحات لنظم العادم، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف العمال وارتفاع مستوى توافر السفن.
تحسين القابلية للتمثيل وظروف الخيوط
وتوفر السيارات الكهربائية من طراز " لام " ، وهي تعطي السفن تعجيلاً ممتازاً وتوقف الطاقة، وهذه السمة قيمة خاصة بالنسبة للقوارب والأسمدة وغيرها من مركبات المرافئ التي يجب أن تنفذ مناورات دقيقة في مياه الموانئ المكتظة، كما أن حملات الضغط الكهربائية تزيد من تعزيز الرقابة على الاتجاهات، مما يسمح للسفن بالتناوب على الموقع والنهوج، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من المساعدة.
وتزداد ظروف العمل القائمة بشكل ملحوظ على متن السفن الكهربائية، حيث تهبط مستويات الضوضاء في غرف المحركات بنسبة تتراوح بين 20 و 30 حزاما، وتتم إزالة الاهتزاز تقريبا، ويساهم هذا الانخفاض في الضغط الصوتي والميكانيكي في انخفاض درجة حرارة الطاقم وتحسين الاتصالات وتحسين الوعي بالسلامة أثناء العمليات الحرجة، وبالنسبة للأسمدة وسفن الركاب، فإن عدم وجود ضوضاء على محرك الديزل والعادم يؤدي إلى تعزيز تجربة الركاب بصورة مباشرة ويمكن أن يسوق كقسط من جانبه.
طلبات الهياكل الأساسية على المحاجر الكهربائية
ويفرض الاعتماد الواسع النطاق للكهرباء مطالب جديدة كبيرة على البنية التحتية الكهربائية في الموانئ، وخلافا للزيادة التدريجية في الطاقة الساحلية للسفن الممزقة، يتطلب الدفع الكهربائي شحنات عالية من الطاقة أثناء السفينة، وفترة زمنية، قد تكون قصيرة لمدة تتراوح بين 15 و 30 دقيقة بالنسبة للعربة أو بضع ساعات بالنسبة لشبكة التوغ، وتتجاوز احتياجات الطاقة هذه إلى حد بعيد الحمولات الكهربائية النموذجية، وكثيرا ما تتطلب تحسين الهياكل الأساسية.
نظم الشحن ذات الصلـة العالية على أساس السلام
وتُعد الموانئ نظماً للشحن تُقيَّم في 1 إلى 6 ميغاواط أو أكثر، مع بعض التصميمات التي يمكن تجنبها في المستقبل والتي تستهدف 12 ميغاوات للسفن الأكبر، وتشمل هذه النظم أسلحة وصل آلية، وآليات لإضافة الشاحنات الآلية، وبرامجيات متقدمة لإدارة الطاقة لتفادي تحميل الشبكة، ويجب أن يصمد التركيب المادي أمام البيئات البحرية، بما في ذلك رذاذ الملح، والرطوبة، وحركات الشحنات الناشئة
كما يجب أن يكون تصميم البنية التحتية للشحن في البيرث بمثابة قياسات جيولوجية السفن ونطاق المد والجزر، فالحدود، مثلا، تتطلب رسم نقاط تتواءم مع قوس أو جانب السفينة على المدين المرتفع والضعيف على حد سواء، ويجري نشر الشحنات المجهزة بالحواجز أو حلول منصة العائمة في الموانئ التي لا يمكن فيها استخدام البنية التحتية الثابتة بسبب التباينات الشديدة المدوية أو عمق المياه الضحلة.
منظمة تنمية القدرات وإمدادات الطاقة
وقد صممت معظم الشبكات الكهربائية الموجودة في الموانئ للإضاءة، ورافعات الحاويات، والمضخات، وحلقات العمل الصغيرة، وليس للتظاهرات التي تشحن على نطاق ميغاوات، ولتمتص الحمولات الجديدة، تستثمر الموانئ في خطوط التوزيع المحسنة، والمحولات الجديدة، والمحولات المتخصّصة المتوسطة الحجم، وفي بعض الحالات، تُتيح الموانئ بناء مرافقها الفرعية للربط المباشر بشبكة النقل الإقليمية.
وقد أصبح تخزين الطاقة في الموقع عنصراً قياسياً في استراتيجيات كهربة الموانئ، إذ إنَّه بفرض حاجز بطاري كبير بين الشبكة والهياكل الأساسية للشحن، يمكن للموانئ أن تتجنب رسوم الطلب، وتفريغ كميات الذروة، وتوفير الدعم في حالات الطوارئ، ويمكن لنظام التخزين أن يُحمَّل ببطء من الشبكة خلال ساعات العمل خارج الشبكة، ثم يُنفَّذ بسرعة لتلبية احتياجات السفينة القادمة من الطاقة، كما أنَّ هذا الهيكل يتيح لموانئ روتردام المشاركة في برامج الاستجابة للطلبات وأسواق تنظيم الترددات.
التعديلات والتكامل الكهربائي على متن الطائرة
وفيما عدا النظام الكهربائي، يجب أن تعدل الموانئ البذور مادياً لاستيعاب السفن الكهربائية، ويشمل ذلك تعزيز هيكلي للمستقبِلات المتوقفة للشحن، وخطوط إدارة الكابلات، وأجهزة الحماية حول معدات الشحن، ويجب تقييم سطح البيرث لتلبية احتياجات العزل الكهربائي وضبط الأرض التي تتطلب نظماً ذات نفوذ عال، وفي بعض الحالات، يقع هيكل السفن المتجهة إلى أسفل سطح السفينة أو مركبها الرئيسي.
وعلى جانب السفينة، يتطلب الدفع الكهربائي إعادة التفكير الكاملة في توزيع الطاقة على متن السفينة، حيث يحتل البطاريات حجماً كبيراً وكتلة، ويجب أن ينظر وضعهم في الاستقرار واحتواء الحرائق والوصول إلى الإدارة الحرارية، كما أن معظم السفن الكهربائية تستخدم الكيمياء الفوسفاتية الحديدية لليثيوم من أجل استقرارها الحراري وحياة الدورة الطويلة، ولكن تصميمات العبوات تتباين تبايناً كبيراً، ويجب أن يتكامل نظام البطاريات المصمم مع تركيبات الكهربائية.
التحديات في الانتقال إلى الانتظام الكهربائي
الاستثمار الرأسمالي المرتفع
ولا تزال التكلفة الأولية لنظام الدفع الكهربائي تشكل أكبر عقبة أمام الاعتماد الأوسع نطاقا، إذ يمكن أن تزيد تكلفة العبارة البطارية على ما يتراوح بين 30 و 50 في المائة من مكافئ الديزل، حيث أن مجموعة البطاريات وحدها تمثل جزءا كبيرا من القسط، أما بالنسبة للسفن التي تعمل على هامش ضيق، فإن هذه النفقات الرأسمالية يمكن أن تكون صعبة دون إعانات أو قروض منخفضة الفائدة أو وفورات تشغيلية طويلة الأجل مضمونة.
وقد بدأت نماذج التمويل تبرز لنشر هذه التكاليف على أصحاب المصلحة، حيث تعتمد بعض الموانئ نموذجاً للمنافع حيث تمتلك وتدير البنية التحتية لشحن السفن وتبيع الكهرباء لمشغلي السفن على أساس كل شحن، على غرار رسوم المركبات الكهربائية السريعة، ويقلل هذا الهيكل من العبء المالي على فرادى خطوط النقل البحري ويتيح للميناء تحقيق وفورات الحجم.
النضج التكنولوجي والحدود الجبلية
وفي حين تحسنت كثافة الطاقة البطارية بشكل كبير، فإنها لا تزال تفرض قيودا على النطاق والتحمل تحد من الدفع الكهربائي إلى بعض أجزاء السفن، بينما تقدم السفن التي تستخدم فيها أجهزة نقل البضائع في أعماق البحار والتي تقل مسالكها عن 20 ميلا بحريا، وسفن النقل البحري الداخلية القصيرة، وحواجز النقل المائية الداخلية، في حدود القدرة الحالية على البطاريات، إلا أن سفن الحاويات في أعماق البحار وأجهزة الصهاريج التي تعمل على معالجة الشحنات العابرة للمحيطات، لا تزال خارج النطاق العملي.
كما تثير تواتر البطاريات في البيئات البحرية تساؤلات، إذ أن الاقتحامات في المياه المالحة، والهزات، والحركة المستمرة، ودرجة الحرارة القصوى تتسارع في التدهور، ويجب على مشغلي البيع أن يخططوا لدورات استبدال البطاريات تتراوح بين 8 و 12 سنة، رهنا بتواتر الشحنات وعمق التصريف، ولا تزال مفاهيم تبادل البطاريات الموحدة، حيث يتم إزالة العبوات المستنفدة واستعيض عنها بوحدات المحملة الكاملة، يمكن أن تعالج القيود المفروضة على إدارة المخزون بالنسبة لأنواع الأساسية،
معايير التدريب والسلامة في مجال القوة العاملة
ويستحدث الدفع الكهربائي نظما وخطرا لا يدرب الموظفون البحريون عادة على الإدارة، وتحتاج نظم البلدان النامية ذات الحركة العالية التي تعمل بـ 600 إلى 1500 فولت إلى تدريب متخصص في مجال السلامة الكهربائية للملاحين وكهرباء الموانئ وأطقم الصيانة الساحلية، كما أن مخاطر الوميض والأحداث التي تدور على الممر الحراري للبطارية وإجراءات الإغلاق الطارئة تختلف اختلافا كبيرا عن تلك المرتبطة بمحركات الديزل.
ويجب أيضاً أن تستعد إدارات إطفاء الموانئ وأفرقة الاستجابة لحالات الطوارئ للحوادث التي تنطوي على بطاريات الليثيوم -يون، وتحتاج هذه الحرائق إلى عوامل مختلفة للقمع وأساليب مختلفة من حرائق الهيدروكربون، كما أن إمكانية إعادة الشحن بعد الإطفاء تشكل تحديات فريدة، وتستثمر الموانئ في كاميرات التصوير الحراري، وبطانات حرائق خاصة بالبطارية، وتمارس التدريب على بناء قدرات الاستجابة.
التوقعات المستقبلية والنظر في المسائل الاستراتيجية
توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل
وتتوقف إمكانية استمرارية الدفع الكهربائي في الأجل الطويل على وضع واعتماد معايير مشتركة للشحن عبر الموانئ وأنواع السفن، ومن شأن نظم الملكية المجزأة أن تخلق الاحتكاك التشغيلي، وتجبر السفن على حمل أنواع متعددة من الموصلات أو تحد من قدرتها على الاتصال في مختلف الموانئ، وتعمل اللجنة الدولية للكهرباء على وضع معيار شامل لشحن السفن على جانب الشاطئ، ويغطي عوامل الامتثال للطرق، وبروتوكولات المتعلقة بالسلامة.
التكامل مع الطاقة المتجددة والزجاجات الصغيرة
وترتبط المنافع المناخية للدفع الكهربائي ارتباطا مباشرا بكثافة الكربون في الكهرباء المستخدمة في الشحن، ويمكن للموانئ التي تستثمر في الموقع للطاقة الشمسية أو الرياح أو توليد المد أن تحقق انبعاثات شبه صفرية لعمليات أسطولها الكهربائي، وتوفر محصولا تعمل بالبطارية تجمع بين توليد الطاقة المتجددة، وتخزين البطاريات الثابتة، وأجهزة التموين الذكية التي يمكن أن تعمل بشكل مستقل عن الشبكة الإقليمية خلال فترات الذروة أو فترات انقطاع الشحن.
وتوفر الهيدروجين الأخضر المنتج عن طريق التحلل الكهربائي مسارا آخر للموانئ التي لا تستطيع تركيب توليد الطاقة المتجددة الكافية، وفي حين أن خلايا الوقود الهيدروجينية لا تتنافس بعد على التكلفة مع البطاريات التي تستخدم في التطبيقات القصيرة المدى، فإنها يمكن أن تُستخدم في تشغيل السفن البعيدة المدى أو كناقل للطاقة للموانئ التي تفتقر إلى القدرة على الشبكة، وهناك بضعة موانئ، منها ميناء أنتويرب - بروغ، تقوم ببناء مرافق إنتاجية للهيدروجينات ومحركات النقل.
الآثار المترتبة على القدرة التنافسية للميناء
وتضع الموانئ التي تستثمر مبكرا في البنية التحتية للدفع الكهربائي نفسها كبوابات مفضلة للجيل القادم من السفن النظيفة، ويتزايد في تحديد الجهات التي تخطط للشحنات الجديدة ترتيب أولويات الطرق مع توافر الشحنات المضمونة، كما أن الموانئ التي تفتقر إلى مخاطر البنية التحتية التي تتخطىها خطوط الشحن الواعية بيئيا، كما أن الموانئ الأولى تجتذب مجموعات التصنيع والخدمات والابتكارات، مما يخلق منافع اقتصادية محلية تتجاوز العمليات البحرية الشاملة.
وعلى العكس من ذلك، فإن الموانئ التي تؤخر تحديث الهياكل الأساسية تواجه خطر التخلُّص التدريجي من الأصول المكبوتة، أو إعادة توجيه السفن التي تعمل بالديزل، ولن يحدث الانتقال بين عشية وضحاها، ولكن الاتجاه واضح: فالضغوط التنظيمية، والالتزامات باستدامة الشركات، وانخفاض تكاليف البطاريات، تقارب لجعل الدفع الكهربائي خياراً رئيسياً بالنسبة لبعض شرائح السفن خلال العقد المقبل، وستؤدي الموانئ التي تبدأ تخطيط الشبكات، ومشاركة أصحاب المصلحة، وتقييمات الموقع إلى التعجيل الآن.
دور فيسلس المتمتعة بالحكم الذاتي والمراقبة عن بعد
إن بسط وموثوقية عناصر الحركات الكهربائية تؤدي إلى تضافر الجهود الطبيعية مع تطوير نظم بحرية مستقلة وتحكمها عن بعد، مما يقلل من عدد نقاط الفشل التي يجب أن تعالجها نظم الرقابة المستقلة، كما أن مراقبة الحركة السريعة ومرور وقت الاستجابة السريعة من المحركات الكهربائية تتيح التلقائية، وعقد الدورات، وتجنب الاصطدام الذي هو مركزي في التشغيل المستقل، وتظهر عدة نماذج رائدة، بما في ذلك مشاريع التخمير الكهربائي في فنلندا واليابان.
ملاحظات ختامية
إن كهربة عمليات الموانئ ودفع السفن هي تحول هيكلي مستمر بدلا من التنبؤ البعيد، وكل عبّارة جديدة تعمل بالبطارية في الخدمة، وكل تركيبة ذات قوة عالية، وكل ولاية تنظيمية تُسنّى زخما نحو نظام بحري خال من الانبعاثات، ولا يعتبر الطريق بسيطا ولا غير مكلف، ولكن الجمع بين الضرورة البيئية والمزايا التشغيلية والتقدم التكنولوجي يجعل من الدفع بالقوى العاملة في القرن الحادي والعشرين قوة دافعة للكهرباء.