إن الصناعة البحرية تقف في مفترق طرق، إذ أن محركات الديزل البحرية، منذ أكثر من قرن، هي مجموعة من أجهزة النقل البحري العالمي التي لا تشوبها خلافات، وتقود كل شيء من سفن الحاويات الضخمة إلى العبوات الساحلية، غير أن الأنظمة البيئية المتزايدة، وأسعار الوقود المتقلبة، والدفعة العالمية لإلغاء الكربون، تؤدي إلى تحول كبير، كما أن الابتكارات في نظم الدفع البحري الهجين والكهرباء آخذة في الظهور آخذة في الظهور، مما يؤدي إلى زيادة الانبعاثات.

الحاجة إلى الابتكار في المحركات البحرية

وتنتج محركات الديزل البحرية التقليدية، التي يمكن الاعتماد عليها والقوية، غازات كبيرة من غازات الدفيئة (المعيار الثاني، والثمرة، والثمرة، والخامس، والجسيمات) وتقدّر المنظمة البحرية الدولية أن الشحن البحري يمثل نحو 3 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية - وهو رقم يمكن أن يرتفع إذا لم يتم التحقق منه، وفي عام 2023، اعتمدت المنظمة البحرية الدولية أهدافا منقحة لتخفيض انبعاثات غازات الدفيئة بحلول عام 2008 أو نحو عام 2050، كما أن هناك ضغطا على مستوى أعلى في مجالا في مجال الرقابة على الكربون.

وقد تذبذبت أسعار الديزل بشكل كبير في السنوات الأخيرة، كما زاد من تعقيد استخدام الوقود المنخفض الكبريت والشبكة المحلية المحدودة لصناعة الوقود، حيث تتيح النظم الهجينة والكهربائية للسفن استخدام الطاقة على النحو الأمثل: تشغيل الطاقة البطارية في المناطق الحساسة، واستخدام مولدات الديزل في حمولات الذروة، بل واستعادة الطاقة عن طريق التكرير التجددي، مما يؤدي إلى زيادة المرونة والكفاءة والمستقبل.

نظم التوجيه البحري الهجينة

وتجمع النظم الهجينة بين محرك الديزل التقليدي (أو الغنيست) ومحرك كهربائي وبنك بطارية، وهي ليست تصميما واحدا بل مجموعة من التشكيلات، يناسب كل منها أنواعا مختلفة من السفن والملامح التشغيلية.

سلسلة من المؤتمرات الهجينة

وفي سلسلة من المحركات الهجينة، يقود محرك الديزل مولداً إما يشحن البطاريات أو يزود الطاقة مباشرة بمحرك كهربائي يحوّل محرك الديزل إلى محرك الدفع، ويُفصل محرك الديزل عن محرك الدفع، مما يتيح له تشغيله على أكفأ وجه، وبصرف النظر عن سرعة السفينة، وهذا الشكل مثالي للسفن ذات الحمولات المتغيرة، مثل الأورام أو سفن الدعم الخارجية.

المفاوضة الهجينة

وفي مركب مائي موازي، يمكن لمحرك الديزل ومحرك كهربائي أن يقودا المروحة آليا، وكثيرا ما يكون ذلك من خلال صندوق أو مجموعة معدات، مما يسمح للسفينة باستخدام الديزل فقط أو الكهرباء فقط أو الطاقة المشتركة حسب الحاجة، كما أن نظم المواسير أبسط وأكثر ترابطا من نظم السلسلة، مما يجعلها خيارا شعبيا لإعادة استخدام السفن الموجودة، وكثيرا ما تخفض الخيارات وأجهزة استهلاك الوقود المتحرك موازية.

فوائد النظم الهجينة

فالدفع الهجيني يوفر مزايا قابلة للقياس، إذ أن وفورات الوقود تبلغ ١٠-٣٠ في المائة شائعة، لا سيما في السفن التي لديها أنماط تحميل دوارة )مثل الحاويات والأسمدة والجراثيم( وتخفض انبعاثات النيتروجين والسوكس وجوز الجسيمات بصورة تناسبية، وتخفض الضوضاء والاهتزاز بدرجة كبيرة، مما يعود بالفائدة على حياة الطاقم وحياة بحرية، بالإضافة إلى أن البطاريات يمكن أن توفر " احتياطي الصيانة الأساسي " .

تحديات النظم الهجينة

والنظم الهجينة أكثر تعقيدا من النظم التقليدية، وتتطلب برامجيات متقدمة لإدارة الطاقة ومراقبتها، وتزيد التكلفة الأولية - أي بنسبة تتراوح عادة بين 20 و 40 في المائة أكثر من تركيب الديزل فقط - رغم أن مدخرات دورة الحياة كثيرا ما تبرر الاستثمار، وتحلل البطاريات والإدارة الحرارية والحاجة إلى شحن السواحل (إذا كان إعادة شحن البطاريات مرغوبا فيها عن طريق الطاقة الشبكية) تشكل تحديات إضافية يجب معالجتها.

نظم التبريد الكهربائي

وتقضي السفن الكهربائية الكاملة على محرك الديزل بالكامل، بالاعتماد على البطاريات أو خلايا الوقود من أجل الطاقة، وفي حين أن هذه المركبات تقتصر حاليا على طرق أقصر بسبب كثافة الطاقة في البطاريات، فإن الدفع الكهربائي يكتسب زخما في عدة قطاعات.

السفن التي تحمل البطاريات

(ب) إن عبّارات البطاريات الكهربائية هي أكثر قصص النجاح وضوحاً. ( Ampere) (العملية في النرويج منذ عام 2015) تستخدم عبوة بطارية كبيرة من الليثيوم ويمكنها حمل 120 سيارة و360 مسافراً عبر 6 كيلومترات فدائية) وتزيل ما يقدر بـ 1 مليون لتر من الديزل سنوياً.

خلايا الوقود

وتنتج خلايا وقود الهيدروجين تكنولوجيا كهربائية تكميلية، وتنتج الكهرباء من الهيدروجين والأكسجين، ولا تنتج سوى بخار الماء، وتوفر خلايا الوقود كثافة طاقة أعلى من البطاريات ويمكن أن تدعم العبوات الأطول، وهناك عدة سفن نموذجية تعمل، بما في ذلك ] مراقب للطاقة و

هيكل شحن الأحذية

ويجب أن تكون للسفن الكهربائية إمكانية الوصول إلى شحنات شاطئية موثوقة عالية الطاقة، ويجري تطويرها في موانئ حول العالم - من النرويج إلى الصين إلى الولايات المتحدة، وتوحيد الموصلات ومستويات الطاقة (مثل نظام شحن الميغاوات) أمر حاسم بالنسبة للقابلية للتشغيل المشترك، ويجب أن تستثمر الموانئ في تطوير الشبكات ونظم تخزين البطاريات، وربما توليد الطاقة المتجددة المحلية لضمان أن تكون الكهرباء المستخدمة خضراء حقا.

التدرج التكنولوجي

ويشهد أداء النظم الهجينة والكهربائية وفعاليتها من حيث التكلفة تحسنا سريعا بفضل الابتكارات في عدة مجالات رئيسية.

Battery Chemistry

Lethium-ion batteries dominate marine applications, but new chemistries are emerging. Lithium iron phosphate (LFLT:1] batter: high thermal stability and long cycle life at a lower cost than nickel-manganese-cobalt (NMC) chemers

نظم إدارة الطاقة

(ب) تحسين كفاءة استخدام النظم الحديثة للأغلفة التنبؤية استناداً إلى بيانات مسارات النظام العالمي لتحديد المواقع، والتنبؤات الجوية، وملامح الحمل التاريخية للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك الوقود وتدهور البطاريات.

مواد الوزن الخفيف

ويكتسي تخفيض وزن السفن أهمية حاسمة في الدفع الكهربائي، حيث تحتاج السفن الثقيلة إلى طاقة بطارية أكبر، وتسهم المواد المركبة، والسبائك الألومنيوم، ودرجات الصلب المتقدمة في بناء هياكل هول وفوقية، وتمتد أجهزة الدفع بالوزن الخفيف، والزجاجات، بل والمركبات الكهربائية (تستخدم مغناطيسات دائمة عالية القوة) في تحقيق وفورات الوزن عموما.

التطبيقات الحالية عبر أنواع فيسيل

فيريس وراكب فيسيلس

والحصانات هي الفاكهة المنخفضة الارتفاع للكهرباء، كما أن الطرق القصيرة الثابتة التي تتراكم فيها المراكب المتكررة تسمح بشحن منتظم، كما أن أسطول المرافئ الإلكترونية في النرويج يضم فقط عشرات السفن التي تستخدم طرقا في الدانمرك والسويد وفنلندا وكندا تتابع ذلك.

قوارب وزوارق عمل

وتقضي القوارب الكثير من وقتها إما بالتعثر أو العمل في حمولة عالية أثناء تقديم المساعدة في السفن، ويمكن للحمص الهجين والكهربائي أن يتحول إلى طاقة بطارية أثناء فترات الانتظار المنخفضة، مما يقلل بدرجة كبيرة من الانبعاثات بالقرب من الموانئ.

خزائن الدعم في الخارج

وكثيرا ما تعمل سفن الإمداد بالسفن التي تخدم أجهزة الحفر النفطية والغازية في ظل وضع دينامي، مما يتطلب وجود محركات متعددة تعمل في آن واحد، وتتيح النظم الهجينة للمركبات الاصطناعية استخدام الطاقة البطارية أثناء وضعية إدارة الوقود، مما يقلل استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 30 في المائة، وقد نجحت الشركات مثل Eidesvik Offshore في إعادة تصميم السفن التي تحمل عبوات جديدة.

سفن الشحن

وبالنسبة لسفن الشحن الكبيرة التي تتجه نحو المحيطات، يظل الإلكترون الكامل منبعاً من ارتفاع البطاريات والشحنات الأساسية، غير أنه يجري إدخال نظم هجينة لتخفيض انبعاثات الموانئ وتحسين الكفاءة. Maersk’s] new methanol-enabled container ships include batteries for top shaving and port maneuvering.

التحديات التي تواجه التبني على نطاق واسع

وعلى الرغم من التقدم السريع، يجب التغلب على عدة حواجز قبل أن يصبح الدفع الهجين والكهربائي هو القاعدة.

التكلفة

أما التكلفة الرأسمالية الأولية للبطاريات والسيارات الكهربائية والإلكترونيات الكهربائية فلا تزال مرتفعة، وبالنسبة للعبارة النموذجية، فإن نظام البطاريات وحده يمكن أن يمثل 30 إلى 5 في المائة من مجموع تكاليف الدفع، وفي حين أن التكلفة الإجمالية للملكية (بما في ذلك وفورات الوقود والصيانة) هي تكاليف مواتية على مدى عشر سنوات من دورات الحياة، فإن العديد من ملاك السفن والمشغلين يفتقرون إلى رأس المال للاستثمار دون إعانات أو عقود طويلة الأجل.

الهياكل الأساسية

ويتطلب شحن الأحذية استثماراً كبيراً في الشبكات الكهربائية في الموانئ، ولا يزال التكسير على مستوى أعلى من الطاقة (من مستوى الميغاوات) بالنسبة للسفن الكبيرة أمراً شائعاً بعد، ويجب على سلطات الموانئ أن تتعاون مع مقدمي الخدمات والتكنولوجيا لتركيب محطات الشحن، كما أن البنية التحتية لمستودعات الهيدروجين أقل تطوراً، والجهود المبذولة لتوحيد المقاييس، مثل ] IEC/IEE 80005 للوصلات على الشاطئ.

البطارية مدة الخدمة والسلامة

البيئات البحرية قاسية: المياه المالحة، الرطوبة، الصدمة، اليقظة، درجات الحرارة القصوى، يجب أن تُزدج شبكات البطاريات وتشمل الإدارة الحرارية المتقدمة لمنع التسخين المفرط، والسلامة من الحرائق شاغل رئيسي - من الصعب إطفاء حرائق الليثيوم ويمكن أن تطلق غازات سامة، وقد وضعت مجتمعات التصنيف قواعد (مثلاً، الاكتشاف،

الهيكل التنظيمي والتصنيف

وتقوم جمعيات التصنيف بنشاط بوضع قواعد للنظم الهجينة والكهربائية، ولكن الإطار التنظيمي لا يزال متقلبا، وقد تكون لولايات العلم متطلبات مختلفة، والتفاعل بين أنظمة المنظمة البحرية الدولية، وضوابط الدولة في الميناء، والقوانين المحلية إمكانية خلق تعقيدات، ويجب على ساحات السفن والمالكين أن يبحروا بعناية في هذه المتطلبات، مما يمكن أن يبطئ من التبني.

المستقبل

إن الصناعة البحرية تتحرك بشكل حاسم نحو الاندفاع الأنظف، فالنظم الهجينة والكهربائية ليست حلما بعيد المنال - فهي حقيقة واقعة اليوم في قطاعات عديدة، وسيشهد العقد القادم توسعا سريعا في هذه التكنولوجيات.

سائقو التنظيم في المنظمة البحرية الدولية

وسيتطلب هدف المنظمة البحرية الدولية المتمثل في صافي الانبعاثات من الوقود بحلول عام 2050 مزيجا من الوقود البديل (مثل الميثانول والأمونيا والهيدروجين) والكهرباء، ومن المتوقع أن تهيمن على النقل البحري القصير الأجل والكهرباء والهجين، ومن المرجح أن تكون هناك خلايا استهلاكية للوقود ونظم كهرباء ذات أنواع وقود خضراء.

هجينة (لارغر فيسلس)

وبدأت سفن الحاويات وناقلات السائبة والناقلات تعتمد تشكيلات هجينة - تستخدم عادة البطاريات لمكالمات الموانئ، وتحلق ذروتها، ودعم الطوارئ. [تقوي البطاريات ] نظاما مختلطا لناقلات السوائب من طراز DWT () انظر مثال [تثبت الفوائد من الضريبة:3]

المستقلون والكهرباء

وهناك عدة سفن مستقلة، مثل Yara Birkeland]، تعمل بالكهرباء بواسطة التصميم، ويمكن أن يؤدي الجمع بين الانبعاثات الصفرية والعملية غير المأهولة إلى إحداث ثورة في السوقيات القصيرة الأجل، ولا سيما للنقل بالجملة، كما أن العبودية الكهربائية المستقلة تخضع بالفعل للمحاكمة، مثل ]Falco في فنلندا.

خط الأساس للاستثمار والابتكار

المحركات البحرية الرئيسية - MAN Energy Solutions], Wärtsilä,

خاتمة

إن نظم الدفع البحري الهجين والكهربائي لم تعد تجريبية - فهي حلول قابلة للتطبيق تجارياً، مما يقلل بالفعل من الانبعاثات وتكاليف التشغيل عبر مجموعة من أنواع السفن، وفي حين أن تحديات مثل التكلفة والهياكل الأساسية وسلامة البطاريات لا تزال واضحة، فإن المسار يمر بأكبر تحول تكنولوجي له منذ الانتقال من الإبحار إلى البخار، ويقلل ملاك السفن، والمشغلون، والموانئ التي تستثمر الآن في نظم محركات كهربائية وراثية.