إن الصناعة البحرية العالمية تقف في مرحلة حرجة، وهي مسؤولة عن نحو 2.5 في المائة من انبعاثات غازات الدفيئة في العالم، وعن حصة أكبر بكثير من أكاسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين، وعن عملية شحن المواد الجسيمية التي تقوم بها المنظمة الدولية، والتي تُخضع للتدقيق المتصاعد من جانب المنظمين والمستثمرين والمدافعين عن البيئة، وفي الاستجابة، فإن أصحاب السفن وسلطات الموانئ ومطوري التكنولوجيا يعجلون في الجهود الرامية إلى إزالة العقبات الواعدة.

The Case for Zero-Emission Shipping

وتهدف الاستراتيجية الأولية للمنظمة البحرية الدولية المعتمدة في عام 2018 إلى خفض مجموع انبعاثات غازات الدفيئة من الشحن الدولي بنسبة 50 في المائة على الأقل من مستويات عام 2008 بحلول عام 2050، مع هدف نهائي يتمثل في التخلص التدريجي منها بالكامل، وفي الآونة الأخيرة، أثارت استراتيجية منقحة (MEPC 80) الطموح: انبعاثات غازات الدفيئة الصافية بمقدار 2050 أو حواليها، مع نقاط تفتيش إرشادية لعامي 2030 و2040، وهذه الأهداف ليست مجرد تشريعات تطلعية.

وفيما عدا ثاني أكسيد الكربون، والمحركات البحرية التقليدية التي تنتج الكربون الأسود، وثاني أكسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين التي تضر بالمجتمعات الساحلية والنظم الإيكولوجية، فإن الدفع الكهربائي، على النقيض من ذلك، ينتج عن استخدامه لا يوجد أي ستنفد كهربائي، وبالنسبة للشحن في البحر القصير، والأسمدة، وعلى نحو متزايد للمركبات الساحلية والمرفأ، فإن هذا الاستحقاق المحلي من حيث الجودة هو ما هو موجب للحجة المناخية.

كما أن الحالة الاقتصادية آخذة في الازدياد، ففي حين أن التكاليف الرأسمالية الأولية لا تزال مرتفعة، فإن التكلفة الإجمالية للملكية بالنسبة للسفن الكهربائية يمكن أن تكون أقل على مدى دورة حياة مدتها 20 عاما، وذلك بفضل انخفاض فواتير الوقود، وتبسيط الصيانة، والإعفاء من مخططات تسعير الكربون مثل نظام الاتحاد الأوروبي لتداول الانبعاثات، الذي يغطي الآن الانبعاثات البحرية من عام 2024.

كيف تعمل نظم التبريد الكهربائي

ويحل نظام الدفع الكهربائي في جوهره محل الرابط الميكانيكي المباشر بين محرك رئيسي (محرك الديزل) وزواحف الديزل بمحرك كهربائي، ويسحب المحرك الطاقة من نظام تخزين الطاقة على متن السفينة (البطارية، خلية الوقود، أو مكثف) أو من وصلة على الشاطئ أثناء الرصيف، ويربط هذا الفصل مصدر الطاقة عن وحدة الدفع، مما يوفر المرونة في التنسيب، والتحكم في القوة.

وتستخدم النظم الحديثة محركات التردد المتغيرات لمراقبة سرعة السيارات وتوركها بدقة، وتحسين المناورة والكفاءة بالمقارنة مع محركات الدفع الثابتة الدفع التي يقودها الديزل الذي يُستخدم بسرعة واحدة، ويمكن أن يكون الهيكل الكهربائي هو الذي يُدير حالياً أو يُغير التيار، مع أن العاصمة أصبحت أكثر شيوعاً للنظم المدمجة بالبطارية لأنها تبسط التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة وتخفض الخسائر في التحويل.

البطارية - الإجبار على العمل

وتعتمد السفن الكهربية في البطاريات على مجموعات البطاريات التي تشحن بالليثيوم، وهي مثالية لعمليات يمكن التنبؤ بها، قصيرة المدى مثل الأسمدة، وسفن الركاب، وحمامات المرافئ، والقضبان الداخلية، وMF Ampere[F]، التي كثيرا ما تكون مثبتة في النرويج، كانت أول مراسم للسيارات الشاملة في العالم.

والحد الرئيسي هو النطاق: يمكن أن تغطي العبرة الكهربائية الاعتيادية للبطارية ٢٠-٤٠ ميلا بحريا على شحنة واحدة؛ وتحتاج الطرق الأطول إما إلى مصارف بطارية ضخمة )تضيف الوزن والتكاليف( أو إلى البنية التحتية الوسيطة التي لا تتوفر بعد في البحر، ومع ذلك، فإن الدفع بالبطارية يكون بالغا تجاريا بالنسبة للسفن ذات المواصفات الثابتة والقصيرة.

نظم الإشهار الهجينة

وتجمع التشكيلات الهجينة بين محرك الاحتراق الداخلي ومصرف للكهرباء والبطارية، ويمكن للمحرك أن يعمل بكفاءة قصوى بينما توفر البطارية طاقة ذروة لتسريع أو مناورة، ويمكن إعادة شحنها بواسطة المحرك أو عن طريق الطاقة الساحلية، وتُنشر الهجينات في سفن الإمداد البحرية، وسفن التزحلق، وسفن البحث التي تتفاوت فيها الملامح التشغيلية على نطاق واسع.

والخيار الناشئ هو المبرد المختلط الذي يسمح للسفينة بالعمل في شكل كهربائي نقي لجزء من رحلتها (مثلاً، في الميناء أو في منطقة مراقبة الانبعاثات) والتحول إلى الديزل لأرجل أطول، وهذا يوفر مرونة في الامتثال دون اشتراط التزام كامل بتوليد البطاريات.

خلية الوقود الكهربائية

وتولد خلايا الوقود الكهرباء من خلال تفاعل الكهروكيميائي بين الهيدروجين والأكسجين، ولا تنتج سوى بخار الماء والكهرباء، وبالنسبة للتطبيقات البحرية، تهيمن خلايا الوقود المبادئة، ويمكن تخزين الهيدروجين كغاز مضغط أو سائل في درجات الحرارة المبردة، وتوضع نظم خلايا الوقود في شكل نموذجي للأسمدة واليخت وحتى سفن الشحن الصغيرة.

The Energy Observer], a former racing catamaran converted to a hydrogen-electric vessel, has sailed worldwide, demonstrating the feasibility of zero-emission long-distance travel using fuel cells supplemented by solar and wind. Larger demonstrations include the [FLgen:2]]Hydroville ferry

مزايا الإنتاج الكهربائي

وتمنح نظم الحركات الكهربائية فوائد تتجاوز بكثير خفض الانبعاثات، مما يجعلها جذابة حتى بالنسبة للمشغلين الذين لا يُجبرون بعد على ذلك بموجب اللوائح التنظيمية.

صفر من الانبعاثات

الميزة الأكثر وضوحاً: إن المحركات الكهربائية لا تنتج أي منتجات ثانوية للاحتراق، وعندما تُحمَّل من الكهرباء المتجددة، فإن البصمة الكاملة للكربون المحتوي على الماء تقترب من الصفر، وهذا أمر حاسم الأهمية للامتثال لمناطق مراقبة الانبعاثات المتشددة بشكل متزايد ولموانئ مثل فانكوفر وشنغهاي وأمستردام التي بدأت تفرض متطلبات لغسل النفايات الخالية من الانبعاثات.

الحد من الضوضاء والتأشيرات

إن المحركات الكهربائية هادئة وسليمة في جوهرها مقارنة بالمحركات التبادلية، إذ تهبط مستويات الضوضاء بنسبة 10-20 في الكوخ والمياه المحيطة، مما يقلل من تلوث الضوضاء تحت الماء، الذي يعرف أنه يعطل الاتصالات والملاحة الثدييتين البحريتين، وبالنسبة للسفن البحرية والبحوثية، فإن السرقات الصوتية ميزة تشغيلية، وبالنسبة لأسمدة الركاب، فإن العمليات الهادئة تعزز الراحة وتسمح بإجراء جداول أكثر مرونة، بما في وقت متأخر من الليل.

انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة

ولا يوجد سوى عدد قليل من قطع النقل: روتور، حاملات، وختمات، ولا توجد حقن للوقود، أو رؤوس للسطو، أو أجهزة التصلب، أو العادم بعد المعالجة، أو العادم، أو العادم، أو العادم، أو التصليحات بعد التصريف، أو الحد الأدنى، وتشمل الصيانة الروتينية التحقق من العزل الكهربائي، ونظم التبريد، وتحمل أقل كثافة في العمل من زيادة تكلفة تشغيل محرك الديزل كل بضعة آلاف ساعة.

كما أن تكاليف الوقود تهبط انخفاضا كبيرا، فالكهرباء هي أرخص من حيث الميل البحري عن زيت الغاز البحري في معظم المناطق، ولا سيما عندما تشحن خلال ساعات العمل غير المفرغة، وقد لاحظ بعض مشغلي الأسمدة وفورات في تكاليف الطاقة بنسبة ٦٠-٧٠ في المائة، مما يعوض تكاليف البطاريات الأولية المرتفعة خلال فترة تتراوح بين ثلاث وخمس سنوات.

كفاءة الطاقة العليا

وتحقق المحركات الكهربائية كفاءة تتراوح بين ٩٠ و ٩٥ في المائة في نطاق عملها، مقابل محركات الديزل التي تبلغ ذروتها عادة ٤٠ و ٤٥ في المائة وتهبط بشكل حاد في حمولات منخفضة، كما أن إزالة الخسائر الميكانيكية من المحركات وصناديق التروس تزيد من كفاءة الدفع عموما، إذ إن الركيزة المصاحبة لخطوط التحكم المتقدمة )مثلا، وضع دينامي باستخدام ملامح الدفع الخاضعة للرقابة( قد تقلل من الاستهلاك العادي للطاقة

قابلية التشغيل البيني وشحن الذكاء

ويمكن أن تكون البطاريات على السفن بمثابة موارد موزعة لتخزين الطاقة، وعندما لا تبحر، يمكن لبطاريات السفن أن تشارك في برامج الاستجابة للطلبات، وتغذي الطاقة على الشبكة خلال فترة الذروة في الطلب وإعادة الشحن عندما يكون الجيل المتجدد وافعا، مما يخلق تدفقا إضافيا للإيرادات ويدعم استقرار الشبكة، ولا سيما في المجتمعات الجزرية والساحلية، وقد أظهرت المشاريع الرائدة في النرويج والمملكة المتحدة نموذجا " المركبا " مع البطاري.

التحديات والحواجز أمام التبني

ورغم هذه المزايا، فإن الدفع الكهربائي لم يعد بعد حلا عالميا، ويجب التغلب على العديد من الحواجز التقنية والاقتصادية والهيكل الأساسي لكي تتوسع التكنولوجيا عبر الأسطول العالمي.

التكاليف الرأسمالية الأولية المرتفعة

ولا تزال مجموعات البطاريات باهظة التكلفة، رغم أن التكاليف قد انخفضت بنحو 80 في المائة خلال العقد الماضي إلى نحو 150 إلى 200 دولار لكل كيلوواط في مستوى الحزمة، وقد تواجه العبوة الكبيرة التي تتطلب 10 ميغاواط من التخزين تكلفة نظام الدفع التي تزيد على 2 إلى 3 ملايين دولار أكثر من تكلفة بديل كهرباء الديزل، وبالنسبة للعديد من ملاك السفن، ولا سيما أولئك الذين يعملون على هامش رقيق في شحنات كبيرة أو خطية، فإن هذه الأقساط الخضراء باه باه.

محدودية كثافة الطاقة وثباتها

وتخزن البطاريات الليثيومية أقل بكثير من الطاقة لكل كيلوغرام من وقود الديزل (نحو 0.1 إلى 0.2 كيلوواط/كغ مقابل 12 كيلوواط/كغم) أما بالنسبة لسفينة تحقق النطاق العابر للمحيطات مع البطاريات وحدها، فإنها ستحتاج إلى مصرف بطارية كبير وثقيلة، مما يضحي بقدرة الشحن، وبالتالي فإن الدفع بالبطارية أعلى تكلفة في الوقت الراهن من 100 طريق بحري.

الهياكل الأساسية للنقل والتجميع

ولدعم الأسطول الكهربائي، يجب على الموانئ أن تُقيم محطات شحن عالية الطاقة، وغالبا ما تكون في نطاق الميغاوات، تربطها بشبكة قادرة على توفير كميات كبيرة ومتقطعة من الحمولات، ويفتقر العديد من الموانئ إلى القدرة اللازمة على استبدال الطاقة الكهربائية، ويمكن أن تكلف إعادة التغليف عشرات الملايين من الدولارات وتنطوي على جداول زمنية طويلة تسمح بذلك، أما بالنسبة للهيدروجين، فإن البنية التحتية المبردة للسفن غير موجودة تقريبا خارج بيئة آمنة.

حياة البطارية وإعادة تدويرها

وتواجه البطاريات البحرية ظروفا قاسية: رذاذ الملح، والاهتزاز المستمر، ودرجات الحرارة القصوى، وارتفاع معدلات التصريف لفترة قصيرة )مثل المناورات( - تبلغ الحياة المركبة عادة ٠٠٠ ٣-٨ ٠٠٠ دورة كاملة قبل تدهور القدرة إلى ٨٠ في المائة، ويعني ذلك استبدال الحمولة كل ٤-٨ سنوات، ولا تزال عمليات التخلص من البطاريات وإعادة التدوير تتطور؛

السلامة والتنظيم

وتفرض بطاريات الليثيوم - إيون مخاطر على الحرائق، لا سيما عندما تدمر أو تُحمَّل بصورة غير سليمة، وتُلحق أنظمة السلامة الخاصة بالبحرية (مثلاً، مدونة IGF الصادرة عن المنظمة البحرية الدولية، وDNV-RP-0481) بمتطلبات صارمة لاحتواء المدرجات الحرارية، والتهوية، وتكرار الحرائق، وتعقيدها.

الابتكارات والتوقعات المستقبلية

وتستهدف مشاريع البحث والعرض الجارية كل من هذه التحديات، ونتيجة لذلك، ثمة مسار واضح نحو اعتماد أوسع نطاقاً للدفع الكهربائي، حتى بالنسبة للشرائح التي تعتبر غير قابلة للتأثر.

Solid-State and Advanced Battery Chemistries

وتعود البطاريات ذات الوضع الصلب بـ 400-500 و/كغ من كثافة الطاقة - أي أكثر من أيونات الليثيوم الحالية - وتحسين السلامة (الكهرباء الصلبة غير القابلة للاشتعال) وتويوتا، وبوما، وعدة مبدئيات تهدف إلى تسويق خلايا الولادة الصلبة للسيارات بحلول الفترة 2027-2030؛ ويمكن أن تتبع التطبيقات البحرية.

المعايير المتعلقة بالشحنات الضخمة

وتقوم منظمات مثل ]FLT:0[CharIN بتطوير نظام الشحنات الميغاوات، وهو معيار قادر على إيصال ما يصل إلى ٣,٧٥ ميغاواط من خلال موصل واحد، ومن المتوقع أن تنفذ في مستودعات للشاحنات بحلول عام ٢٠٢٤، مع إصدارات بحرية )يمكن أن تصل إلى ٥-١٠ ميغاواط عن طريق موصلات موازية( في اختبارات للشحن السريع يتراوح بين ٢٠٢٥ و ٢٠٢ و ٢٠٢ و ٢٠٢ و ٢٠٢٦.

Green Hydrogen and Fuel Cell Scale-Up

ونظراً لأن القدرة الكهربائية تزيد وتكاليف الطاقة المتجددة تهبط، يتوقع أن تصبح الهيدروجين الأخضر منافساً من حيث التكلفة مع الديزل البحري بحلول عام 2030 إلى عام 2035 في العديد من المناطق، ويقوم مبنيو السفن بتصميم مخزن مدمج للهيدروجين وخلية للوقود الموحّد يمكن أن تُعاد صياغتها لأغراض الصيانة.

الهجينة كجسر

وبالنسبة لمعظم السفن في أعماق البحار (سفن الحاويات، والشاحنات، والسوائب)، فإن الدفع الكامل بالبطارية ليس قابلاً للاستمرار، غير أن النظم الهجينة التي لديها حاجز للبطارية يمكن أن تقلل استهلاك الوقود بنسبة 10-15 في المائة، بينما تتيح العمليات الصفرية في الموانئ ومناطق مراقبة الانبعاثات، وتنمو قدرة البطاريات كنقصان في التكاليف، ويمكننا أن نتوقع أن يتم تدريجياً استئصال البنى الكهربائية الجديدة، مع التحول إلى جانب البلورين.

سائقو السياسات والحوافز المالية

وتسريع عملية التبني في الاتحاد الأوروبي، وتقضي لائحة الاتحاد الأوروبي البحرية (الناجعة 2025) بتخفيض كثافة الكربون بنسبة 2 في المائة من مستويات عام 2020، حيث ارتفعت إلى 75 في المائة بحلول عام 2050، مع مكافآت محددة لاستخدام الوقود الصفري الانبعاثات، وتقدم النرويج وهولندا وكندا إعانات مالية لسفن عدم الانبعاثات، ويجمع المنتدى البحري العالمي للمنظمة البحرية الدولية ومبادرات مثل شركات الاستثمار في الهياكل الأساسية [1]

النشرات والمشاريع الرائدة في العالم الحقيقي

وتوضح عدة أمثلة تشغيلية التقدم المحرز في الدفع الكهربائي ومدى قابليته للتوسع.

  • Stena Elektra (خطيطة): عبّارة عالية السرعة البطارية لطريق غوثينبورغ - فريدريكشافن، مع قدرة مستهدفة قدرها 500 1 راكب و300 سيارة، باستخدام 50 بطاريات MWh وشحن عبر وصلة بخارية تبلغ 10 ميغاواط.
  • E-ferries in Denmark]: تعمل الجزيرة الدانمركية من طراز Erø ستة عبدات كهربية بطارية، وكلها تحملها توربينات الرياح وألواح شمسية على الأرض، وتحقيق انبعاثات حقيقية من الصفر إلى العجلات.
  • Hydrogen fuel cell barge "H2 Barge 2"]: في هولندا، يُجرى برغوث للحاويات الداخلية يبلغ 110 متر على خلية وقود من طراز MW PEM و470 كيلوواط، وهو يُخدم ممرات روتردام - الأنتربة التي لا تُنبعث منها انبعاثات.
  • (يارا بيركلاند) أول مغذي في العالم للكهرباء، وأجهزة بث الحاويات المستقلة، يعمل على 7.5 طريق بحرية في النرويج بدون طاقم، وقد أطلق في البداية ببطارية 6.8 ميغاواط، وأظهرت الجدوى التقنية لعمليات عدم إطلاق الانبعاثات.

خاتمة

إنّ الدافع الكهربائي ليس مجرد تجربة نشيطة، بل هو حجر الزاوية في استراتيجية إزالة الكربون في الصناعة البحرية، وبالنسبة للطرق القصيرة والداخلية، فإنّ نظم الطاقة الكهربائية المبطّرة بالبطارية والمهجنة هي بالفعل واقع تجاري، وتوليد تكاليف تشغيلية أقل، وعمليات أكثر هدوءا، ووقف الانبعاثات، وبالنسبة للرحلات الطويلة، خلايا الوقود الهيدروجينية، والتطورات الهجينية، فإنّ المسار يتطلب استثمارا مستداما في توليد الكهرباء.