Table of Contents

الحاجة إلى تنفيذ نظام البحرية المستدامة

وتمثل النقل البحري العالمي ما بين 2 و3 في المائة تقريبا من جميع انبعاثات غازات الدفيئة البشرية المنشأ، وهي مسؤولة عن كميات كبيرة من أكاسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين ومسألة الجسيمات، حيث تُستخدم المنظمة البحرية الدولية في تخفيض الانبعاثات بنسبة 50 في المائة مقارنة بمستويات عام 2008، تتعرض الصناعة لضغط هائل لإلغاء الكربون، ومن بين التكنولوجيات الناشئة، توفر أجهزة الدفع بالطاقة الشمسية مسارا قاهرا نحو تطبيقات الدفع الصفرية،

ما هي "الثورات" ذات الصلصة؟

إن المحركات ذات الطاقة الشمسية هي نظم الدفع التي تحول الطاقة الفلطائية الضوئية مباشرة إلى الدفع الميكانيكي، ويشمل الهيكل الأساسي الألواح الشمسية المثبتة على سطح السفينة أو المدمجة في هياكل أساسية للسفن، ونظام لإدارة الطاقة، وتخزين البطاريات، ومحركات السيارات الكهربائية التي تقود الدفع أو الطائرات المروحية المائية، بخلاف محركات الاحتراق الداخلي التقليدية التي تحرق زيت الوقود الثقيل أو الديزل البحري، لا تنتج هذه النظم أي انبعاثات من العادم أثناء التشغيل.

العناصر الأساسية لنظام ثورستر الشمسي

  • Photovoltaicصفائف:] Typically monocrystalline or polycrystalline silicon panels, but little-film and bifacial panels are gaining traction for their flexibility and efficiency in low-light conditions.
  • Maximum power point tracking (MPPT) controllers:] Optimize the voltage and current from solar panels to maximize energy harvest under varying sunlight.
  • Battery energy storage systems (BESS): ] Lithium-ion, LFP, or emerging solid-state batteries store excess solar energy for propulsion during nighttime or cloudy periods.
  • Electric drive motors:] Permanent magnet coincidehronous motors (PMSM) or induction motors coupled to propellers or azimuth pushers.
  • Power management system (PMS):] Intelligently balance solar input, bat state-of-charge, and propulsion demand to ensure reliable operation.

وتشمل بعض التصميمات أبحار شمسية أو أجنحة صلبة تضاعفها كسطح فولطية الضوئية، وتجمع بين الإيرودينامي والطاقة الشمسية، وتستخدم أخرى تشكيلات هجينة حيث تكمّل الطاقة الشمسية محطة كهربية تداول الديزل التقليدية، مما يقلل استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 10 و30 في المائة حسب الطريق والتعقيم.

مزايا الاشتراع البحري ذو القوة الشمسية

وتعطي عملية اعتماد محركات الطاقة الشمسية فوائد متعددة تتجاوز خفض الانبعاثات، وتفصل الأقسام الفرعية التالية المزايا الرئيسية لملاك السفن والمشغلين والبيئة.

جيم - المكاسب البيئية

إن الدافع الشمسي يزيل انبعاثات الاحتراق المباشر أثناء العمليات التي تعمل بالطاقة الشمسية، كما أن السفينة التي تعمل فقط على الطاقة الشمسية تنتج صفرا من ثاني أكسيد الكربون، وثوكس، وسوكس، وجوز الجسيمات، وحتى في حالة النمط الهجين، مما يزيل جزءا من الوقود الديزلي يخفض مجموع انبعاثات دورة الحياة، وعلى سبيل المثال، فإن العبارة 100 متر التي تعمل في منطقة مشمسة مثل البحر الأبيض المتوسط يمكن أن تتجنب 200 إلى 500 طن من التلوث البحري، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون سنويا.

خفض التكاليف التشغيلية

وتستأثر تكاليف الوقود بنسبة 30 إلى 60 في المائة من نفقات تشغيل السفينة، والطاقة الشمسية، بمجرد أن يتم الاستثمار الرأسمالي، تكون مجانية، وتكاليف الصيانة للمحركات الكهربائية أقل من تكاليف المحركات التبادلية، مع انخفاض عدد قطع الغيار، وعدم حدوث تغيرات في النفط، وعدم حدوث أي استنفاد بعد نظم العلاج، كما أن البطاريات لها تكاليف منخفضة، حيث انخفضت أسعار عبوات الليثيوم إلى أقل من 100 دولار/كيلوواط في عام 2024، مما يجعل مجموع تكلفة الملكية التنافسية المتزايدة.

استقلال الطاقة والقدرة على التكيف

يمكن للسفن العاملة في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي (مثل الخليج الفارسي وجنوب شرق آسيا ومنطقة البحر الكاريبي) أن تسخر الطاقة الحرة الوفيرة، مما يقلل من الاعتماد على أسواق الوقود الأحفوري المتقلبة، ويمكن للألواح الشمسية أن تشحن البطاريات من أجل حمولات إضافية، وأن تقلل من سرعة تشغيل المولدات وانبعاثات الموانئ، وهذا يتوافق مع أنظمة خفض انبعاثات الموانئ، مثل تلك الموجودة في مبادرة الاتحاد الأوروبي بشأن الوقود البحري.

الامتثال التنظيمي

مؤشر كثافة الكربون لدى المنظمة البحرية الدولية ومؤشر كفاءة الطاقة الموجودان يقودان الحاجة إلى عمليات كربون أقل، ويمكن للقاذفات الشمسية أن تساعد السفن على تلبية هذه المتطلبات، خاصة بالنسبة للسفن العاملة في المياه القريبة من الكياسات أو المأوى حيث السرعة أقل أهمية، علاوة على أن إدراج الاتحاد الأوروبي للانبعاثات البحرية في حافز نظام تبادل الانبعاثات المباشر.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من الوعد، فإن القوى المحركة بالطاقة الشمسية تواجه عقبات تقنية واقتصادية وتشغيلية هامة يجب التصدي لها من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

تداخل الطاقة وكثافة الطاقة

الطاقة الشمسية متقطعة ومتغيرة بطبيعتها، ففي يوم واضح على مستوى البحر، قد تتلقى السفينة ٤-٦ كيلوواط/م٢ يوميا من التعطيل، ولكن السحب والعواصف والحد من توافر الطاقة، وكثافة ضوء الشمس منخفضة بالمقارنة بالوقود الأحفوري: يمكن لمحرك الديزل أن ينتج ١٠-٢٠ كيلوواط/كغم من الوقود، بينما قد تولد ١٥٠ كيلو متر مربع

التكامل مع تصميمات السفن القائمة

وتتطلب إعادة تجهيز السفن الموجودة ذات النطاقات الشمسية دراسات هندسية لضمان السلامة الهيكلية، وتوزيع الوزن، والتكامل الكهربائي، وتعزيز سطح الأرض، وربط القنوات بالكابلات، وسلامة حرائق البطاريات (المسار الحراري بالأليثيوم) إضافة تكاليف وتعقيدات، ويمكن للتصميمات الجديدة أن تدمج الطاقة الشمسية في هيكل الهيكل الهضمي أو تستخدم مركبات الوزن الخفيف، ولكن هذا يضيف نفقات رأسمالية.

مقايضة تخزين البطاريات

فبالنسبة للسفينة التي تحتاج إلى 10 ميغاواط من التخزين لتغطية ممر ليلي، يمكن أن يتجاوز وزن البطاريات 100 طن، مما يقلل من حمولة الشحنات، وفي حين أن كثافة الطاقة في البطاريات آخذة في التحسن، فإن تكنولوجيات الليثيوم الحالية لا تزال دون الكثافة الكبيرة والجرافية اللازمة للشحن الطويل المدى.

القدرة التنافسية للتكاليف

فالاستثمار الأولي لنظام الدفع بالطاقة الشمسية يمكن أن يكون أعلى من تركيب الديزل التقليدي بواقع ٢-٤ مرات، حسب حجم البطاريات ومنطقة الألواح، ولا يمكن أن تكون فترات استرداد الأجور التي تتراوح بين ٥ و ٠١ سنوات إلا على الطرق التي تكون فيها أسعار الوقود مرتفعة، وضوء الشمس، وساعات التشغيل السنوية المرتفعة، وبدون إعانات أو تسعير الكربون، فإن الكثير من ملاك السفن يترددون في الاستثمار، غير أن انخفاض تكاليف البطاريات وتحسين أوجه الكفاءة.

التطبيقات الحالية ودراسات الحالات الإفرادية

الدفع الشمسي يعمل بالفعل في عدة أجزاء من النيتش، إثبات صلاحية التكنولوجيا وتقديم بيانات العالم الحقيقي للتوسع.

الأسمدة الشمسية

(الخط الياباني لـ(نيبون يوسين كايشا (NYK) اختبار Aurora ، حاملة سيارات تعمل بالطاقة الشمسية بـ 240 كيلوواط من الألواح الفولطية، تحقق وفورات في الوقود على الطرق الساحلية بنسبة 10 إلى 15 في المائة، وفي أستراليا، فإن ] Solar Sailor

البحوث والسيارات

The Race for Water] catamaran, a solar and hydrogen hybrid vessel, circumnavigated the world using solar panelgen to produce hydrogen for fuel cells during low-light periods. More practically, the ]M/V Estrella del Sur, a 30-meter cargo propth to Spain

المشاريع التجارية الناشئة

(الطاقة الشمسية) (الطاقة الشمسية) (الطاقة الشمسية) (الطاقة الكهربائية) قد طورت أبحاراً دوارة مقترنة بلوحات شمسية، بينما [مبادرة (FLT:2] (Oceanvolt) () توفر نظماً للحركة الكهربائية لليخوت البحرية يمكن أن تُعزز بالصفائف الفولية.

ونظراً أعمق إلى البيانات التشغيلية من هذه المشاريع، يقدم التقرير البحري للوكالة الدولية للطاقة نقاطاً مرجعية شاملة [تقرير الشحن الدولي] .

التطورات والابتكارات الأخيرة

وتعمل مؤسسات البحوث والجهات المصنعة بنشاط للتغلب على القيود المفروضة على الدفع البحري بالطاقة الشمسية، وتشمل أوجه التقدم الرئيسية في السنوات القليلة الماضية خلايا شمسية ذات كفاءة أعلى، وتكامل لوحات الوزن الخفيف، وإدارة الطاقة المتقدمة.

التصويبات الفوتولية ذات الكفاءة العالية

وتتجاوز خلايا الترسب المسالكي (Povskite-silicon) الآن 30 في المائة من الكفاءة في المختبرات، مما قد يضاعف ناتج الطاقة لكل متر مربع مقارنة بالوحدات البحرية الموحدة.() وتزيد الأفرقة الثنائية التي تلتقط الضوء من كلا الجانبين من إنتاج الطاقة بنسبة 10 إلى 20 في المائة، ولا سيما في أسطحها المعاكسة.() وتخفض الشركات مثل Sunpower

نظم إدارة الطاقة الذكية

ويجري نشر خوارزميات تعلم الآلات للتنبؤ بالجيل الشمسي استنادا إلى التنبؤ بالطقس، وتحقيق الحد الأمثل للفصل بين الدفع المباشر وشحن البطاريات، كما أن توازن الحمولة في الوقت الحقيقي يسمح للسفن بـ " حجاب البحر " - باستخدام الطاقة الشمسية لتلبية الطلبات المرتفعة على شبكات التبريد أثناء التسارع دون الاستفادة من البطاريات، مما يتيح بقاء السفن على متن السفن.

التجمعات الهجينة مع خلايا الوقود

وهناك مسار واعد يجمع بين أجهزة الدفع الشمسية وخلايا وقود الهيدروجين للزمن الليلي أو المدى الممتد، بينما تنتج الألواح الشمسية الهيدروجين عن طريق التحلل الكهربائي أثناء النهار، وتخزن في خزانات الهيدروجين المضغوطة أو السائلة، وفي الليل، فإن خلايا الوقود تحول الهيدروجين إلى الكهرباء بكفاءة 50-60 في المائة، بينما أثبت مشروع FSO Waikato في نيوزيلندا.

التصميمات المتقدمة للهول والهجر

وتصمم السفن الجديدة المجهزة بجلود شمسية متكاملة - هي حرائق ذات طابع صبغي مرن تتفق مع السطح المكشوف، بما في ذلك جانبي الهضبة، والمخزانات، وحتى قمم الحاويات، وتضيف هذه الألواح الشمسية أدنى وزناً وسحباً جوياً، فمثلاً، تُدرج S2 H-Ocean الحمولة رقيقة من النرويج

لفحص تقني للتكامل الشمسي في الشحن البحري، دراسة الوكالة الأوروبية للسلامة البحرية مصدر موثوق [دراسة الطاقة الشمسية لوكالة إمسا] ].

التوقعات المستقبلية وخرائط الطريق

ومن المرجح أن يتبع اعتماد محركات الدفع بالطاقة الشمسية مسار نمو تدريجي، مدفوعا بالضغط التنظيمي، وتخفيض التكاليف، والنضج التكنولوجي.

زهاء الساعة )٢٠٢٥-٢٠٣٠(: التطبيقات المهجورة

وفي السنوات الخمس القادمة، ستصبح محركات الطاقة الشمسية معياراً على سفن صغيرة إلى متوسطة تعمل في طرق مشمسة يمكن التنبؤ بها، وتمثل الخيول ورسوم المياه والثلاجات الداخلية الفاكهة المنخفضة الارتداد لأنها لديها جداول ثابتة وتمويل عام للمشاريع الخضراء، وتوقف الموانئ المتكررة عن الشحن، وتهيمن عليها أجهزة إعادة الشحن الهجينية، وتساهم في ذلك بنسبة تتراوح بين 10 و 30 في المائة من إجمالي تكاليف الشحنات الكهربائية على السفن الساحلية.

منتصف المدة (2030-2040): التصعيد والتوحيد

حيث تصل كثافة الطاقة البطارية إلى 400-500 وكيلوغرام من الزئبق وتصل كفاءة الألواح الشمسية إلى 35 في المائة (ربما عبر خلايا التانديم) يمكن أن توفر الطاقة الشمسية 50-70 في المائة من طاقة الدفع لسفن السفن القصيرة السلسلة إلى 000 5 من البطاريات المزودة ببطاريات الديوت، وسوف تكون لدى جمعيات التصنيف الدولية قواعد شاملة لنظم الطاقة الشمسية، وتخفيض مخاطر التصديق وتكاليف التأمين.

Long-Term (2040+): Deep Decarbonization

وبالنسبة للشحن في أعماق البحار، فإن المحركات الشمسية وحدها قد لا توفر الدفع الأولي عبر المحيط الهادئ، ولكنها متكاملة كجزء من نظام متعدد الطاقة (العزل، وأجهزة المساعدة، ومركبات الهيدروجين/الآمونيا الوقودية)، يمكن أن تقلل من الطلب الكلي على الوقود الأحفوري، ويمكن أن تولد الألواح الشمسية على سفن الحاويات الكهرباء الكافية لتوليد الطاقة في أحمال الفنادق التابعة للسفن ونظم المرافقة، بينما يأتي الدفع الرئيسي من الصمام الأخضر أو الأمونيا.

السياسة ستكون المعجلة الرئيسية إذا اعتمدت المنظمة البحرية الدولية هدف عدم الانبعاثات لعام 2050 وتصل أسعار الكربون إلى 200/تيك2، الحالة الاقتصادية للقوى الشمسية على معظم أنواع السفن تصبح قوية، والدفعة الأخيرة للبرلمان الأوروبي من أجل متطلبات الشحن هي التي تؤكد هذا المسار.

خاتمة

وتمثل محركات الدفع بالطاقة الشمسية تكنولوجيا قابلة للتطبيق ومتزايدة الجذب من أجل إزالة الكربون من النقل البحري، ولا سيما بالنسبة للشرائح الساحلية والداخلية والقصيرة من البحار، وهي تتيح تخفيضات قابلة للقياس في الانبعاثات وتكاليف التشغيل، مع مواءمة هذه النظم مع الأنظمة العالمية المشددة، ومع أن التحديات المتصلة بكثافة الطاقة، والتداخل، وتكاليف رأس المال، والتكامل، فإن الابتكار السريع في الكفاءة الفلكية، وتخزين البطاريات، والنظم الدافعة الحقيقية، تغلق باستمرار الفجوة القائمة على الدفع.

من أجل منظور عالمي بشأن انبعاثات الشحن ومسارات التكنولوجيا، يقدم تقرير المنتدى الدولي للنقل البحري الذي يُعنى بـ "النقل البحري المُنبئ بالكربون" المزيد من الأفكار