ماذا تعلمنا من رحلة الطاقة المتجددة التي قامت بها Energy Observer حول العالم؟
في 14 June 2024 ، مراقب الطاقة أكملت رحلتها حول العالم ووصلت إلى موطنها في سان مالو، بعد سبع سنوات من الإبحار. مراقب الطاقة السفينة المختبرية هي أول سفينة ذاتية القيادة في العالم للتنقل في المحيطات باستخدام مزيج من الطاقات المتجددة والهيدروجين المنتج على متنها من مياه البحر.
أسسها فيكتوريان إيروسارد، ضابط البحرية التجارية والملاح البحري، مراقب الطاقة أبحرت حول العالم بهدف الترويج لتبادل المعرفة والحلول المستدامة من أجل مستقبل كوكبنا، جمعت شركة إيروزارد فريقًا من البحارة والعلماء والمهندسين والصحفيين للسفر على متن السفينة أثناء الرحلة والتجارب.
على فترة مراقب الطاقة في رحلة بحرية تمتد لمسافة 68,000 ألف ميل بحري، تم اختبار أحدث التقنيات المتطورة - الهيدروجين، والبطاريات، والطاقة الشمسية وطاقة الرياح - حتى نقطة الانهيار، وتم تحسينها، بدعم من العديد من شركاء التصنيع.
يتحدث اروسارد إلى دقيقة حول هذا المشروع الرائد وكيف مراقب الطاقة لقد أرسى الإطار اللازم للطاقة البحرية والخضراء المستدامة في جميع أنحاء العالم.
ما هي التقنيات المستدامة التي نجحت على متن الطائرة والتي لم تنجح؟
أجنحة المحيط
VE: باعتبارها النموذج الأولي لهذه التكنولوجيا بهذا الحجم، لم تواجه OceanWings سوى القليل من التحديات فيما يتعلق بالتكامل والتنفيذ. ومع ذلك، فقد تم التحقق من صحة المفهوم نفسه بنجاح كبير.
عند استخدام الأشرعة فقط للدفع، مراقب الطاقة بلغت سرعة الذروة 16.6 عقدة وحافظت غالبًا على سرعة 8-9 عقدة بثبات مع 25 عقدة من الرياح الظاهرة بزوايا قائمة. بالنسبة لـ 62 مترًا مربعًا من الأشرعة ولقارب يبلغ وزنه 2 طنًا، فهذه نتيجة جيدة جدًا، حتى فوق التوقعات. سمحت المساحة الصغيرة للأشرعة وموقعها الرأسي بتأثير تظليل محدود للغاية على نظام الطاقة الكهروضوئية للقارب والذي ظل المدخل الرئيسي للطاقة للتحكم والحياة على متن الطائرة.
توربينات الرياح العمودية ونظام دفع الطائرات الورقية
VE: قبل تركيب OceanWings في عام 2019، تم اختبار تقنيتين أخريين لطاقة الرياح:
• إن توربينات الرياح العموديةتحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية
• نظام الطائرات الورقية للدفع المباشر، وتحويل طاقة الرياح مباشرة إلى حركة القارب
لم يتم الاحتفاظ بهذين النظامين على متن القارب. وفي حالة توربينات الرياح الرأسية، لم يكن توازن الطاقة للتوربين إيجابيا. فعندما كانت الرياح الظاهرة من مقدمة القارب، كانت توربينات الرياح تدور بشكل جيد، لكن الطاقة الكهربائية اللازمة لتزويد المحرك الكهربائي للتغلب على فقدان السرعة الناجم عن السحب كانت أعلى من الطاقة الكهربائية المحولة بواسطة توربينات الرياح. وعندما كانت الرياح من الخلف، كانت تعمل في الواقع تقريبًا مثل الإبحار، مما كان يتسبب في السحب في الاتجاه الآخر ودفع القارب. لكن السرعة الظاهرة للرياح كانت منخفضة نتيجة لذلك ولم يكن الإنتاج الكهربائي جيدًا كما كان متوقعًا.
أما بالنسبة لنظام الطائرة الورقية، فبعد إجراء بعض الاختبارات، توصل الفريق الفني إلى أن النموذج الأولي لم يكن جاهزًا من حيث الاستخدام المستقل.
مراوح ذات خطوة متغيرة
في عام 2019، بعد تركيب OceanWings، حلت مراوح متغيرة السرعة محل مراوحنا الكلاسيكية من أجل الحد من السحب عند استخدام الأشرعة فقط. لقد وفرت في الواقع حلاً جيدًا للغاية لهذا الغرض. ومع ذلك، فقد قللت من سعة توليد الطاقة الكهرومائية باستخدام المراوح كتوربينات مائية. كان الأمر بمثابة حل وسط لتفضيل الإبحار على توليد الطاقة الكهرومائية.
خلية وقود تويوتا
VE: تم تركيب خلية الوقود في عام 2019 وهي نتيجة التعاون بين فريقي Toyota Motor Europe وEODev. أدى هذا العمل إلى تطوير مولد الهيدروجين الكهربائي GEH2، المنتج الرائد لشركة Energy Observer Developments | EODev، والذي يعد الآن أحد رواد العالم في هذا المجال.
تم إجراء تحسينات التكامل على مر السنين استجابةً للملاحظات الأولية. مع ضبط طاقة الإخراج عند 30 كيلو وات، تبلغ الكفاءة الكهربائية للنظام 58 بالمائة. تتمتع خلية الوقود هذه بموثوقية عالية، وتُظهِر كفاءة وسلوكًا جيدًا، حتى في البحار الهائجة. تم تطوير واجهة تبادل الحرارة بواسطة الفريق الفني من مراقب الطاقة كما سمح باستخدام الخلية في تسخين الهواء والماء للاستخدام على متن الطائرة كمنتج ثانوي للإمداد الكهربائي من الهيدروجين.
إنتاج الهيدروجين وتخزينه
مجلة Energy Observer في عام 2019 كجزء من جولتها العالمية. الصورة مقدمة من Lloyd Images/Energy Observer.
VE: فيما يتعلق بجزء إنتاج الهيدروجين من النظام، كان المحلل الكهربائي موثوقًا للغاية ولم يتطلب أي صيانة علاجية. ومع ذلك، فإن الضاغطين المستخدمين لزيادة ضغط الهيدروجين من 30 بار (ضغط الهيدروجين عند مخرج المحلل الكهربائي) إلى 350 بار (ضغط الهيدروجين في الخزانات عندما تكون ممتلئة)، كانا الحلقة الأضعف في السلسلة. لقد تطلبا الكثير من التعديلات في السنوات الأولى من المشروع بعد العديد من حالات فشل الأغشية. لم يتم التغلب على هذه الأعطال تمامًا ولكن التعديلات التي أجريت سمحت بمشاكل أقل. لم يكن الأمر خطيرًا ولكنه حد من وقت إنتاج الهيدروجين.
كيف سيتم تطبيق الابتكارات التي تم اختبارها على متن السفن على قطاعي الترفيه البحري والتجاري؟
VE: لقد سمح لنا رد الفعل الذي تلقيناه من Solbian، شريكنا الفني في مجال الألواح الشمسية الكهروضوئية، بتطوير منتجاتها. لقد اختبرنا أنواعًا مختلفة من الألواح، في ظروف متنوعة وقاسية (درجات حرارة عالية، ورطوبة عالية، وسير الكثير من الأشخاص على الألواح، وما إلى ذلك)،
من خلال كونها أول سفينة تستخدم OceanWings بهذا الحجم، مراقب الطاقة ويقدم الدليل على أن هذا المفهوم فعال وبالتالي فهو يمثل تقنية واعدة لدفع الرياح في القطاع البحري.
تم تقديم ملاحظات حول الاستخدام والبيانات إلى مزود OceanWings، Ayro، وتم منذ ذلك الحين تكييف التكنولوجيا لسفينة بحرية تجارية، لا كانوبي، ولمشروع آخر في قطاع الترفيه البحري مع Zen50 وعاء.
كان استخدام خلايا وقود تويوتا على متن السفن بمثابة نقطة البداية لتطوير Energy Observer Developments | EODev REXH2، وهو نظام خلايا وقود متكامل متوافق مع الأنظمة البحرية باستخدام تقنية خلايا وقود تويوتا.
تم تجهيز عدد قليل من القوارب بالفعل بنظام REXH2 في قطاع الترفيه والتنافس البحري (Hynova، Fastboat America's Cup، Fontaine Pajot) ومن المتوقع طرح المزيد من المشاريع في قطاع الملاحة التجارية، كمصدر طاقة كهربائية مساعد من الهيدروجين أو حتى كمصدر رئيسي للطاقة في حالة مراقب الطاقة 2 مشروع الشحن.
لا ننصح بإقامة سلسلة إنتاج هيدروجين كاملة على متن السفينة، لأنها معقدة للغاية وليست الطريقة الأكثر كفاءة لإنتاج واستخدام الهيدروجين. ولكن بالنسبة لـ مراقب الطاقة كان ذلك ضروريًا بالفعل لأن الهيدروجين لم يكن متاحًا للتزود بالوقود عند التوقف.
لماذا تثير طاقة الهيدروجين الجدل حول الطاقة المتجددة؟
VE: النقاش بين الطاقة المتجددة (أو بالأحرى، الكهرباء) والهيدروجين يحدث ذلك عندما نفكر بشكل خاطئ وببساطة في الاثنين على أنهما متنافسان.
من ناحية أخرى، اكتسب الهيدروجين زخمًا في السنوات الأخيرة باعتباره ناقلًا للطاقة النظيفة: فهو يحترق بشكل نظيف، وهو متعدد الاستخدامات بشكل لا يصدق ولديه أفضل كثافة طاقة من حيث الكتلة. ولكن مثل أي طاقة أخرى، فإنه يأتي مع بعض التحديات:
• يتم إنتاج حوالي 95 بالمائة منه حاليًا عن طريق تحويل الميثان بالبخار - وهي عملية ملوثة للغاية
• تحويل الهيدروجين إلى كهرباء أقل كفاءة من استخدام الكهرباء مباشرة من خلال البطاريات (كفاءة إنتاج الهيدروجين الأخضر وإعادة تحويله إلى كهرباء حوالي 25 في المائة، مقابل أكثر من 95 في المائة لبطاريات الليثيوم أيون)
• لا تزال البنية التحتية للإنتاج والتخزين والتوزيع غير كافية، وهذا يعيق التبني على نطاق واسع ويجعلها أكثر تكلفة بكثير من البطاريات
من ناحية أخرى، مع التحول إلى استخدام الكهرباء، أصبحت البطاريات حلاً واضحاً لتخزين الطاقة. فقد انخفض سعرها بشكل كبير، وتحسنت قدرتها.
ولكن هناك بعض العقبات التي يتعين التغلب عليها أيضاً: إذ يتدهور أداء هذه المعادن بمرور الوقت (مما يحد من قدرتها على التخزين على المدى الطويل)، ولا تزال عمليات إعادة التدوير قيد التطوير، وتنشأ مخاوف أخلاقية بشأن استخراج الكوبالت، وهو مكون رئيسي، وخاصة في جمهورية الكونغو الديمقراطية، حيث تحدث ممارسات التعدين مثل عمالة الأطفال.
إن التحول إلى الطاقة الكهربائية أصبح راسخاً بالفعل، وهو فعال، ولكن التحول إلى الطاقة الكهربائية ليس حلاً سحرياً. إن التوسع السريع في استخدام الطاقة المتجددة وكهربة أكبر عدد ممكن من القطاعات هو المسار الأسرع والأكثر فعالية من حيث التكلفة نحو إزالة الكربون.
إن الطاقة الكهربائية تشكل خياراً واضحاً لمعظم التطبيقات، وخاصة المركبات الخفيفة والتدفئة منخفضة الحرارة في المباني والصناعات. ومع ذلك، فإن القطاعات التي يصعب تخفيفها أو تحويلها إلى الطاقة الكهربائية مثل الطيران والشحن وإنتاج الأسمدة والتخزين طويل الأجل ليست عملية ومكلفة للغاية لتحويلها إلى الطاقة الكهربائية.
وهنا تكمن الحاجة إلى الهيدروجين. ومن ثم فإن الكهربة والهيدروجين ليسا متنافسين بل متكاملين إلى حد كبير. وبدلاً من التركيز على تقنية واحدة على حساب الأخرى، يتعين علينا أن نحتضن كلتيهما لأن الاستقطاب بين هاتين التقنيتين لا يؤدي إلا إلى إبطاء وتيرة حل أزمة المناخ.
ما الذي يحتويه مراقب الطاقة هل أثبت مشروعنا جدارته عندما يتعلق الأمر بالطاقة الهيدروجينية؟
VE: كان الهدف الأساسي لمشروعنا هو إثبات جدوى استخدام مزيج من الطاقات المتجددة على متن سفينة لتحقيق الاكتفاء الذاتي. ورغم أن الهيدروجين يشكل جزءًا مهمًا للغاية من المزيج، حيث يوفر تخزينًا للطاقة على المدى الطويل، إلا أنه ليس الهدف الوحيد.
كانت رحلتنا بمثابة أرض اختبار حقيقية لتقنيات الهيدروجين في البحر. ومن خلال إخضاعها لظروف قاسية، أثبتنا الجدوى الفنية والمزايا البيئية للهيدروجين كوقود بحري.
وتتجاوز إمكانات الهيدروجين تشغيل السفن الصغيرة: إذ أن قابليته للتوسع وتعدد استخداماته تجعله خيارًا جذابًا لمجموعة واسعة من التطبيقات البحرية - من العبارات إلى سفن الشحن واليخوت والقوارب الترفيهية - ولكن أيضًا للتطبيقات البرية.
في الواقع، فوائد استخدام هذا الجزيء في خلية الوقود - أي جهاز كهروكيميائي يستخدم الهيدروجين كوقود لتوليد الكهرباء من خلال التفاعلات الكيميائية - متعددة:
• لا يتم إنتاج غازات الدفيئة أو أكاسيد النيتروجين أو أكاسيد الكبريت أو الجسيمات. المنتج الوحيد الناتج عن هذا التفاعل هو الماء، وإذا تم إنتاج الهيدروجين نفسه من التحليل الكهربائي المتجدد للمياه (كما نفعل على متن السفينة) مراقب الطاقة)، لا تنتج عملية الاستيقاظ من البئر نفايات، مما يجعلها بديلاً جذابًا لتوليد الكهرباء منخفضة الكربون
• تنتج خلايا وقود الهيدروجين عمليات أكثر هدوءًا من مصادر الطاقة التقليدية
ومع ذلك، هناك حاجة إلى التغلب على التحديات قبل أن يصبح الهيدروجين متاحًا للجميع على متن السفن.
ورغم أن كثافة الطاقة النوعية للهيدروجين عالية للغاية (يحتوي كيلوجرام واحد من الهيدروجين على ثلاثة أمثال الطاقة الموجودة في كيلوجرام واحد من الديزل)، وهو ما يقلل من وزن السفينة، فإن كثافة الطاقة الحجمية منخفضة للغاية، مما يجعلها أضخم حجماً عند تخزينها. وهو التحدي الذي يحاول مهندسو ومهندسو السفن مواجهته.
وفي الختام، من الضروري أن تتضافر كل الجهود ــ من الحكومات إلى الجهات الصناعية، ومن الباحثين إلى الجمهور ــ لمعالجة هذه التحديات. ومن خلال جعل إنتاج الهيدروجين الأخضر أكثر تكلفة، وبناء البنية الأساسية اللازمة، وتحسين التكنولوجيا، وخلق سياسات داعمة، وتعزيز الثقة العامة، يمكن للهيدروجين أن يصبح لاعبا رئيسيا في تحقيق مستقبل الطاقة النظيفة.
تم نشر هذه المقالة في الأصل Marine Industry News مجلة.
الصور مقدمة من Energy Observer، ما لم ينص على خلاف ذلك.
