وقود سفن المستقبل: قطع الدخان

بقلم جورجيوس بليفراكيس ، ABS17 جمادى الثانية 1441
© JEGAS RA / AdobeStock
© JEGAS RA / AdobeStock

يواجه مالكو السفن بشكل متزايد قرارات الاستثمار المعقدة أثناء محاولتهم التنقل في المسار الأكثر كفاءة إلى المستقبل المنخفض الكربون. منذ أن حددت المنظمة البحرية الدولية أهداف الصناعة الطموحة لخفض الانبعاثات لعامي 2030 و 2050 ، فقد غمر المالكون بالمعلومات المتعلقة بالوقود والتقنيات المستقبلية التي قد تخفض أو لا تؤدي في النهاية إلى آثار الكربون الخاصة بأسطولها.

بعض التقنيات الحديثة تبشر بالخير ، لكن الجدوى اليومية للكثير منهم لا تزال غير مثبتة ؛ يمكن قول الشيء نفسه بالنسبة للعديد من أنواع الوقود المحتملة. بالنسبة لكليهما ، تختلف الجداول الزمنية للنضج على نطاق واسع مثل الحلول المستقبلية. ومع ذلك ، في هذه الأوقات المضطربة يجد بعض الملاك الآن أنفسهم يواجهون قرارات استثمار طويلة الأجل للسفن الجديدة.

ومع ذلك ، قد تكون القرارات أقل تعقيدًا مما تبدو عليه. طيف حلول الوقود المتاحة واسع ، ولكن عند دراسة كل تقنية على متن الطائرة - المحركات وأنظمة إمداد الوقود والتخزين والاحتواء ، وما إلى ذلك - تنشأ التصنيفات التي يمكن استخدامها لتبسيط عملية صنع القرار.
بمجرد تصنيفها ، يجب تقييم جميع التقنيات التمكينية (بما في ذلك الوقود) من أجل النضج (الاستعداد للسوق) وإمكانات الحد من الكربون على المدى القصير والمتوسط والطويل.

على نحو فعال ، هناك ثلاثة مسارات للوقود حتى عام 2030 وما بعده: مسار الغاز الطبيعي المسال ، أو مسار "الغاز الخفيف" ؛ LPG / الميثانول (أو الكحول) مسار "الغاز الثقيل" ؛ أو مسار "الوقود الحيوي / الوقود الاصطناعي". لا شيء من هذه يستبعد بعضها بعضا.

تمتلك أول مجموعتين من التكنولوجيا بالفعل حلولاً لخفض الانبعاثات ، ولكن ، على نطاق واسع ، والأكثر عملية ، والحلول "المحايدة للكربون" و "الصفر" لا تزال قيد التطوير.

ربما الأهم من ذلك هو أن اختيار التكنولوجيا المناسبة يجب أن يتأثر في الغالب بمعيارين رئيسيين: (1) نوع السفينة و (2) ملفها التشغيلي ، أي ، أين ستتداول.

مسار الغاز الخفيف

عمومًا ، هذه أنواع الوقود تتميز بمحتوى عالٍ نسبياً من الطاقة وجزيئات صغيرة ؛ أنها تتطلب على نطاق واسع أكثر تطلبا ، أساسا المبردة ، وأنظمة إمدادات الوقود والتخزين.

تشمل عائلة "الغاز الخفيف" LNG (الميثان السائل) والميثان الحيوي (في أشكال الغاز الطبيعي المسال الحيوي والغاز الحيوي [BNG]) ؛ يجب زيادة إنتاج العائلة الأخيرة وتطوير التقنيات قبل أن تصبح وقودًا تجاريًا قابلاً للتطبيق.

الغاز الطبيعي المسال هو وقود منخفض الكربون ناضج نسبيا ، مما يقلل من انبعاثات الكربون بنحو 20 ٪ إذا لم يتم أخذ تأثير انزلاق الميثان في الاعتبار. وبالمثل ، يمكن اعتبار الميثان الحيوي ، المشتق من مصادر عضوية ، كربون "محايد" ، إذا لم يتم أخذ زلة الميثان في الاعتبار.

بالنسبة للغاز الطبيعي المسال و BNG ، يعد تقليل انزلاق الميثان أمرًا مهمًا لإمكانياتهما التجارية كوقود مستقبلي ، ولهذا السبب تحاول الصناعة بنشاط تطوير مجموعة من تقنيات التحكم في الانبعاثات ذات الصلة. بدونها ، يمكن أن يؤدي استخدام الغاز الطبيعي المسال كوقود ، في بعض الحالات ، إلى زيادة إنتاج ثاني أكسيد الكربون من الشحن ، مقارنة بزيت الوقود الثقيل أو زيت الغاز البحري (HFO ، MGO).

من منظور الخزان إلى الاستيقاظ - استهلاك الغاز الطبيعي المسال داخل الوعاء - تعمل محركات دورة الديزل ذات الضغط العالي بالفعل مع انزلاق غاز الميثان أو عدمه. وهناك تقنيات قيد التطوير وفي المراحل الأولى من الاختبار - مرشحات الانزلاق الميثان ، المحولات الحفازة ، وما إلى ذلك - يمكن أن تقلل في النهاية من إنتاج الكربون عبر سلسلة إنتاج الغاز الطبيعي المسال الكاملة.

بالنظر إلى إمكانياتها المحدودة نسبيا لخفض ثاني أكسيد الكربون في حالتها الحالية ، سيكون من السهل وغير الصحيح رؤية الغاز الطبيعي المسال كمساهم على طريق تحقيق أهداف خفض الانبعاثات لعام 2030. إمكاناتها قد تكون أكبر من ذلك ، معطى الوقت.

إذا ثبت أن وقود الميثان الحيوي أو الميثان الكهربائي (انظر القسم الكهربي / الاصطناعي أدناه) قابل للتطبيق على نطاق تجاري على المدى المتوسط ، فإن إنتاج الكربون الحالي للغاز الطبيعي المسال يمكن تخفيضه بدرجة أكبر مع مزيج الوقود. يحتمل أن يكون وقود BNG أو وقود الميثان الكهربائي محايدًا للكربون ، وهناك حاليًا استثمارات كبيرة في الصناعة مكرسة لاستكشاف هذه الحلول.

من منظور الجدول الزمني ، في نهاية مسار الغاز الخفيف ، يوجد الهيدروجين ، الذي يحتاج إلى عقد على الأقل لإثبات قدرته على البقاء كوقود بحري تجاري ؛ وربما هذا طموح. هناك الكثير من العقبات التقنية في الطريق ، وأكبرها هو التخزين. هناك حاجة إلى مزيد من البحث أيضًا لتأكيد الطريقة الأكثر فاعلية لاستخدام الهيدروجين في الدفع البحري: تعد خلايا الوقود وتوربينات الغاز من الحلول المحتملة ، ولكنها بعيدة كل البعد عن الجدوى التشغيلية ، أو الفعالية من حيث التكلفة.

على الرغم من أن الهيدروجين هو أبعد جزء من عائلة الغاز الخفيف عن قابليته للحياة ، إلا أنه يحمل وعدًا كبيرًا. قد يحتوي على أقل كثافة طاقة (طاقة لكل حجم) ولكنه يحتوي إلى حد بعيد على أعلى محتوى للطاقة (طاقة لكل وزن) ؛ وحدة واحدة ستوفر ثلاثة أضعاف الطاقة من حجم متساو من الغاز الطبيعي المسال أو HFO. يمكن أن يكون وقودًا بحريًا خالٍ من الكربون ، ولكن هناك حاجة إلى عدد كبير من التطورات التكنولوجية لجعله حلاً عمليًا.

مسار الغاز الثقيل
بشكل عام ، تتكون هذه الوقود من جزيئات ثقيلة أكثر تعقيدًا ومحتوى طاقة مقارنة أقل من عائلة الغاز الخفيف ، كما أن ظروف توفير الوقود وتخزينه أقل طلبًا.

يشمل وقود الغاز الثقيل غاز البترول السائل (LPG) والميثانول (والإيثانول ، كجزء من عائلة الكحول) والميثانول الحيوي ، وفي النهاية الأمونيا. يستخدم كوقود ، يقلل الميثانول في شكله الحالي من إنتاج ثاني أكسيد الكربون بنحو 10٪ ؛ إذا أصبحت متوفرة على نطاق تجاري ، يمكن أن يكون الميثانول الحيوي والميثانول الكهربائي محايدين من الكربون.

نظرًا لأن بعض أنواع الوقود هذه تحتوي على نسبة منخفضة جدًا من الطاقة ، فقد تكون مناسبة فقط لأنواع محدودة من السفن والتداولات والطرق ؛ قد تكون القدرة على إيقاف عدة وقود في حلقة التداول النموذجية للسفينة ضرورية. الاستثناء هو غاز البترول المسال (LPG) ، الذي لم ينضج استخدامه بالسرعة المسال للغاز الطبيعي المسال ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن لديه إمكانية أقل لتقليل الانبعاثات ، ويواجه تحديات أمان مختلفة.

من حيث النضج ، مثل LNG ، LPG والميثانول هي بالفعل جزء من مزيج التقنية الحديثة ؛ مشتقاتها الحيوية هي اعتبارات متوسطة الأجل حيث تنتظر الشحن لتقنيات النضج وأن يتم إنتاج الوقود على نطاق واسع.

المحركات التي تعمل بأمونيا غير متوفرة حاليًا وتتطلب 3 إلى 4 سنوات أخرى حتى يتم تسليم أول محرك. قد تأتي المحركات الأولى من مجتمع الناقل للأمونيا. يحتمل أن تكون الأمونيا وقودًا خالٍ من الكربون ، إذا تم استخدام الطاقة المتجددة أثناء الإنتاج ، مما يضيف تكلفة. وقد شهدت إمكانياتها التصميمات الحديثة التي تم الكشف عنها لسفن التغذية التي تعمل بأمونيا.

ومع ذلك ، يجب إنشاء بنية تحتية شاملة في جانب العرض حتى يصبح الوقود قابلاً للتطبيق من الناحية التجارية - وتنفذ لوائح أمان جديدة وصارمة - لذلك ، من الأفضل مراعاة الاستخدام العملي فقط على المدى الطويل.

المسار الحيوي / الاصطناعي:
هذه هي أنواع الوقود التي يتم إنتاجها من خلال المواد والمصادر الخام المستمدة من الناحية البيولوجية. من حيث المبدأ ، في شكل سائل ، يكون اتساقها قريبًا جدًا من زيت الديزل ، مما يمكن أن يقلل من عدد التقنيات الجديدة التي ستحتاج إلى تطوير لاستخدامها ، وكذلك أي تغييرات على تصميمات السفن الحالية.

في الوقت الحالي ، الأكثر استخدامًا هو وقود الديزل الحيوي أو FAME (إسترات حمض الميثيل الدهنية) ، والتي تعد جزءًا من أحدث مواصفات ISO (8217/2017) لخلطات الوقود البحرية ويتم تقديمها من قبل جميع شركات النفط الكبرى. يسمح المعيار بوقود الديزل الحيوي بنسبة 7٪ في مزيج الوقود ، لكن بعض مالكي السفن يختبرون مزيجًا أكثر ثراءً من 20 إلى 100٪.

نظرًا لأن إنتاجهم له تأثير على البيئة (يحد من إمكاناتهم في تقليل انبعاثات دورة الحياة) ويتنافسون على المحاصيل الغذائية ، فإن هذا الجيل الأول من الوقود الحيوي مثير للجدل

الوقود الحيوي المقترح الآخر هو HVO (الزيت النباتي المعالج بالماء) ، والذي يحتوي على نسبة عالية من الطاقة ، على غرار MGO. يمكن إنتاج HVO في المصافي القائمة حيث تتم المعالجة المائية. المنتج النهائي هو وقود مستقر إلى حد كبير مع خصائص جيدة للغاية ومخاطر منخفضة من الأكسدة.
تشمل عائلة الوقود الحيوي / الاصطناعية أنواعًا من الغاز إلى سائل ، أو GTL ، التي يتم إنتاجها إما من خلال التقاط الكربون والتحليل الكهربائي ، أو تحويل مادة التخليق التي تنتج من الأحيائي إلى وقود سائل ، مثل الميثانول أو الديزل.

هذه أنواع الوقود هي خيارات متوسطة إلى طويلة الأجل لمالكي السفن. ومع ذلك ، نظرًا لأن هذه الحلول يمكن أن تكون حلولًا "للتشغيل والتشغيل" (الوقود الحيوي المنخفض) التي تقلل من النفقات الرأسمالية ، يتم استكشاف أنواع الوقود الكهربي الاصطناعية بشكل نشط من قبل منظمات الشحن الوطنية الكبرى التي تركز على القطاع.
على المدى الطويل ، يكون للجيلين الثاني والثالث من أنواع الوقود الحيوي (على سبيل المثال ، من الكتلة الحيوية للنفايات ، اللينوكيلولوز [ألياف النباتات الخشبية] أو الطحالب) إمكانية تزويد الشحن الدولي بأحجام وقود تتجاوز متطلباتها السنوية الحالية.

تصميمات السفن المستقبلية

مع وجود الجداول الزمنية للنضج للعديد من الحلول متوسطة وطويلة الأجل في الوقت الحالي شديدة السوائل ، فإن إحدى الطرق لإثبات مستقبل تصميم السفن الجديدة هي إدخال المزيد من المكونات الكهربائية ، مثل محركات الأقراص الكهربائية و / أو الدفع. إذا اختار المالك محركًا كهربائيًا ، يصبح توليد الكهرباء على متن الطائرة غير صالح للوقود ؛ يمكن أن يكون من خلايا الوقود أو البطاريات - أو أي مجموعة - أو محرك يتم تشغيله على LNG أو الميثانول ، على سبيل المثال.

عندما / إذا كان هناك حاجة إلى ترقية أحد المكونات في وقت لاحق ، فإنه يحتوي بالفعل على محرك كهربائي مثبت. هذه هي الطريقة التي ينظر بها أصحاب السفن والمواثيق الأكثر تقدما إلى المستقبل.

بهذه الطريقة ، عندما / إذا أصبح نظام الدفع قديمًا ، فلا يجب استبداله بالكامل ؛ يمكن تحديث المحرك لحرق وقود آخر. أو ، إذا تقدمت تقنيات خلايا الوقود بشكل كافٍ على مدار العشرين عامًا القادمة ، فيمكنها استبدال المحركات ، إذا كان ذلك منطقيًا من الناحية الاقتصادية.

تواجه أنظمة الدفع الكهربائي الحالية الممنوحة بعض التحديات التي يجب التغلب عليها ، ولكن لا يزال يتعين على المالكين البدء في إدخال التركيبات الكهربائية في تصميماتهم: خرج الطاقة أو المدخلات ؛ تقليل مولدات الديزل. تحسين أحمال المولد وكبار المحرك ؛ وجعل التصميم كله أكثر كفاءة. عند القيام بذلك ، سوف يتخذ أصحاب الخطوة الصغيرة الأخرى نحو تقليل البصمة الكربونية لأسطولهم.

عن المؤلف

جورجيوس بليفراكيس هو مدير الاستدامة العالمي في المكتب الأمريكي للشحن.

الوقود والزيوت, جمعيات التصنيف, جمعيات التصنيف الاقسام