المنظمة البحرية الدولية 2020: مستقبل الهيدروجين في الملاحة البحرية

بقلم جوزيف ديرينزو14 ذو القعدة 1440

تكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين لتلبية متطلبات المنظمة البحرية الدولية في المستقبل
مع الضغط المستمر من قبل المجتمع البحري لتقليل انبعاثات السفن لتلبية لوائح IMO MARPOL Annex VI والحد من محتوى الكبريت من السفن من 1 يناير 2020 إلى 0.5 في المائة على مستوى العالم ، بدأ العديد من مالكي السفن في التفكير في تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية لتلبية تطور لوائح الانبعاثات. حتى الآن ، تم إنفاق مئات الملايين من الدولارات على البرامج البحثية لاستخدام خلايا الوقود الهيدروجينية للنقل. بدأت العديد من القوى البحرية ، بما في ذلك الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة واليابان ، في تنفيذ برامج تجريبية لتقييم جدوى الهيدروجين البحري لتقليل الانبعاثات مع الحفاظ على تكافؤ التكلفة مع تقنية الدفع التقليدية.

صوت رائد في هذا المجال هو الدكتور ، جوزيف برات ، الرئيس التنفيذي والمدير التنفيذي لشركة Golden Gate Zero Emission Marine (GGZM) ، وهو خبير معترف به دوليًا في الهيدروجين البحري. GGZM هي واحدة من العديد من الشركات التي تقوم بالانتقال من دراسة الجدوى إلى بناء السفن وتشغيلها.

أول سفينة لخلايا الوقود الهيدروجينية التجارية في أمريكا الشمالية
بعد الانتهاء من مراسم وضع عارضة لمرور المياه في نوفمبر من العام الماضي وإطلاق متوقع في سبتمبر من هذا العام ، GGZM على الطريق الصحيح لتصبح أول سفينة تجارية لخلايا الوقود الهيدروجينية في أمريكا الشمالية. سيكون Water-Go-Round عبارة عن طوف يبلغ طوله 70 قدمًا تم بناؤه من قِبل Bay Ship & Yacht Co. قادرًا على حمل ما يصل إلى 84 راكبًا في منطقة الخليج.

فريق GGZM في حفل وضع عارضة المياه Water-Go-Round. من اليسار إلى اليمين في الصورة: الكابتن جو بورغارد ، المؤسس المشارك) ؛ جون موتلو ، نائب الرئيس للتسويق والاستراتيجية ؛ تشارلي فالتر تايلر فوستر روز دويديك راباني توماس ايشر ، مؤسس مشارك) ؛ ودون جونسون. الصورة الائتمان GGZM.

ووفقًا للدكتور برات ، ستعمل السفينة فور إطلاقها في خليج سان فرانسيسكو لمدة ثلاثة أشهر ، بينما تجري مختبرات سانديا الوطنية ، وهي مختبر وطني في طليعة تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية ، اختبارات الأداء على بيانات السفينة وتجميعها. ستحمل السفينة مجموعة خزان تصل إلى 242 كجم من الهيدروجين المضغوط عند 250 بارًا (حوالي 3600 رطل / بوصة مربعة) والتي ستوفر ما يكفي من الوقود لمدة تصل إلى يومين كاملين من التشغيل. سيتم الدفع باستخدام ذراع التدوير المائي بواسطة محركي عمود الدوران 300 كيلو وات (400 حصان) مع بطارية 100 كيلو وات لتوفير سرعات تصل إلى 22 عقدة.

يأتي بعض التمويل الأولي لمشروع Water-Go-Round من California Climate Investments ، وهو برنامج الحد الأقصى والتجارة الذي يهدف إلى الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في ولاية كاليفورنيا.

علق الدكتور برات بأن الإطلاق الناجح لأعماله وبناء جولة المياه "كان وقتاً طويلاً في صنع" نما عضويا من الشراكات التي طورها أثناء إدارة SF-BREEZE وغيرها من الدراسات في سانديا الوطنية مختبرات.

"أظهر تقرير الجدوى أنه يمكن القيام به ، لكننا أردنا إثبات ذلك. عند النظر إلى الجانب التجاري [للشركة] ، رأينا طلبًا كبيرًا بالفعل على سفن خلايا وقود الهيدروجين ".

بمجرد اكتمال مشروع Water-Go-Round ، ستركز GGZM جهودها على أخذ الدروس المستفادة من المشروع لتطوير أنظمة طاقة خلايا الوقود الهيدروجينية "الجاهزة للانطلاق" والتي يمكن استخدامها لبناء سفن جديدة وتناسب جميع أنحاء العالم .

الدكتور جوزيف برات ، المدير التنفيذي / المدير التنفيذي لشركة GGZM. صورة فوتوغرافية لـ GGZM ”The chicken come first“
أحد التحديات التي يتم ذكرها في كثير من الأحيان هو معضلة "الدجاج والبيض" عندما تدخل تقنية دفع مدمرة إلى السوق البحرية. يزعم النقاد أن مالكي السفن يترددون في نشر تكنولوجيا جديدة في بناء السفن الجديدة ، مثل خلايا وقود الهيدروجين ، إلى أن يتم إنشاء البنية التحتية للميناء. سوف يزعمون أيضًا أن البنية التحتية للموانئ لن تتطور حتى يكون هناك طلب قوي من مالكي السفن مما يخلق معضلة "الدجاج والبيض".

بالنسبة للدكتور برات ، الجواب هو "من الواضح أن الدجاج يجب أن يأتي أولاً ... الدجاج هو الدليل".

مع ملاحظة أن الولايات المتحدة تنتج أكثر من 10 ملايين طن متري من الهيدروجين سنويًا (US DOE) ، يعتقد الدكتور برات أن المكونات الضرورية للتوسع السريع في تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية البحرية موجودة بالفعل في العديد من البلدان الصناعية في جميع أنحاء العالم.

وقد سخر من أنه بدلاً من إنتاج عدد لا نهائي من دراسات الجدوى ، كان من الضروري "الحصول على القوارب على الماء" لإثبات للمجتمع البحري الدولي أن تكنولوجيا الهيدروجين يمكن أن تكون مجدية اقتصاديًا.

يؤكد الدكتور برات أن العامل الأكبر في تحديد أي جزء من العالم سيتبنى هذه التكنولوجيا هو "ما إذا كان [مالكو السفن] يمكنهم الحصول على الهيدروجين". في الوقت الحالي ، لا تتمتع جميع الدول في جميع أنحاء العالم بسهولة الوصول إلى الهيدروجين. علاوة على ذلك ، ستحتاج غالبية السفن إلى هيدروجين سائل بناءً على قدرتها على التحمل المطلوبة لأن الهيدروجين السائل يحتوي على كثافة طاقة أعلى بكثير من غاز الهيدروجين المضغوط. بسبب الشبكة الناضجة لموردي الهيدروجين في أمريكا الشمالية ، يعتقد الدكتور برات أن أمريكا الشمالية ستظل سوقًا قويًا لهذا النوع من التكنولوجيا البحرية.
تقديم ثلاثي الأبعاد لجولة الماء. Photo credit Incat Crowther من أين يأتي الهيدروجين؟
أحد الفروق المهمة عند مناقشة إمكانات تقليل انبعاثات تكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين هي الطريقة التي يتم بها إنتاج الهيدروجين. تنتج طرق مثل إصلاح الميثان البخاري والأكسدة الجزئية الهيدروجين باستخدام الميثان كمادة وسيطة ، بشكل عام من الغاز الطبيعي. وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، فإن عملية إصلاح ميثان البخار والأكسدة الجزئية تنتج الهيدروجين عن طريق الجمع بين البخار عالي الحرارة (700 إلى 1000 درجة مئوية) مع الميثان في وجود محفز. يشير تقرير صادر عن DNV GL بعنوان "تقييم أنواع الوقود البديلة والتكنولوجيات المختارة" إلى أن الهيدروجين المنتج بهذه الطريقة يحتوي على كمية جيدة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تساوي 90 جرامًا لكل ميجا جول (MJ) وهو أكثر من كل من HFO و MGO. في كتابة هذا المقال ، يتم إنتاج غالبية الهيدروجين في العالم باستخدام هذه الأساليب.
الطريقة الأخرى التي تثير الانتباه هي استخدام التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين. أثناء عملية التحليل الكهربائي ، يتم استخدام الكهرباء لفصل الماء إلى الهيدروجين والأكسجين.

يتم تحقيق ذلك من خلال عدد من المحولات الكهربائية المختلفة بما في ذلك غشاء البوليمرات المنحل بالكهرباء (PEM) ، القلوية ، ومحلل أكسيد أكسيد الصلب الذي يختلف في المواد ، ودرجة حرارة الإنتاج ، وكيف تحدث التفاعلات داخل العملية. يعتبر التحليل الكهربائي "أخضر" عندما تأتي الكهرباء المستخدمة لتشغيل المعدات من مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح أو الطاقة الشمسية أو النووية أو الغاز الحيوي.
على الرغم من أن مشروع Water-Go-Round لم يتقرر بعد بشأن مورد الهيدروجين وطريقة إنتاج الهيدروجين المرتبطة به ، يعتقد الدكتور برات أن اعتماد 100٪ من الهيدروجين المتجدد "سوف يحتاج إلى حدوث في خطوات". من أجل الحصول على تبني واسع النطاق ، يعتقد أنه "يجب أن يكون الحل قابلاً للتطبيق اقتصاديًا ... يجب أن يكون مدفوعًا بالسوق ، وليس مدعومًا بمبادرات التمويل الحكومية. حاليا ، الهيدروجين المتجدد أغلى من الهيدروجين التقليدي ".

"في حين أن الهيدروجين المتجدد هو الهدف ، فهو لا يوفر حلاً قابلاً للتطبيق اقتصاديًا اليوم". تتمثل الإستراتيجية الحالية للدكتور برات في البدء بالسفينة والهيدروجين التقليدي ، والذي يمكن أن يكون قابلاً للتطبيق اقتصاديًا ، ثم الانتقال إلى محتوى متجدد أعلى حيث يحقق مستوى تكلفة يجعله قابلاً للتطبيق أيضًا. إذا حاولنا القيام بكليهما اليوم ، فإن التأثير الكلي قد يكون تأخير في قبول التكنولوجيا بشكل عام ".

هل يمكن أن يكون الهيدروجين اقتصاديًا؟
عند مناقشة الجدوى الاقتصادية لتكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية في سياق مشروع Water-Go-Round ، يشير الدكتور برات إلى أن "القيمة الرئيسية المقترحة لسفن خلايا الوقود الهيدروجينية تتمثل في التخفيض الكلي لتكاليف السفينة. لن يحتاج مالكو السفن أبدًا إلى القيام بعملية "إعادة تشغيل" كاملة مرة أخرى. أولاً ، ستنتقل من محرك ميكانيكي به مئات الأجزاء المتحركة إلى نظام الحالة الصلبة لخلية الوقود. ثانياً ، في نهاية العمر ، لا تحتاج إلى تبديل المحركات ؛ بدلاً من ذلك ، تحتاج فقط إلى استبدال خلايا الوقود المنفصلة بمجرد تجاوز دورة حياتها. بشكل عام ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل الصيانة وتقليل وقت التعطل "مما يؤدي في النهاية إلى تقليل إجمالي تكاليف التشغيل والصيانة للسفينة.

كما أشار الدكتور برات أيضًا إلى أن هناك اقتراحًا ثانويًا يتمثل في التحول إلى نظام خلايا وقود الهيدروجين هو أن السفينة أكثر هدوءًا من محركات الديزل المماثلة وليس لديها أي تلوث على متنها. يفتح هذا العديد من الاحتمالات ، على سبيل المثال يمكن لمالكي السفن استخدام مواثيق غير تقليدية لسفن الركاب مثل "اجتماعات التعاون" و "الرحلات الطبيعية" بسبب انخفاض مستوى الضوضاء وتلوث الهواء.

المستقبل
مع اقتراب مشروع Water-Go-Round من رحلته الأولى ومشاريع أخرى مثل مشروع HYSEAS III في المملكة المتحدة أو مشروع HYBRIDskip في النرويج في مراحل مختلفة من التنفيذ ، فمن الواضح أن تكنولوجيا الهيدروجين البحري تتقدم بسرعة من المفهوم إلى خلق على نطاق عالمي. على غرار القبول السائد للغاز الطبيعي المسال (LNG) كوقود بحري ، من المحتمل أن يحقق الهيدروجين اعتمادًا مشابهًا على نطاق واسع. يؤكد الدكتور برات على أن خلايا خلايا الوقود الهيدروجينية سوف تتجمع في البداية في المناطق التي بها ضوابط أكثر صرامة للانبعاثات ، مثل منطقة التحكم في الانبعاثات المحددة في الملحق السادس من MARPOL ، بين السفن ذات المسار الثابت مثل العبارات والقوارب الساحبة والتجار الساحليين. مع انتشار إنتاج الهيدروجين في جميع أنحاء العالم ، قد تبدأ السفن الأكبر ذات المسارات المتغيرة مثل سفن الحاويات في اعتماد هذه التكنولوجيا. يلاحظ الدكتور برات الاقتصاد في حجم سفينة الحاويات ، وسرعان ما يلاحظ أن "سفينة حاويات واحدة يمكن أن تبرر منشأة جديدة لإنتاج الهيدروجين" في ميناء مما يشير إلى أن الاعتماد العالمي لهذه التكنولوجيا قد يكون في الأفق.

نبذة عن الكاتب

جوزيف ديرينزو هو مدير مشروع تقني ومهندس محترف يتمتع بخبرة بحرية تقارب 10 سنوات في خفر السواحل الأمريكي. كانت جولته الأخيرة في مركز أبحاث وتطوير خفر السواحل في نيو لندن ، كونيتيكت ، حيث قاد ، من بين مشاريع أخرى ، دراسة جدوى حول استخدام الغاز الطبيعي المسال (LNG) لأسطول خفر السواحل الجديد من عطلات نهر إينلاند. مع اهتمام قوي بالتكنولوجيا البحرية المتجددة ، حصل على منحة فولبرايت في عام 2012 لدراسة تكنولوجيا الغاز الطبيعي البحري في الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا في تروندهايم ، النرويج. وقد كتب عددًا من المقالات في المنشورات التجارية والمجلات الأكاديمية حول استخدام الغاز الطبيعي المسال في القطاع البحري. خلال مسيرته في خفر السواحل ، عمل على متن سفينتين مختلفتين ، بما في ذلك جولة رئيس قسم كمسؤول عمليات ، حيث قام بالعديد من المهام البحرية على سواحل الولايات المتحدة.

العبارات, العبارات, الوقود والزيوت, بناء السفن, تقنية, محركات الأقراص الهجينة الاقسام