Table of Contents
الحاجة العاجلة إلى نشرة بحرية نظيفة
وتواجه الصناعة البحرية العالمية المسؤولة عن نقل نحو 90 في المائة من التجارة العالمية ضغوطا متزايدة لتطهير الكربون، وتنتج عن ذلك محركات الديزل البحرية التقليدية كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، وأكسيد النيتروجين، وأكسيدات الكبريت، ومواد الجسيمات، مما يسهم في تغير المناخ ومشاكل نوعية الهواء في المجتمعات الساحلية، وقد وضعت المنظمة البحرية الدولية 50 في المائة من أقل البلدان نموا أهداف الشحن.
ومن بين أكثر المرشحين واعداً للدفع البحري المستدام خلية وقود الهيدروجين، وعندما تقترن بمحركات كهربائية، توفر خلايا وقود الهيدروجين مساراً إلى عملية لا تقل إنبعاثات لمجموعة واسعة من السفن، من العبوات الصغيرة وقوارب العمل إلى السفن الكبيرة التي تتجه نحو المحيطات، وتستكشف هذه المادة العلوم التي تتخلف خلايا وقود الهيدروجين، وتطبيقها على المحركات البحرية، والفوائد التي تجلبها، والتحديات التي لا تزال قائمة، والتبني.
كيف تعمل خلايا الوقود الهيدروجينية
المبدأ الكيميائي الإلكتروكيميائي
خلية وقود هيدروجين هي جهاز الكهروكيميائي يحول الطاقة الكيميائية المخزنة في غاز الهيدروجين مباشرة إلى الكهرباء، مع الحرارة والمياه كمنتج ثانوي وحيد، وتتألف الخلية الأساسية من مقطع كهربائي، وكمبيوتر، وكمبرة كهربائية، وتغذي الغاز الهيدروجيني (H2) إلى الأنود، حيث تنتقل الخلايا الحافزة (اللوترونية) إلى مادة الهيدروجين.
وتوجد عدة أنواع من خلايا الوقود، ولكن الأكثر قابلية للتطبيق على محركات الدفع البحرية هي:
- Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC):] Operate at low temperatures (60-80 °C), offer high power density, and can respond quickly to load changes - making them ideal for changing-speed pusher applications.
- Solid Oxide Fuel Cells (SOFC):] Operate at high temperatures (600-1000 °C), can reform various fuels including natural gas or ammonia to produce hydrogen internally, and achieve very high electrical efficiencies (up to 60% or more).
وفي نظام الدفع البحري، توفر خلية الوقود للشركة الكهرباء لجهاز الدفع المتغير الذي يتحكم في محرك كهربائي مصحوبا بمحرك الدفع، وهذا الترتيب هو أساسا نظام متكامل للدفع الكهربائي، حيث تحرك القوى الكهربائية بدلا من أن يكون محركا مباشرا متصلا بمحرك.
تخزين الهيدروجين والإمداد
ولكي تعمل خلية الوقود على متن سفينة، يجب تخزين وقود الهيدروجين بأمان وتسليمه إلى كومة الخلايا، ويجري تطوير طريقتين رئيسيتين للتخزين لأغراض التطبيقات البحرية:
- Comppressed Hydrogen Gas:] Hydrogen is compressed to 350-700 bar (5,000–10,000 psi) and stored in high-pressure tanks, typically made from carbon-fiber composite materials for light weight and strength. This method is grown and used in fuel cell vehicles, but tanks take up significant volume relative to the energy stored.
- Liquid Hydrogen:] Hydrogen is cooled to -253 °C and stored in cryogenic tanks. Liquid hydrogen has nearly twice the energy density by weight of compressed gas, but it requires complex insulation, boil-off management, and careful handling. Large-scale liquidgen in bunkering is still in.
ويتوقف الاختيار على حجم السفينة ومدة طرقها وتوافر الهياكل الأساسية، وبالنسبة للأسمدة الساحلية ذات الطرق القصيرة، كثيرا ما يكون الغاز المضغط كافيا؛ وبالنسبة للسفن في أعماق البحار، قد يصبح الهيدروجين السائل ضروريا لتحقيق النطاق المقبول.
رسوم خلايا الوقود الهيدروجينية للقاذفات البحرية
صفر الانبعاثات عند نقطة الاستخدام
وأكثر الفوائد إلحاحاً هي أن خلايا وقود الهيدروجين لا تنتج أي ازدهار ضار أثناء العملية، فالانبعاث الوحيد هو بخار الماء، الذي لا يلحق ضرراً، مما يزيل ثاني أكسيد الكربون، والثعلب، والسوك، والجسيمات، ويحسن مباشرة نوعية الهواء في الموانئ والمرافئ، وعلى طول الممرات البحرية، وعندما يتم إنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة المتجددة ( " الهيدروجين " )، تصبح دورة حياة الوقود الكاملة قادرة على التموئية، وتصبح دورة حياة الوقود قابلة للاستدامة تماماً.
ارتفاع الكفاءة ومنتجات الطاقة المرنة
ويمكن أن تحقق خلايا الوقود كفاءة كهربائية تبلغ 40 إلى 60 في المائة، مقارنة بنسبة 35 إلى 40 في المائة لمحركات الديزل الحديثة، وعلاوة على ذلك، تحتفظ خلايا الوقود بكفاءة عالية في مجموعة واسعة من الحمولات، في حين تهبط كفاءة الديزل بشكل حاد في حمولات جزئية، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة للقاذفات التي تعمل في كثير من الأحيان في قوة متغيرة أثناء المناورة أو في مواقع دينامية أو في ظروف بحرية مختلفة.
:: تشغيل هادئ وتخفيض درجة اليقظة
وتملك خلايا الوقود بضعة أجزاء متحركة (في الغالب المضخات والمراوح والصمامات)، وهي تعمل بهدوء مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي، مما يقلل من تلوث الضوضاء للحياة البحرية ويحسن راحة الطاقم، ولا سيما في السفن التي تكون فيها أماكن المعيشة قريبة من آلية الدفع، كما أن محرك الدفع الكهربائي نفسه أكثر هدوءا من جهاز الدفع المباشر، لأن المحرك يمكن أن يُشن بأدوات كهربائية.
سرعة إعادة الإمداد بالوقود مقارنة بشحن البطاريات
وفي حين أن الدفع بالبطارية هو أيضا خيار عدم السماح بالشحن في البحر القصير، فإن إعادة شحن البنوك الكبيرة يمكن أن تستغرق ساعات وتتطلب هياكل أساسية كهربائية كبيرة في جانب الشاطئ، ويمكن إنجاز إعادة الإمداد بالوقود الهيدروجيني (التصنيف) في غضون دقائق، على غرار مستودع الديزل التقليدي، مما يجعل خلايا الوقود الهيدروجينية أكثر ملاءمة للسفن ذات الجداول العالية، مثل الأسمدة،
القابلية للتسويق والوحدة
وتعد نظم خلايا الوقود نموذجية: يمكن الجمع بين مجموعات متعددة لتلبية احتياجات أي سفينة من الطاقة، من حوض مرفأ 100 كيلوواط إلى سفينة حاوية 10 ميغاواط، ويتيح هذا التصعيد للموازين نشر وحدات موحدة لخلايا الوقود، ويقلل من التعقيد الهندسي ويتيح الاعتماد التدريجي، كما يمكن توسيع نطاق المحركات الكهربائية بحيث تضاهي إنتاج خلايا الوقود، مما يوفر هيكلا مرنا ومراعيا في المستقبل.
التحديات الرئيسية والنظر فيها
كثافة تخزين الهيدروجين والسلامة
وعلى الرغم من ارتفاع الطاقة لكل وحدة من وحدات الكتلة، فإن الهيدروجين لديه طاقة منخفضة جدا لكل وحدة في ظروف المحيطة، وحتى عندما يكون الضغط على 700 بار، فإن الهيدروجين يحتل أكثر من الديزل بالنسبة لنفس محتوى الطاقة بأربعة أضعاف، ويجب أن يستوعب هذا الحجم الإضافي، الذي يتطلب في كثير من الأحيان حيزا مخصصا للسفن أو مقصورات مصممة خصيصا لذلك، ويحتاج تخزين الهيدروجين إلى كثافة سائلة في الحجم )٥ في المائة(.
إن السلامة مصدر قلق رئيسي، إذ أن الهيدروجين قابل للاشتعال بدرجة كبيرة ولديه نطاق واسع من القابلية للاشتعال (4-74 في المائة في الهواء)، كما أنه يحترق بشعلة غير مرئية ويمكنه قذف بعض المعادن، ويجري تحديث الأنظمة البحرية من جمعيات التصنيف (DNV، وLloyd’s، وABS) لمعالجة نظم وقود الهيدروجين، بما في ذلك كشف الغازات، والتهوية، ومعدات وقاية التفجير، وبروتوكولات الأساسية المتعلقة بسلامة الطوارئ.
الهياكل الأساسية للوقود
ولا توجد بعد شبكة عالمية لصيد الهيدروجين، ففي حين أن عددا قليلا من الموانئ الرائدة قد أنشأت محطات لتزود الوقود الهيدروجيني للأسمدة (مثلا في اليابان والنرويج وألمانيا)، تفتقر معظم الموانئ إلى المعدات والموظفين المدربين والأطر التنظيمية اللازمة لمعالجة الهيدروجين، ويتطلب بناء هذه الهياكل الأساسية استثمارا وتنسيقا كبيرا في رأس المال بين منتجي الوقود، وسلطات الموانئ، والمشغلين البحريين، كما أن مشكلة الدجاج والبيض التي تمثل " لا توجد سفن تباطأ بدون وقود " .
التكلفة الحالية لنظم خلايا الوقود وفول الهيدروجين
أما نظم خلايا الوقود فلا تزال باهظة التكلفة، حيث أن تكاليف رأس المال لكل كيلوات تقدر بثلاثة إلى ٥ أضعاف تكلفة غاز الديزل المقارن.ومن شأن ارتفاع محتوى البلازمين في المواد الحفازة من نوع PEM أن يسهم في هذه التكلفة، على الرغم من أن البحوث في مجال الطاقة الكهربائية المنخفضة والمعفاة من البلاتينيوم قد تتقدم، وفي الوقت نفسه، فإن الهيدروجين الأخضر يكلف حاليا ما يتراوح بين ٤ و ٨ دولارات لكل كيلوغرام، أي ما يعادل تكلفة الديجينات الرخيصة.
النظام الدائم والبيئة البحرية
وتتدهور أكوام الوقود بمرور الوقت بسبب التسمم الحفاز )وبخاصة من الكبريت وثاني أكسيد الكربون في الهواء(، والإجهاد الميكانيكي، وإدارة المياه الثانوية، وفي بيئة بحرية، يكون الهواء ملحا، ويمكن أن تكون الانحرافات عن عمليات الدفع شديدة، وتقوم شركات تصنيع الخلايا بتطوير مواد مقاومة للتآكل، وتحافظ على نظم التصفية الجوية، وتصمم باستمرار أكوام محركات ثابتة.
المشاريع العالمية الحقيقية والتطبيقات الناشئة
مراقبو الطاقة والمركبات الهيدروجينية
خطط فيكنغ للخسائر الهيدروجينية
وفي عام 2025، أعلنت الشركة عن خطط لإعادة تشغيل سفينة تعمل بكامل طاقتها على الهيدروجين، مع توفير الوقود للشحنات وشحنات الفنادق، ومع أن التفاصيل لا تزال شحيحة، فإن شركات النقل الرئيسية تشير إلى أن الهيدروجين تعتبر حلاً طويل الأجل قابلاً للتطبيق في حالة عدم إطلاق الانبعاثات، ويجري السعي إلى الحصول على موافقة المجتمع على التصنيف بحلول عام 2020، وعلى أن تكون هذه السفن جاهزة.
سفينة إنديفيا وشحنات الكربون النرويجية
وقد أطلق النرويج، وهو قائد في إزالة الكربون البحري، أول عبّارة للسيارات تعمل بالطاقة الهيدروجينية في العالم، MF Hydra[F:]، في عام 2023، وتعمل العبّارة على طريق قصير في روغالاند، باستخدام خلايا الهيدروجين المضغوطة ومركبات الوقود PEM لتقود محركاتها. وبالمثل، فإن [FtriceT:3]
طلبات المراكب ومركب العمل
وفي الولايات المتحدة، تقوم مشاريع مثل eWolf] (وهي عبارة عن زورق كامل في جميع المواقع بواسطة كراولي) باستكشاف حلول البطاريات فقط، ولكن خلايا الوقود الهيدروجينية يجري النظر فيها من أجل زوارق مزودة بالطاقة الكهربائية العالية وسفن دعم بحرية لا يمكن فيها للبطاريات وحدها أن توفر تحملا كافيا.
المستقبل والطريق إلى الأمام
إمدادات الهيدروجين الخضراء
وتتوقف الفوائد البيئية لخلايا وقود الهيدروجين كلية على كيفية إنتاج الهيدروجين، أما اليوم، فإن معظم الهيدروجين " بالغ " ينتج من الغاز الطبيعي مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ولكي يكون الدفع البحري مستداما حقا، يجب أن تنتقل الصناعة إلى الهيدروجين " الخضر " الذي يتم إنتاجه من الكهرباء المتجددة عن طريق التحلل الكهربائي، ويجري الإعلان عن مشاريع الكهروجين الكهروجينية الكبيرة في جميع أنحاء العالم، حيث تبلغ قيمة الريح الأخضر ٣٠٢.
الأطر التنظيمية والتصنيفية
وتقوم المنظمة البحرية الدولية بوضع مبادئ توجيهية مؤقتة لاستخدام نظم خلايا الوقود والهيدروجين كوقود، ويجري توسيع نطاق المدونة الدولية لسلامة السفن التي تستخدم الغازات أو الوقود المنخفض الأخرى لتشمل الهيدروجين بصورة شاملة، كما أن جمعيات التصنيف مثل DNV، و LR، و ABS أصدرت ملاحظات وقواعد لطبقة للسفن التي تعمل بالهيدروجينات، مما يتيح للمصممين المضي قدما في تحديد هوامش الأمان.
التحسينات التكنولوجية في الأفق
- Next-generation membranes:] High-temperature PEM membranes (120-150 °C) are being developed that can tolerate higher impurities and reduce cooling demands, improving marine fuel cell lifetime.
- Metal-supported cells:] Replacing carbon paper with metal supports could increase power density and robustness against thermal cycling and vibration.
- Ammonia as a hydrogen carrier:] Ammonia (NH3) is easier to store and handle than liquid hydrogen. Onboard cracking can produce hydrogen for fuel cells, though ammonia toxicity and nitrogen oxide byducts need careful management. Several demonstration projects are exploring this route.
- Hybridization with batteries:] Pairing fuel cells with batteries allows the fuel cell to operate at a steady power output while batteries handle transient pusher loads, improving efficiency and stack durability. This hybrid formation is likely the first commercial application.
الخلاصة: الانتقال النظيف ولكن المعقد
وتوفّر خلايا الوقود الهيدروجينية طريقاً قوياً إلى الدفع البحري الصفري، لا سيما عندما تكون مدمجة مع محركات الكهرباء، وتقدّم كفاءة عالية، وتُعدّل بسرعة الوقود، وتعالج العديد من القيود التي تفرضها نظم النقل بالبطارية فقط، ومع ذلك، يجب حل التحديات التي تواجه تخزين الهيدروجين، والهياكل الأساسية، والتكاليف، والقدرة على الاستمرار قبل أن تصبح مشتركة في النقل التجاري، كما أن التقدم الذي تحقق بالفعل في مشاريع البياني الصغيرة إلى جانب سفن البحث عن إمكانية إنشاء السفن.