كيف يمكن للسفن الانتقال إلى أنظمة الدفع الخالية من الانبعاثات؟

يمكن تحقيق دفع السفن بدون انبعاثات اليوم من خلال البطاريات الكهربائية للطرق القصيرة وخلايا وقود الهيدروجين الخضراء للشحن في أعماق البحار.

إن هذا التحول لا يمثل مبادلة تكنولوجية واحدة، بل هو إعادة هندسة نظامية. بالنسبة للسفن التي يقل طولها عن 200 ميل بحري، تتوفر أنظمة البطارية الكهربائية مع إمكانية الشحن على جانب الشاطئ 92-96% كفاءة جيدة للاستيقاظ . بالنسبة للسفن العابرة للمحيطات، الهيدروجين السائل (LH2) مقترنًا بخلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFC) يوفر الحل الوحيد الخالي من الكربون والقابل للتطوير، مما يحقق صفر انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد الكبريت أو PM . ومع ذلك، يتطلب LH2 حجم خزان أكبر بمقدار 3.7 مرة من زيت الغاز البحري (MGO) لنفس محتوى الطاقة، مما يفرض إعادة تصميم كاملة لأنظمة تخزين الوقود والتعامل معه.

لا يوجد وقود واحد خالي من الانبعاثات. الجمع بين المسارات العملية الميثانول الأخضر (المستخدمة بالفعل في سفن ميرسك التي تبلغ سعتها 16200 حاوية مكافئة) و الأمونيا (المستهدفة لعام 2026 بواسطة Fortescue) كحاملات هيدروجين، لكنها لا تزال تنتج أكاسيد النيتروجين أو أكسيد النيتروز في أنبوب العادم ما لم تقترن بالتخفيض التحفيزي الانتقائي. يظل نظام الدفع عديم الانبعاثات الأكثر نضجًا للسفن القريبة من السواحل كهربائيًا بالكامل النرويجية يارا بيركلاند إظهار 120 ميلًا بحريًا لكل شحنة بسرعة 6.5 عقدة.

المعدات المساعدة والتقنيات اللازمة للهيدروجين السائل (LH2) كوقود بحري

يتطلب استخدام LH2 نظامًا بيئيًا كاملاً من المخبأ إلى الدفع خارج خلية الوقود. هناك ستة أنظمة فرعية مهمة إلزامية للتشغيل الآمن والفعال:

• الخزانات المبردة المغلفة بالفراغ – الحفاظ على LH2 عند -253 درجة مئوية. يجب أن يكون معدل الغليان أقل من 0.2% في اليوم؛ تحقق دبابات IMO Type C الحالية 0.1-0.15%.
• نظام استعادة الطاقة الباردة - يستخدم الطاقة الحرارية المبردة الخاصة بـ LH2 (حوالي 1.2 كيلووات في الساعة لكل كجم) لتكييف الهواء أو التبريد المسبق للبضائع، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة الإجمالية للنظام بنسبة 12-18%.
• صواري تهوية مزدوجة الجدران محكمة الغلق للغاز - تصميم كشف التسرب والتشتت؛ تتطلب سرعة لهب الهيدروجين (2.7 م/ث) مناطق مقاومة للانفجار مصنفة حسب IECEx/ATEX Zone 1.
• مضخات تبريد عالية الضغط (حتى 700 بار) – توصيل LH2 إلى أجهزة التبخير؛ معدلات تدفق 500-2000 كجم/ساعة نموذجية للدفع بقدرة 10 ميجاوات.
• تعشيقات الأمان وكاشفات لهب الهيدروجين - زمن الاستجابة أقل من 3 ثواني؛ أجهزة استشعار الأشعة فوق البنفسجية/الأشعة تحت الحمراء (UV/IR) مطلوبة وفقًا للمواصفة IEC 60079-29.
• إدارة الغاز المغلي (BOG). – إما إعادة التسييل (عقوبة الطاقة 8-10%) أو التغذية المباشرة لخلايا الوقود المساعدة. بالنسبة للرحلات الطويلة، يجب حرق غاز الغليان أو إعادة تكثيفه كل 48-72 ساعة .

ترقية المعدات الحالية التي تعمل بالديزل لتلبية المعايير البيئية: مسارات التحديثية العملية

لم يتم شطب محركات الديزل الحالية. تسمح ثلاث مستويات تحديثية بالامتثال لمعايير المنظمة البحرية الدولية (IMO) من المستوى III ووكالة حماية البيئة (EPA) 2027 بنسبة 30-60% من تكلفة الاستبدال. للحد من أكاسيد النيتروجين، أنظمة التخفيض التحفيزي الانتقائي (SCR). حقق تخفيضًا بنسبة 85-95%، مما أدى إلى خفض استهلاك محركات حقبة 2000 من 14 جم/كيلووات ساعة إلى أقل من 2 جم/كيلووات ساعة. بالنسبة لسوكس، أجهزة غسيل ذات حلقة مغلقة إزالة 98% من ثاني أكسيد الكبريت، ولكنها تتطلب معالجة الصودا الكاوية والحمأة - يتم حظر أجهزة غسل الغاز ذات الحلقة المفتوحة في 80 ميناءً على مستوى العالم اعتبارًا من عام 2025.

بالنسبة للجسيمات (PM)، مرشحات جسيمات الديزل (DPFs) مع عمل التجديد النشط فقط على المحركات التي تحتوي على وقود كبريت <0.5%؛ خلاف ذلك، المحفزات المحمولة بالوقود (FBCs) جنبا إلى جنب مع مستحلب الماء في الوقود يقلل من PM بنسبة 50-60٪. مثال ملموس: تحديث Stena Line لـ 12 سفينة RoPax مع SCR DPF خفض أكاسيد النيتروجين من 12.4 إلى 1.8 جم/كيلووات ساعة وPM بنسبة 92%، بتكلفة 850.000 يورو لكل محرك - 38% من تركيب محرك جديد يعمل بالوقود المزدوج .

• تعيد تحميل نظام التحكم في المحرك – ضبط توقيت الحقن لتقليل تكوين أكاسيد النيتروجين (عادة ما يتم التثبيط بمقدار 2-4 درجة زاوية كرنك).
• التعديل التحديثي لتوقيت الصمام المتغير (VVT). – يقلل من درجة حرارة الاحتراق القصوى، ويخفض أكاسيد النيتروجين بنسبة 15-20% دون معالجة لاحقة.
• ترقية السكك الحديدية المشتركة ذات الضغط العالي – يتيح الحقن التجريبي المتعدد، مما يقلل الضوضاء وأكاسيد النيتروجين بنسبة 30% مع تقليل استهلاك الوقود بنسبة 5-7%.

ومع ذلك، فإن المحركات التي يزيد عمرها عن 25 عامًا تواجه عوائد متناقصة. لا يزال المحرك متوسط ​​السرعة لعام 1995 بعد التحديث التحديثي لـ SCR يظهر استهلاك وقود أعلى بنسبة 8٪ من خط الأساس لعام 2020، لذلك قد يتم فرض حدود التشغيل (على سبيل المثال، الحد الأقصى للحمل 60٪) لتلبية حدود الانبعاثات دون استهلاك مفرط لليوريا.

تحسين أنظمة دفع السفن لتقليل استهلاك الوقود: التدخلات المثبتة

إن تقليل استهلاك الوقود عبارة عن مجموعة من إجراءات الهيكل والمروحة والمحرك والتشغيل. الإجراء الوحيد الأكثر فعالية هو تقليل السرعة: يؤدي خفض السرعة من 24 عقدة إلى 18 عقدة إلى خفض الطاقة المطلوبة بنسبة 58% (منذ الطاقة ∝ السرعة³). بالنسبة لسفينة حاويات سعة 14000 حاوية نمطية، فإن هذا يوفر 80-100 طن من الوقود يوميا – بقيمة 64,000 دولار أمريكي يوميًا بسعر 800 دولار أمريكي/طن VLSFO.

بالإضافة إلى السرعة، توفر خمس تعديلات تحديثية فترات استرداد أقل من 3 سنوات:

1. زعانف غطاء رأس المروحة (PBCF) - تقليل خسائر الدوامة المحورية بنسبة 2-4% من توفير الوقود؛ التكلفة ~ 20000 دولار للمروحة الواحدة.
2. الجزء الساكن قبل الدوامة أو قنوات موازنة الاستيقاظ – تحسين تدفق المياه إلى المروحة. توفير نموذجي بنسبة 4-7% (على سبيل المثال، قناة Mewis من ميتسوبيشي).
3. نظام تشحيم الهواء (ALS) - حقن فقاعات الهواء تحت الهيكل؛ يوفر 5-12% عند سرعة التصميم . سجلت شركة Silverstream Technologies معدل نمو بنسبة 8.5% على 25 سفينة.
4. تجديد طلاء الهيكل باستخدام السيليكون الفاسد – يقلل الخشونة من 150 ميكرومتر إلى 30 ميكرومتر؛ يوفر الوقود بنسبة 6-10%. تنطبق كل 60 شهرا.
5. تقليم برامج التحسين - تقليم ديناميكي في الوقت الحقيقي يقلل من المقاومة بنسبة 2-5%؛ الاسترداد في كثير من الأحيان <6 أشهر.

تتضمن التحسينات من جانب المحرك استعادة الحرارة المهدرة (WHR) باستخدام دورات رانكين العضوية (ORC) - استعادة 8-12% من طاقة العادم - و ديراتينغ (الحد الأقصى للطاقة إلكترونيًا) لتشغيل المحركات بأحمالها الأكثر كفاءة (عادةً 75-85٪ من الاسمي). وجدت دراسة أجريت عام 2023 على 50 ناقلة سائبة أن الجمع بين ALS وPBCF وتحسين القطع وتخفيض السرعة بنسبة 15% قد تم تسليمه إجمالي توفير الوقود بنسبة 24-31% دون تغيير المحرك الرئيسي .

كيف يتم تنظيم معايير الانبعاثات لمعدات مناولة البضائع في الموانئ

تقع معدات مناولة البضائع في الموانئ (CHE) - جرارات الفناء، ومكدسات الوصول، والجسور ذات الإطارات المطاطية (RTGs)، والرافعات الشوكية - تحت الآلات المتنقلة غير الطرقية (NRMM) اللوائح، وليس قواعد المنظمة البحرية الدولية. في الاتحاد الأوروبي، المرحلة الخامسة (اللائحة (الاتحاد الأوروبي) 1628/2016) تم تطبيقه منذ عام 2019، حيث تم وضع حد أقصى للجسيمات عند 0.015 جم/كيلووات ساعة وأكاسيد النيتروجين عند 0.67 جم/كيلووات ساعة للمحركات التي تزيد عن 56 كيلووات. في الولايات المتحدة، وكالة حماية البيئة (EPA) من المستوى 4 النهائي (40 CFR الجزء 1039) يفرض PM ≥0.02 جم/كيلووات ساعة وأكاسيد النيتروجين ≥0.67 جم/كيلووات ساعة للمحركات ≥56 كيلووات، مع التنفيذ الكامل اعتبارًا من عام 2015.

ومع ذلك، فإن الموانئ تعتمد بشكل متزايد مراسيم "الميناء الأخضر" المحلية التي تتجاوز المعايير الوطنية. على سبيل المثال، خطة عمل الهواء النظيف لميناء لوس أنجلوس (CAAP) يتطلب خفض انبعاثات CHE بنسبة 100% بحلول عام 2030، مما يجبر المشغلين على التحول إلى وحدات خلايا الوقود التي تعمل بالبطارية الكهربائية أو الهيدروجين. اعتبارًا من عام 2025، 42% من RTGs في POLA كهربائية، مع منساخ أو أنظمة بكرة الكابلات. يقوم مجلس موارد الهواء في كاليفورنيا (CARB) بفرض هذه الإجراءات عبر تقارير التشغيل الشهرية والمعلوماتية على متن الطائرة ، مع غرامات تصل إلى 10000 دولار يوميًا لكل وحدة غير متوافقة.

بالنسبة للديزل CHE الحالي، تتضمن مسارات الامتثال ما يلي: استبدال المحرك مع وحدة معتمدة من المرحلة V/المستوى 4 (التكلفة 30,000 - 80,000 دولار أمريكي)، التحديثية مع DOC DPF (مرشح جسيمات محفز أكسدة الديزل) يحقق تقليل PM بنسبة 90%، أو إعادة الطاقة إلى ليثيوم أيون الكهربائية - والتي لها تكلفة أولية أعلى (150.000 دولار أمريكي لتحويل المعبئ) ولكنها تقلل تكلفة التشغيل بنسبة 70% بسبب الكهرباء مقابل الديزل. عادة ما تقدم سلطات الميناء حوافز المعدات منخفضة الانبعاثات : على سبيل المثال، يوفر مخطط A-Sub الخاص بميناء روتردام تمويلًا مشتركًا بنسبة 40% لعمليات التعديل التحديثي CHE الخالية من الانبعاثات.