احتمال قوة الشمس تكنولوجيات الزورق الكهربائي من أجل التنمية المستدامة النقل البحري

فالنقل البحري هو العمود الفقري للتجارة العالمية، ولكنه يمثل نحو ٣ في المائة من انبعاثات غازات الدفيئة العالمية - وهو رقم يمكن أن يرتفع بدرجة كبيرة دون تدخل، وتمثل القوارب الكهربائية ذات الطاقة الشمسية مسارا تحوليا نحو إزالة الكربون من صناعة النقل البحري، وتسخير ضوء الشمس لتوليد الكهرباء النظيفة، وتخفض هذه السفن الانبعاثات، وتخفض التلوث بالضوضاء، وتستكشف هذه المادة التكنولوجيا وراء قيود الانتشار الحقيقي للكهرباء الشمسية.

Understanding Solar-Electric Propulsion Systems

ويضم زورق كهربائي يعمل بالطاقة الشمسية ثلاثة نظم فرعية أساسية: لوحات فولطية ضوئية تلتقط ضوء الشمس، ومحركات كهربائية تقود الرافعة، ومصارف البطاريات التي تخزن الطاقة للاستخدام عندما يكون ضوء الشمس غير متاح، كما يمكن أن يشمل النظام أجهزة مراقبة الشحنات، والمحاسوب، وبرامجيات إدارة الطاقة من أجل تحقيق أقصى قدر من تدفق الطاقة، بخلاف محركات الديزل التقليدية، لا توجد صمامات ميكانيكية، ولا توجد ميكانيكية.

أفرقة فلطية صورية عن فيسيل

ويجب أن تتحمل صفائح الطاقة الشمسية البحرية رذاذ الملح، والاهتزاز، والظلام العرضي من التصلب أو الهياكل الخارقة، وقد ساد تاريخياً، وألواح البلوري الصلبة، ولكن المكاسب التي تحققت مؤخراً في الكفاءة تتجاوز 24 في المائة بالنسبة للخلايا الأحادية - التي عززت إنتاج الطاقة، بل إن لوحات الرش الراقية المرنة والألوحة المركبة ذات الوزن الخفيف أصبحت شائعة بشكل متزايد بالنسبة للسفن السطحية المصفقة.

محركات كهربائية وأجهزة سائق

أما لوحات الكهرباء الموجودة أو المحركات الداخلية فتقوم بتوصيل المزلاج الفوري والعملية الصامتة والصيانة شبه الصفرية مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلية، كما أن محركات السطو بدون طيار شائعة، حيث تزيد الكفاءة على 90 في المائة، وتزيل نظم الدفع المباشر صناديق الترس، وتزيد من الحد من الخسائر والضوضاء، كما يمكن أن تؤدي القاذورات الإبداعية (أو " تغذي الكهرباء " ) إلى الإبحار أو عندما تباطأبطأة.

Battery Energy Storage Systems

إن بطاريات الليثيوم -يون هي المعيار الذي تستخدمه التطبيقات البحرية بسبب كثافة الطاقة العالية (200-300 و/كغ) وحياة الدورة الطويلة، غير أن الإدارة الحرارية حاسمة لتجنب الحرائق، ولا سيما في مقصورات المحركات المغلقة، إذ تعد البطاريات الناشئة ذات الدول الصلبة بمضاعفة كثافة الطاقة مع تحسين السلامة، وقد توفر البطاريات التدفقية مزايا من حيث التكلفة بالنسبة للسفن التجارية الكبيرة التي تبلغ مساحتها 100 كيلو متر.

فوائد النقل البحري الذي يُمارس بدافع سولار

الحد من الأثر البيئي

وقد تنتج القوارب الكهربية الشمسية انبعاثات مباشرة صفرية - لا ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النيتروز أو السوكس أو الجسيمات - عندما تُحمَّل من مصادر الشبكة المتجددة، تنخفض انبعاثات دورة الحياة بنسبة 70-90 في المائة مقارنة بالديزل، ويُزال التلوث بالمياه من تسرب الوقود وتصريف الرش، كما يُخفض التلوث بالنواز انخفاضاً كبيراً، ويستفيد من الحياة البرية البحرية التي تعتمد على الصوت لأغراض الاتصالات والملاحة.

الوفورات في التكاليف التشغيلية

إن الوقود الكهربائي يخفض بشدة تكاليف الوقود، مما يمكن أن يمثل ٥٠-٦٠ في المائة من نفقات تشغيل السفينة، والطاقة الشمسية خالية بعد التركيب، والكهرباء من الطاقة الساحلية أرخص لكل ميل بحري من الديزل البحري في معظم المناطق، وتكاليف الصيانة أقل لأن المحركات الكهربائية لديها أقل أجزاء متحركة، ولا تغيرات في نظام النفط، ولا تصليحات نظام العادم، وعلى مدى فترة ٢٠ سنة، فإن تكلفة الملكية التقليدية تبلغ ٣٠ في المائة.

أمن الطاقة واستقلالها

فالزوارق ذات الطاقة الشمسية غير قادرة على تقلب أسعار النفط وتعطل الإمداد بها، وبالنسبة للجزر النائية ومصائد الأسماك والمجتمعات الساحلية، فإن توليد الطاقة الشمسية على متنها يقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري المستورد، ويقترن العديد من المشغلين بالطاقة الشمسية بتخزين البطاريات الساحلية والزجاجات المجهرية المتجددة لتحقيق الاستقلال الحقيقي للطاقة، كما أن هذا الاستقلال يعزز القدرة على التكيف أثناء الكوارث الطبيعية أو الأزمات الجيوسياسية.

الحد من الضوضاء والاحتجاز

وتكاد السيارات الكهربائية صامتة مقارنة بمحركات الديزل التي تهب بصوت عال وتبث الاهتزازات من خلال الهيكل، مما يحسن راحة الركاب ورفاه الطاقم، ويمكِّن العمليات في المناطق الحساسة بيئيا (مثل مراقبة الحوت والسياحة بالشعاب المرجانية).

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

القوارب والياكتس الترفيهية

وقد كان سوق الترفيه معتمدا مبكرا، إذ تنتج شركات مثل اليخت الصامت كاتماران بطول 60 قدما، يصل عدد اللوحات الشمسية إلى 42 كيلوواط، و 400 كيلوواط من طاقة البطارية، مما يتيح عبور الطائرات دون أن تحرق قطرة واحدة من الوقود، وتسمح الرحلات الجوية ذات اليوم الصغير والرواسب الكهربائية من علامات مثل X Shore وEvoy بالتوسع في البحيرات الأوروبية وفي المياه الساحلية.

مسافر فيريز

إن عبّارات الراكبين مثالية لتحويل الطاقة الشمسية الكهربية لأنها تعمل على طرق ثابتة ذات جداول قابلة للتنبؤ وفرص إعادة شحن منتظمة، أما شركة النرويج المتعددة العجلات، التي أطلقت في عام 2015، فهي عبارة عن عبّارة للسيارات الكهربائية ذات علامات بارزة، وهي تُستخدم من الشبكة باستخدام الطاقة الكهرمائية المتجددة - ليس مباشرة من الألواح الشمسية، ولكنها تمهد الطريق أمام تصميمات العجلات الكهربائية - 2.

سيارات بحرية تجارية

وتواجه سفن الشحن الأكبر حجما تحديات أكبر بسبب محدودية مساحة سطح السفينة مقارنة باحتياجات الطاقة، غير أن النظم الهجينة آخذة في الظهور، ويستخدم مراقب الطاقة، وهو زورق سباق سابق يتحول إلى مختبر عائم، خلايا الوقود الشمسية والريحية والهيدروجينية لتحقيق صفر من الانبعاثات، ويظهر أن النظم المتجددة مجتمعة يمكن أن تولد طاقة غير محدودة من طراز Corvus Energy supplement systems for hyselatd ferries and tug.

التحديات الرئيسية التي تواجه تكنولوجيا السفن الشمسية

كثافة الطاقة وضغوط الفضاء

وتلتقط الألواح الشمسية ما بين 150 و250 واط لكل متر مربع تحت ضوء الشمس الأمثل، ولخلق قوة دفع ذات معنى، تحتاج السفينة إلى مساحة كبيرة من سطح السفينة - أكثر مما هو متاح على هوايات ضيقة، وتحتاج سفينة شحن تتطلب 10 ميغاواط من الوقود إلى حد أقصى قدره 000 50 متر مربع من الألواح، وهو أمر غير عملي على حد واحد، وتضع نسبة التوسع الأساسية هذه في توجيه التعبئة الشمسية إلى سفن صغيرة.

الإعالة الطبيعية والجغرافية

فالغطاء السحابي والضباب والمطر وزوارق الشمس الشتوية تقلل بشكل جذري من توليد الطاقة الشمسية، وقد لا يحصل قارب يعمل في البحر الشمالي في كانون الأول/ديسمبر إلا على 20 في المائة من الطاقة الشمسية السنوية مقارنة بقارب في منطقة البحر الكاريبي، وتحتاج الألواح الممتدة إلى طاقة بطارية كبيرة أو مضيق طاقة احتياطية، ويجب على المشغلين أن يقاسوا البطاريات لأسوأ حالات التكاثر، مما يزيد من الوزن والتكاليف.

الفترة الأولية للاستثمار والاسترداد

وتتحمل نظم الطاقة الشمسية تكاليف أعلى في البداية: إذ يمكن أن يكلف قارب الاستجمام الكهربائي بالكامل أكثر من مكافئ الديزل بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، على الرغم من انخفاض الأسعار مع انخفاض تكاليف البطاريات، وبالنسبة للسفن التجارية، تتوقف فترة الانتكاس للارتقاء بالكهرباء على وفورات الوقود، والإعانات، ومعدلات الاستخدام، وفي المناطق التي توجد فيها ضرائب عالية على الديزل وحوافز خضراء سخية، يمكن أن تكون الأجور قصيرة إلى 3-5 سنوات؛ وفي أماكن أخرى قد تتجاوز قيمة الارتباكة 10 سنوات.

الهياكل الأساسية التنظيمية

إن مجتمعات التصنيف (DNV، وLloyd، وABS) لديها معايير التصديق لنظم البطاريات البحرية والمنشآت ذات التأثير العالي في العاصمة، ولكن العمليات لا تزال آخذة في التطور، فشحن الهياكل الأساسية في الموانئ هو مجرد مجموعة من المراسي في العالم توفر الطاقة الساحلية للزوارق الكهربائية، وإعادة تجهيز السفن القائمة أمر معقد بإدخال تعديلات هيكلية ضرورية على الأسلاك والبطارية، بالإضافة إلى أن دور الصيانة البحرية تقاوم التحول.

المنجزات والابتكارات التكنولوجية

الأفرقة الشمسية ذات الكفاءة العالية والمرونة

أما لوحات المركبات ذات الطراز الأول فتتحول الآن إلى أكثر من 24 في المائة من الطاقة الشمسية، وتولد الألواح الثنائية النسيج الكهرباء من كلا الجانبين عن طريق الاستيلاء على المياه المضللة أو على أحواض بيضاء تتراوح بين 10 و15 في المائة، وهي خلايا متعددة الزوابق (Gallium Arsenide) تستخدم في التطبيقات الفضائية تحقق كفاءة تتجاوز 40 في المائة ولكنها تظل باهظة التكلفة بالنسبة للاستخدام البحري، فإن الألواح الضوئية ذات النسيج ذات الصبغة المرنة ذات الفولية.

أخصائيو البطاريات المتقدمون

كما يفضل استخدام البطاريات من الفوسفات الحديدي الليثيوم بسبب استقرارها الحراري وحياة الدورة الطويلة (400 دورة +)، وهي أكثر ثقلا من السائل النيزكي (كوبالت النيكل) ولكنها أكثر أمانا وأكثر تكلفة، ويمكن أن تحزم بطاريات المياه الصلبة، التي تنمو تحت كبش فداء كوانتوم وسواحل أخرى، ضعف كثافة الطاقة، مع التخلص من مخاطر التدفق الكهروائي.

نظم الطاقة الهجينة والمساعدة

وتستعيد العديد من الزوارق الشمسية التي تستكملها الطوابق الريحية أو الهيدروجينات أو خلايا الوقود، بينما تستعيد سفن الطاقة الكثيفة الكثيفة الكثيفة التي تعمل على إنتاجها في شكل محركات كهربائية، وتسمح خلايا الوقود الهيدروجينية بأن توفر كثافة عالية من الطاقة للرحلات الطويلة: تولد خزانات الهيدروجين المجهزة وخلايا للوقود الكهرباء باستخدام محركات محركية مثلى.

نظم إدارة الطاقة الذكية

وتتوقع هذه النظم توليد الطاقة الشمسية استنادا إلى التوقعات الجوية، وترصد أحدث البطاريات الصحية، وتضبط تلقائيا قدرة الدفع لتجارب الطاقة المتاحة، وتشمل بعض النظم أساليب " المرساة الإلكترونية " التي تحافظ على موقعها بينما تشحن من الشمس، ويسمح الرصد عن بعد بواسطة مشغلي الأسطول الساتلي بأن يقوموا بتحليل أداء التصريف ويضبطوا الطرق على نطاق العالم.

مبادرات دعم السياسات والصناعة

استراتيجية (سان أوف) الأولية لغازات الدفيئة تستهدف تخفيضاً بنسبة 50% في انبعاثات الشحن بحلول عام 2050 من مستويات عام 2008 مما يدفع الاهتمام بسفن عدم الانبعاثات، ويشمل الاتحاد الأوروبي النقل البحري في نظامه التجاري للإنبعاثات من عام 2024، مما يجعل الاستثمارات الشمسية أكثر جاذبية من الناحية المالية، والإعانات الوطنية مثل ولاية النرويج للشحنة الصفرية، ومكافأة فرنسا لأجهزة الضغط على السفن الكهربائية - تبني نظام " زيك " .

المستقبل المرتقب للشحنات ذات الدفع الشمسي

وفي غضون العقد القادم، يمكننا أن نتوقع أن تصبح تكنولوجيا الطاقة الشمسية - الكهربائية جزءاً رئيسياً من السفن التي تقل عن 50 متراً - مركبات نقل، وسفن الصيد، وسفن الدوريات الساحلية، وبالنسبة للسفن الكبيرة التي تسير في المحيطات، فإن الطاقة الشمسية - التي تستخدمها السفن التي تستخدمها السفن، هي التي يمكن أن تكون مركبتها في أعماق البحار، كما أن هذه المركبات يمكن أن تسهم بنسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة من ممرات البرودرات الحرقة.

خاتمة

إن القوارب الكهربائية ذات الطاقة الشمسية أكثر من الفضول الخفيف؛ فهي تكنولوجيا ثابتة وسريعة للزراعة تعالج أكثر التحديات البيئية والاقتصادية إلحاحا في القطاع البحري، وفي حين أن كثافة الطاقة والحواجز في التكلفة لا تزال قائمة، فإن سرعة الابتكار في مجال الفولطيات الضوئية والبطاريات وتكامل النظام تشير إلى أن الطاقة الشمسية ستؤدي دورا محوريا في إزالة كربونات الشحن التجاري.