خلايا الوقود: الصناعة تدرس الخيارات في سباق إلى الصفر الانبعاثات

الصورة الائتمان: إليوت خليج تصميم المجموعة

دومينيك كارلوتشي ، مدير ABS للآلات والكهرباء والتحكم في التكنولوجيا

صورة الائتمان: (ABS) © Polina Krasnikova / Shutterstock

صورة الائتمان (ABS): © Studio BKK / Shutterstock

Previous Next

أثبت كونسورتيوم بحري ، بما في ذلك ABS و Sandia National Laboratories ، مدى صلاحية عبّارة خلايا وقود الهيدروجين المصممة للعمليات في منطقة خليج سان فرانسيسكو الحساسة للبيئة.

قد يكون تفويض المنظمة البحرية الدولية للحد من محتوى الكبريت في الوقود البحري في بداية العام المقبل أكبر تغيير تنظيمي في مجال الشحن نظرًا لوجود بدن مزدوج ، ولكن التحدي سيتلاشى مقارنةً بأهدافه المستقبلية لتقليل غازات الدفيئة ( غازات الدفيئة).

قبل عام (أبريل 2018) ، وافقت المنظمة البحرية الدولية على استراتيجية أولية تهدف إلى الحد الأدنى بنسبة 40 ٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على أساس ميل الشحن بالطن بحلول عام 2030 ، وخفض بنسبة 50 ٪ في انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الشحن بحلول عام 2050. لدعم وإبلاغ هذا الهدف ، بدأ التجميع الإلزامي لبيانات الانبعاثات من السفن في يناير. سيتم الكشف عن الإستراتيجية النهائية للمنظمة البحرية الدولية في عام 2023. وفي غضون ذلك ، تلتزم بإصدار الدراسة الرابعة لغازات الدفيئة الخاصة بها وتحليل النتائج التي تم التوصل إليها خلال ثلاث سنوات من جمع البيانات حول انبعاثات الصناعة.

الأهداف العالمية الإلزامية لتخفيض الانبعاثات الناتجة عن الشحن هي الأكثر طموحًا حتى الآن: إنها تتطلب تدابير تجمع بين التحسينات في تصميم السفن ؛ إنشاء أنواع وقود جديدة وأشكال بديلة للدفع ؛ التغييرات التشغيلية ؛ وتطبيق التكنولوجيا الرقمية. نظرًا لأنه من غير المحتمل أن تتحقق هذه الأهداف دون تطوير تقنية جديدة ، ستحتاج الصناعة والحكومات إلى توسيع الموارد التي تتيحها للبحث والتطوير.

التكنولوجيا مع المحتملة
أحد مجالات الوعد لتوليد الطاقة على متن السفن هو خلايا الوقود. تُستخدم خلايا الوقود في الوقت الحالي في مجموعة متنوعة من تطبيقات الأراضي ، مثل توفير الطاقة في المناطق النائية ، وكذلك للمباني الصناعية والسكنية والتجارية. تُستخدم الطاقة المستمدة من خلايا الوقود الهيدروجينية ، على وجه الخصوص ، بالفعل في مركبات النقل البرية ، مثل الحافلات البلدية والقطارات والشاحنات الثقيلة ، وكذلك للمعدات الصناعية مثل الرافعات الشوكية.

في حين تم بناء غواصات مؤخرًا بوحدات دفع هجينة تستخدم خلايا وقود الهيدروجين ، فقد كان استخدامها في قطاع الشحن التجاري مقصورًا إلى حد كبير على الأغراض المساعدة: يمكن لخلايا الوقود توفير الحرارة والطاقة على متن السفينة - بما في ذلك الطاقة "الفندقية" ، مثل تلك المطلوبة في سفن الرحلات البحرية - و "الكي البارد" ، توفر مصدرًا بديلًا للطاقة على شاطئ البحر يسمح للسفن بإغلاق محركاتها أثناء الإرساء ، مما يقلل من انبعاثاتها.

بالإضافة إلى ذلك ، كان هناك الكثير من الأبحاث والنماذج الأولية في القطاع البحري لدراسة الطلبات على عبارات الركاب الصغيرة وغيرها من سفن البحر القصير. أكدت ABS ، بالشراكة مع مختبرات سانديا الوطنية ، جدوى العبارات السريعة عالية الوقود التي تعمل بالهيدروجين لاستخدامها في منطقة خليج سان فرانسيسكو. بشكل منفصل ، قدمت النرويج في أواخر العام الماضي التمويل اللازم لبناء عبارة عالية السرعة تعمل بالهيدروجين وشحن بحري قصير.

المحتملة ، والتحديات
تمتلك تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية القدرة على توفير طاقة موثوقة وطويلة المدى على نطاق صناعي ، مع تزويدها بالوقود بسرعة نسبية مقارنة بالخيارات الناشئة التي تعمل بالبطارية. يحتوي الهيدروجين نفسه على كثافة طاقة أعلى من البطاريات ، مما يجعل أنظمة خلايا الوقود أكثر عملية للمشغلين الذين يتطلعون إلى استبدال أو استكمال وحدات الدفع التقليدية التي تعمل بالوقود.

ومع ذلك ، يمكن أن تكون مصادر الهيدروجين كثيفة الاستخدام للطاقة. بدون دمج الهيدروجين المتجدد ، فإن التأثير الصافي على غازات الدفيئة الناتجة عن الهيدروجين الناتج عن الميثان أو عمليات مماثلة لا يكاد يذكر. كما أن تبني الهيدروجين كوقود بحري في أعماق البحار لا يخلو من التحديات ، حتى قبل النظر في عوامل السلامة.

من المهم مقارنة كثافة الطاقة بمصادر الطاقة المختلفة - بما في ذلك خلايا الوقود - لفهم كيفية نضجها بشكل أفضل قبل أن تكون مناسبة للشحن العالمي ، حيث يكون نقل البضائع هو محور التركيز الرئيسي. بشكل عام ، تتطلب أنظمة خلايا الوقود صيانة أقل (قد توفر تكاليف صيانة أقل) وعمر خدمة طويل. كما أنها تولد ضوضاء أقل من محطات توليد الطاقة الثقيلة الحالية ، مما يساهم في توفير بيئة عمل أكثر راحة للطاقم وتقليل الاضطراب للحياة البحرية المحيطة.

إن ملاءمة أنظمة خلايا الوقود لحلول الدفع الهجينة - إلى جانب الديزل - لها سجل حافل في الأداء. ولكن ربما الأهم بالنسبة للمالكين الاستباقيين الذين يبحثون عن طريق إلى الامتثال لانبعاثات المنظمة البحرية الدولية في عامي 2030 و 2050 ، فإن أنظمة خلايا وقود الهيدروجين ستولد صفر غازات الدفيئة ؛ منتجهم الوحيد من توليد الطاقة هو الماء. وهناك تحدٍ رئيسي آخر يتمثل في قيام الصناعة البحرية بتطوير نظام توزيع الهيدروجين قادر على إنتاج وتوزيع الكميات الكبيرة المطلوبة لشبكة عالمية من السفن الكبيرة.

تقوم المصافي بتعديل عمليات الإنتاج الخاصة بها لتلائم الزيادة في الطلب مع زيادة شعبية أنواع الوقود البديلة ، ولكن ستحتاج شبكات الإمداد إلى النضج قبل أن تشعر الصناعة البحرية بالثقة الكافية لتبني أنظمة الطاقة التي تستخدم خلايا الوقود على نطاق واسع. كتكنولوجيا لتوليد الطاقة ، تكون خلايا الوقود ناضجة نسبياً. قد يرغب مالكو السفن في النظر إلى التكنولوجيا على أنها شيء أكثر من "وقود مستقبلي" والاعتراف بفوائدها الحالية للصناعة البحرية لأنها تعمل على تقليل آثار الكربون لأساطيلها والتوجه نحو مستقبل أكثر استدامة.

كيف تعمل أنظمة خلايا الوقود
خلية الوقود عبارة عن جهاز يحول الطاقة الكيميائية من الوقود إلى كهرباء عبر تفاعل كهروكيميائي للوقود بالأكسجين ، أو عوامل مؤكسدة أخرى. وهي تختلف عن البطاريات في أن خلايا الوقود تحتاج إلى مصدر مستمر للوقود والأكسجين (عادة من الهواء) للحفاظ على التفاعل الكيميائي ، في حين أن توفر الطاقة من البطارية يتم تحديده بواسطة كمية الطاقة التي تم تخزينها. يمكن لخلايا الوقود إنتاج الكهرباء بشكل مستمر طالما يتم توفير الوقود والأكسجين لهم.

هناك أنواع كثيرة من التصميمات لخلايا الوقود. يتكون معظمها من الأنود والكاثود والكهارل الذي يسمح لأيونات الهيدروجين المشحونة إيجابيا (المعروفة باسم البروتونات) بالانتقال من الأنود إلى جانب الكاثود في خلية الوقود.

السلامة وتنظيم الناشئة
لا توجد حاليًا أنظمة IMO لتوفير المتطلبات الإلزامية لمنشآت خلايا الوقود ؛ هم في طور التطوير. تتم مراجعة هذه التطورات باعتبارها امتدادًا لمتطلبات الوقود المنخفضة النقطية. قضايا السلامة المتعلقة بالوقود الغازي مثل الهيدروجين والميثان وأنواع الوقود "الأخف من الهواء" أو البروبان (وهو أثقل من الهواء) ، تحتاج إلى ترتيبات خاصة للتهوية لمنع تكوين المناطق الخطرة المعرضة للانفجار .

بالنسبة للعديد من خلايا الوقود ، يتم إصلاح الإمداد غير الهيدروجين خارجيًا للهيدروجين والمنتجات الثانوية الأخرى قبل إدخاله في خلية الوقود. لذا فإن جزء الهيدروجين في نظام الوقود - من المصلح إلى خلية الوقود - يحتاج إلى دراسة وميزات دقيقة في التصميم.
تعتمد المراجعات الأمنية والتشغيلية لمنشآت خلايا الوقود للأصول البحرية والبحرية في المقام الأول على الدراسات القائمة على المخاطر إلى جانب لوائح سفينة المنظمة البحرية الدولية ومتطلبات IACS والمعايير والقواعد الصناعية المعمول بها أو الأدلة المستندة إلى التصميم والتكوين الخاصين لنظام خلايا الوقود .

تتم الآن مراجعة المدونة الدولية للسلامة للسفن التي تستخدم الغازات أو أنواع الوقود الأخرى المنخفضة النيران ، والمعروفة باسم كود IGF ، لتلبية متطلبات أنظمة خلايا الوقود ؛ تتوقع الصناعة أن يساعد ذلك في مواجهة تحديات السلامة الحالية.
لدعم وتعزيز ممارسة أكثر أمانًا واستدامة مع اعتماد الصناعة لأنظمة خلايا الوقود بشكل متزايد ، ستنشر ABS قريبًا دليل خلايا الوقود حول التطبيقات البحرية للتكنولوجيا ، بما في ذلك الدفع والاستخدامات المساعدة الأخرى. ستوفر منهجية منظمة لتطبيق أنظمة خلايا الوقود بتنسيق مرن بدرجة كافية لتشمل أنواع الوقود الغازي الأخرى وأي ترقيات تقنية مستقبلية.

يواجه ملاك السفن بعض القرارات البيئية الصعبة حيث تحول اللوائح الأكثر صرامة مسار صناعتهم نحو مستقبل أكثر استدامة: الحد الأقصى للكبريت بنسبة 0.5 ٪ في الوقود بحلول نهاية هذا العام ؛ تخفيض 40٪ على الأقل في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من السفن بحلول عام 2030 ؛ تخفيض بنسبة 50 ٪ في إنتاج غازات الدفيئة بحلول عام 2050 ؛ وربما أهداف أكثر طموحا وضعتها الحكومات الإقليمية والوطنية.

قد يكون الوقت مناسبًا للبدء في التفكير فيما إذا كان يمكن لأي خلايا وقود أن تلعبها في توفير الحل.

يشغل السيد كارلوتشي حاليًا منصب مدير ABS للآليات الكهربائية وتكنولوجيا التحكم. منذ انضمامها إلى ABS في عام 2008 ، شغل كارلوتشي العديد من الأدوار العليا في إدارة سلامة الأصول ، ومخاطر دورة الحياة والموثوقية ، وتصميم ومراجعة الخطة ، وتطوير المنتجات والخدمات. مع خبرة واسعة في الصناعات البحرية والبحرية ، تشمل خبرة كارلوتشي ما يلي: تطبيقات الطاقة الهجينة ، عمليات وصيانة أنظمة السفن ، تصميم النظم ، تحليل المخاطر والموثوقية (FMEA ، RCM) ، ومراقبة الحالة / الأداء. خدم في البحرية الأمريكية كضابط حرب سطحية مدرّب نوويًا. حصل السيد كارلوتشي على بكالوريوس العلوم في الهندسة الميكانيكية من جامعة ديوك وماجستير في إدارة الأعمال من جامعة هيوستن.

ظهر هذا المقال لأول مرة في الطبعة المطبوعة مارس 2019 من مجلة مارين نيوز .