Table of Contents
מבוא לחשמלינע למחקרי אנטארקטיקה
אוניות מחקר אנטארקטיות פועלות באחד האזורים הקיצוניים והרגישים ביותר על פני כדור הארץ.הצורך למזער השפעה אקולוגית תוך שמירה על אמינות תפעולית גבוהה הוביל את העניין במערכות הנעה חשמליות.מערכות אלה, אשר משתמשות במנועים חשמליים המופעלים על ידי סוללות, גנרטורים או תצורה היברידית, מציעות משמעותיות על פני מנועי דיזל מסורתיים-מכאניים.
היתרונות של הנעה חשמלית באנטארקטיקה
מעבר למניעה חשמלית מספק יתרונות מרובים התואמים את הצרכים התפעוליים ואת המטרות הסביבתיות של משימות מחקר אנטארקטיקה.
יתרונות סביבתיים
היתרון המיידי ביותר הוא צמצום דרמטי של פליטות גזי חממה ומזהמים אוויריים מקומיים.חשמל מונע לייצר אפס פליטות זנב בעת ריצה על כוח סוללה מאוחסן, אשר קריטי בסביבה prise אנטארקטית שבה אפילו כמויות קטנות של סווט או תחמוצת חנקן יכול להחשיך שלג ולהמיס.בנוסף, מנועים חשמליים הם שקטים משמעותית יותר מאשר מנועי דיזל.
יעילות ועקשנות
מנועים חשמליים מספקים מומנט מיידי על פני טווח מהירות רחב, נותן ספינות מאנוב עליון בערוצים קרח הדוקים ובמיקום דינמי ליד תחנות מחקר.היעדר קו פיר מכני מאפשר גמישות רבה יותר בפריסה של הספינה, שחרור מרחב ציוד מדעי או לינה נוסעים.חשמל מונע גם מאפשר שימוש בדחפים נזימותיים 15% - דחף מכווצים שיכול לסובב 360 מעלות נוספות - שיפור פרופיל פריצה, כאשר הוא יכול להיות פועל באופן כללי, כלומר, 10 פעולות מבזבזניות, לאחר מכן, לאחר מכן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 דחף ממונע, 000, 000 דחף ממונע, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 דחף ממונעים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,
שיתוף פעולה וקידום עתידי
תקנות סביבתיות עבור משלוח הקוטב הופכות מחמירות יותר.קוד הקוטב של IMO, פרוטוקול האמנה של אנטארקטיקה להגנת הסביבה, ומדיניות לאומית מתפתחת כל דחיפה לפליטה נמוכה יותר וסטנדרטים סביבתיים גבוהים יותר.חשמל, במיוחד כאשר בשילוב עם מקורות אנרגיה מתחדשת, עמדות ציי מחקר לעמוד בדרישות אלה היום ולהתאים לכללים עתידיים.חלק מהמפעילים כבר מתועדים לאפסים חשמליים לקוטבים קצרים, מה שמוכיח את המושגים של יכולת המעבר.
אתגרים העומדים בפני מערכות הנעה חשמלית
למרות היתרונות האלה, פריסת הנעה חשמלית באנטארקטיקה כוללת מכשולים טכניים עצומים.הסביבה עצמה היא האנתרופולוגיה העיקרית.
ביצועים ב-Crowt Cold
סוללות ליתיום-יון, הטכנולוגיה הנפוצה ביותר לאחסון אנרגיה עבור ספינות חשמליות, סובלים מהידרדרות ביצועים משמעותית מתחת ל -10 מעלות צלזיוס. אלקטרוליטה קצבה, להאט את התחבורה; ההתנגדות הפנימית עולה, צמצום תפוקת החשמל ויכולת שניתן להעלות על הדעת. בטמפרטורות חורף טיפוסיות (-40 מעלות צלזיוס או נמוך יותר), תאי ליתיום סטנדרטיים עשויים לספק רק 20-40% מהיכולת שלהם בדירוג במהלך פעילות הקיץ, כאשר סביב טמפרטורות נפח בינוניות של קיבולת גבוהה יותר (או ירידה) או ירידה של תאים של נפח גבוה יותר של תאים של נפח או ירידה של תאים של נפח בינוניים או נמוכה יותר (או נמוכה יותר (או נמוכה יותר של נפח C-5 מעלות צלזיוס) או ירידה ישירה של תאים).
אחסון אנרגיה וניהול
מעבר לתפקוד קר, צפיפות האנרגיה הכוללת של סוללות נשאר נמוך בהשוואה דלק דיזל ימי.כלי סוללה טיפוסית-חשמלי דורש בערך 8-10 ק"ג שעות לקילומטר במים פתוחים, ועוד הרבה יותר כאשר שוברים קרח. כדי להתאים את טווח של ספינת מחקר קונבנציונלית - לעתים קרובות 40,000 עד 60,000 מיילים ימיים לאורך משלחת של מספר חודשים - ספינת סוללות טהורות-חשמלית תצטרך חבילת משקל של אלפי טון, בדרך כלל, עודף משקל יעיל יותר, כולל קיבולת ניהול אנרגיה יעילה יותר, כלומר, כולל משקל אופטימלית יעילה יותר, כלומר, 15 שעות אימון אווירית יעילה יותר, 35 שעות אימון אווירית יעילה יותר, כלומר, כלומר, כולל משקל יעיל יותר, 15 שעות אימון אווירית משקל יעיל יותר, כולל יותר.
ניווט וביקושים
קרח שובר דורש כוח עצום מיידי - ספינה עשויה להיות צריכה לעבור מחסניות לחץ או לשמור על הנעה יציבה דרך קרח רב שנתי.מערכות הנעה חשמלית חייב להיות בגודל כדי להתמודד עם עומסי שיא אלה ללא חימום יתר או טריפ מעגלי הגנה יתר על כן, כאשר ספינה תקועה קרח ונאלצת לחזור שוב ושוב, סוללות כוח וחוויה מהירה אופניים, אשר יכול להאיץ את ההשפלה מכנית כמו גם חומרים דחף מיוחד, כמו גם חומרים מכוננים קרח, כמו גם מכוננים.
תשתיות ולוגיסטיקה
באנטארקטיקה, תשתית טעינה מבוססת חוף כמעט שאינה קיימת מחוץ לתחנות מחקר (למשל, מק'מורדו, דייוויס, רוטרה) אפילו בתחנות אלה, דור החשמל מסתמך במידה רבה על גנרטורים דיזל, כלומר חשמל לטעינה עשוי לא להיות נטול פחמן.פיתוח מרכזי טעינה חשמליים המופעלים על ידי חשמל מתחדשים - באמצעות רוח, או אפילו כורים גרעיניים מודולריים קטנים - הוא יעד ארוך טווח אך עצום, אך ורק למול מגנטיים, כדי לייצר מחסומים חשמליים, או מטושטשים, או מטושטשים חשמליים, או אטומיים חשמליים, עד כה, או מטושטשים, עד כדי למנוע מחסומים חשמליים, עד כדי למנוע מטושטשים, או מחסומים חשמליים, או מטושטשים, על ידי תחנות כוח, או מטושטשים, או אטומיים, או מחסומים חשמליים, או אטומיים, עד כדי אטומיים, על ידי תחנות כוח, על ידי תחנות כוח היברידיים, על ידי תחנות כוח, עד כדי מחסומים חשמליים, או מטושטשים חשמליים, או אטומיים חשמליים, על ידי אטומיים, על ידי חשמל, או אפילו על ידי תחנות כוח, על ידי תחנות כוח, על ידי אטומיים חשמליים, עד כדי למנוע אטומיים חשמליים, או
פתרונות וטכנולוגיות חדשניים
מהנדסים וחוקרים מתמודדים עם אתגרים אלה עם חבילת טכנולוגיות מתקדמות.
סולידריות המדינה Batteries
טכנולוגיית סוללות מוצקה המדינה מחליפה את הנוזל או ג'ל אלקטרוליט עם חומר מוצק, בדרך כלל קרמיקה או פולימר.זה שינוי באופן דרמטי משפר ביצועים קר-אביר: אלקטרוליטים חזקים לשמור על מוליכות איטונית גבוהה בטמפרטורות תת-אפס, המאפשר סוללות לספק יכולת כמעט מלאה ב -30 מעלות צלזיוס, סוללות מוצקות גם מציעים צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (400 Wh / ק"ג בהשוואה ל-250h / ק"ג עבור תאים סטנדרטיים עבור כדור הארץ, כמו תאים קלים יותר, כמו לטווח בינוני, כמו אלה, כמו לטווח בינוני, כמו גם, כמו גם, 000 מוצק, 000 מוצק, 000, 000, 000, 000 מוצק, 000, 000, כמו לטווח גבוה יותר, 000 מוצק, 000, 000 מוצק, 000 מוצק, 000 מוצק, 000 מוצק, 000 מוצק, 000, 000 מוצק, 000 מוצק, 000 מוצק, 000 קיבולת לטווח גבוה יותר, 000, 000 מוצק, 000, כמו גם להציע צפיפות אוויר, 000 מוצק, 000 מוצק, 000 מוצק, 000 קיבולת לטווח ארוך יותר, 000, 000 קיבולת לטווח גבוה יותר, 000 קיבולת לטווח גבוה יותר, 000, 000 קיבולת לטווח גבוה יותר, 000 קיבולת לטווח גבוה יותר, 000 קיבולת לטווח גבוה יותר, 000
מערכות חשמל היברידיות
רוב הספינות המחקר האנטארקטיות הנוכחיות עם הנעה חשמלית משתמשות בארכיטקטורה היברידית.בעיצובים אלה, גנרטור דיזל קטן (או גנרטורים מרובים) פועל ביעילות שיא כדי לטעון סוללות וכוח המנוע החשמלי, עם הבנק הסוללה המספק דחיפה נוספת עבור מאנוב בעוצמה גבוהה או גישה קצרה של אפס פליטות קרח. גישה זו מפחיתה צריכת הדלק עד 20-30% בהשוואה למערכת סוליבית טהורה, כי הגנרטור קבוע, למעט שעות נוספות, או מהירות מהירה יותר, לעומת טווח זמן קצר יותר, לעומת זאת, מאפשר גם כן, למעט מהירות מהירה יותר, או מהירות מהירה יותר, בתנאי הפעלת מערכת הפעלה מהירה יותר, או מהירות מהירה יותר, לעומת טווח זמן קצר יותר, לעומת זאת, לעומת טווח זמן קצר של גזית RSV מוגבל של גזית, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 20-30%, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת מערכת דיזל.
חידוש אינטגרציה אנרגיה
לוחות סולאריים וטורבינות רוח יכולים להשלים על כוח לוח, במיוחד בקיץ ה-Austral כאשר השמש כמעט רציפה. ⁇ photovoltaic רכובים על סיפון או awnings יכול לייצר 50-100 קילוואט עבור ספינת מחקר בינונית, מספיק כדי לכסות עומסי מלון (אור, HVAC, ציוד מדעי) ולהפחית את זמן ה-VLT-F, אשר הם פחות מ-VVVVVM, כלומר, כלומר, דרישות אוויריות של מערכת דלק מתקדמות, פחות מ-F, כלומר, פחות מ-R.
תאי דלק הידרוגן
תאי דלק הידרוגן מציעים אלטרנטיבה אפסית למניעה ראשונית וכוח עזר.תאים דלק להמיר מימן לחשמל, לייצר רק מים פנויים וחום. הם פועלים ביעילות במזג אוויר קר (תאים לדלק יכולים אפילו להשתמש בחום הפסולת להתחממות תא או ניהול סוללות) האתגרים העיקריים הם אחסון מימן ובונקרים.מכלי מימן חסכאים זקוקים לכמויות גדולות (ב-700 בר), ו מימן חייב להיות נשמר ב- 2-252C2C) כדי לקדם את היכולת של אנרגיה ירוקה.
ניהול מהיר
כדי לשמור סוללות בטווח התפעול האידיאלי שלהם, ספינות חשמליות מודרניות להשתמש במערכות ניהול תרמי פעיל.אלה עשויים לכלול לולאות קירור נוזלי / חימום עם משאבות חום, חומרי שינוי שלב סופגים או משחררים חום כפי שהם מתמיסים / סולידיים, ו בידוד משולב לתוך מתחם הסוללה. חלק מהעיצובים משתמשים חום הפסולת מתאים דלק או גנרטורים כדי לחמם את הבנק.
חשמל ומנועי מנוע
סיליקון carbide (SiC) וגביע ניטריד (GaN) מוליכים למחצה מחליפים אלקטרוניקה כוח מבוסס סיליקון מסורתי.חומרים אלה מטפלים במתחים גבוהים יותר וטמפרטורות עם הפסדים נמוכים יותר, שיפור היעילות של מופנים וממירים על ידי 5-10%.עבור יחידות הארקטיות ואנטארקטיקה, דחף מבוסס SiC הם בעלי ערך במיוחד משום שהם פועלים בצורה אמינה יותר בטמפרטורות נמוכות וניתן לחתמה נגד לחות ו-95% ממתכת מתקדמת (מדבקות) עם מגבלות גבוהות יותר (מדבקות) ו-95%) למגנטיות מתקדמות (מדבקות, אפילו למגנטיות (מדבקות) עם אטומיות, חסוכותרות קרח).
אפשרויות ל-WITING Roadmap
המעבר למניעה חשמלית לספינות מחקר אנטארקטיות צפוי להתרחש בשלבים, מונע על ידי בגרות טכנולוגית, ירידה בעלויות ולחץ רגולטורי.
בסביבה הקרובה של Near-Term (2025-2030)
מערכות היברידיות דיזל-חשמליות יהפכו סטנדרטיות על שוברי קרח חדשים וכלי מחקר.קיבולת הסוללה תגביר לתמוך ב-2-4 שעות של פעולה שקטה, אפס-המשימה - מספיק עבור רוב משימות המבוססות על תחנה מדעית יהיה מותקן בתחנות מחקר אנטארקטיקה גדולות, בתחילה באמצעות גנרטורים אך בהדרגה מתווסממים על ידי מיקרו-צמחים מתחדשים.
אמצע-הטווח (2030-2040)
סוללות מוצקות-מדינה יהפכו להיות קיימא מבחינה מסחרית עבור יישומים ימיים, המאפשרים טווח חשמלי של 500-1000 מיילים ימיים עבור ספינות מחקר בינוניות. תאי דלק מימן הידרוגן יוצבו כיחידות כוח עזר, וייצור מימן ירוק יתחיל בתחנות עם משאבים מתחדשים בשפע (למשל, McMurdo, Syowa, הראשון היברידי-solar אנטארקטיקה מופעל עשוי לעקוף את היבשת המשולבת - כמו דיכוי בטיחות מגנטית מלאה.
זמן ארוך (2040-2050)
עם המשך ההתקדמות באחסון אנרגיה, ספינות מחקר אנטארקטיות חדשות יהיו חשמליות לחלוטין או מימן-אלקטרי, עם גיבוי רק עבור הרחבה לטווח חירום. תחנות טעינה אוטונומיות במחנות שדה מרוחקים, המופעלות על ידי רוח ושמש, יתמכו בכלי מטען חשמליים הניתנים לחזרה למשימות חוזרות.קוד הקוטב של IMO כנראה יחייב אפס אישור לספינות הפעלה חדשות בתוך מים אנטארקטיים.
מסקנה
הנעה חשמלית לספינות מחקר אנטארקטיות מציגה אתגרים משמעותיים והזדמנויות טרנספורמטיביות. מגבלות סוללות קרות-אביר, מגבלות צפיפות אנרגיה, וחוסר תשתיות הטעינה הן בעיות אמיתיות אך ניתנות להשגה.טכנולוגיות כגון סוללות מוצקות של מדינות, אדריכלות היברידית, תאי דלק מימן, וניהול תרמי מתקדם מתקדם מתמזגים כדי להתגבר על המכשולים הללו.
לקריאה נוספת על הנעה של ספינת הקוטב, ראה FLT:0 Maritime Executive ניתוח של שוברי קרח חשמליים 1 ו-FLT:2 Nature Scientific Reports Study on Battery Management in קוטבי אקלים: FLT 3:2 Nature Scientific Reports