◄ شناورهای برقی (باتری دار)

بخش پانزدهم از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش شانزدهم آن در ادامه می آید.

شناورهای برقی (باتری دار)

بر اساس مطالعات سازمان بین المللی دریانوردی IMO ، وسایل نقلیه‌ آبی و دریایی عامل انتشار یک میلیارد تن گاز کربنیک در هر سال هستند. شناورها حدود 80 درصد از کالاهای جهان را حمل می‌ کنند. بر اساس مطالعات کنفرانس تجارت و توسعه‌ سازمان ملل متحد، اگر میزان حمل آبی و دریایی با رشد سالانه‌ 3.8 درصد کنونی تداوم داشته باشد و برای جلوگیری از تولید آلاینده‌ هایی چون اکسید سولفور، اکسید نیتروژن، ذرات دود و گازکربنیک اقدامی نشود، جهان در چند دهه‌ بعد با فاجعه‌ زیست محیطی روبرو می‌ گردد.

طبق محاسبات برخی محققان بازار نظیر (IDTechEx) یک کشتی در اندازه‌ بزرگ با سوخت مازوت، به تقریب معادل 70 هزار خودرو گاز کربنیک، 2 میلیون خودرو اکسید نیتروژن و 2.5 میلیون خودرو ذرات معلق سرطانزا تولید می‌کند. کشتیرانی به تنهایی 18 تا 30 درصد اکسید نیتروژن کل جهان را ایجاد می‌نماید. شهرهای بندری بیشترین تأثیرات منفی را از این آلاینده‌ ها می‌ پذیرند. اغلب کشتی های کانتینری، مسافری، تانکر و شناورهای باری با سوخت سنگین دیزل (مازوت) حرکت می‌ کنند. قریب90 هزار از این نوع کشتیها در جهان 370 میلیون تن سوخت در سال مصرف و 20 میلیون تن اکسید سولفور ایجاد می‌کنند. در آبهای رودخانه‌ای و ساحلی که طبق مقررات نفت‌گاز مصرف می‌گردد، اکسید نیتروژن کمتری منتشر می‌شود. این آلاینده ها علاوه بر هوا، آبهای جهان را هم اسیدی می‌ کنند. در بدترین سناریو، چنانچه این وضع ادامه یابد، در سال 2050 میزان آلاینده‌ ها 50 درصد رشد می‌ یابند. طبق یک مطالعه‌ انجام شده توسط مجلس اتحادیه‌ اروپا، ترافیک دریایی سال 2050 عامل تقریباً یک پنجم انتشار گازکربنیک می‌ گردد. این موضوع با پیمان پاریس که گرم شدن جهان را زیر 2 درصد محدود می‌ کند، مغایر است. بر اساس استاندارد IMO سوخت مصرفی باید دارای یک پنجم آلایندگی فعلی (مثلاً باید سولفور 0.5 درصد) باشد.

برای رفع این معضل، یک راه حل فعلی استفاده از فیلتر در دودکش‌ هاست. کاتالیست هایی که اکسید نیتروژن را به نیتروژن و اکسیژن تجزیه و ذرات دود را جذب می‌کنند. ضمن اینکه ضرورت می‌ یابد به جای مازوت، از نفت‌گاز (که بسیار گرانتر است) استفاده گردد. مخازن زیرزمینی نفت جهان تا 50 سال دیگر تقریباً به اتمام می‌رسند و در هر حال باید به تدریج موتورهای احتراق داخلی کنار گذاشته شوند. سه راه حل فعلی، بهره گیری از گاز مایع (LNG)، گاز هیدروژن و انرژی برق است. با وجودی که به لحاظ سطح آلایندگی، گاز مایع نسبت به نفت‌گاز برتریهایی دارد، ولی به سبب سنگین بودن مبالغ سرمایه‌ گذاری برای نصب و تجهیز جایگاه های سوخت گاز در بنادر و کمبود فعلی آنها، چندان قدرت رقابت ندارد. به ویژه آنکه اثر مخرب گلخانه‌ ای متان 25 برابر گازکربنیک است. با این وجود نوع سوخت 200 فروند کشتی اقیانوس پیمای آلمانی (از میان 50 هزار فروند در جهان) در حال تبدیل شدن به گاز مایع است و اولین کشتی در سال 2018 فعالیت خود را شروع کرده است. در آمریکا و اروپای شمالی نیز روند تبدیل شدن سوخت های نفت گاز و مازوت به گاز مایع در حال انجام است. 

انرژی برق برای آبهای داخلی کاملاً مناسب است. ولی برای استفاده از آن در سفرهای اقیانوسی، باید دهه‌های دیگر منتظر دسترسی به فناوری های جدیدتر ماند. هزینه‌ های عملیاتی انرژی برق کمتر از موتورهای احتراق داخلی است و طبق مطالعات (IDTechEx) پیش بینی شده که فروش شناورهای کاملاً برقی یا دو پیش‌ران تا سال 2027 به 20 میلیارددلار برسد. هنوز باتریها به لحاظ وزن و اندازه از چگالی انرژی اندکی برخوردارند. ضمن اینکه ایجاد ایستگاههای شارژ باتری در سواحل، به سرمایه گذاریهای بالا نیاز دارد و لذا تعداد آنها فعلاً محدود است. باتریها به لحاظ قیمت نیز گرانترین تجهیزات کشتیها محسوب می‌شوند. با این وجود کاربری باتریها از طریق تعویض یا شارژ شدن شبانه در حال گسترش است.   

خاطر نشان می‌سازد که هم اکنون 80 درصد کشتیها  (همچون لکوموتیوهای دیزلی) نیمه برقی هستند. بدین معنی که موتورهای دیزلی، ژنراتورها را به حرکت در می‌آورند تا برق تولید کنند و به وسیله‌ی این برق، موتورهای برقی و سیستم انتقال قدرت (مشتمل بر شفت متصل به پروانه ها) به حرکت در‌‌آیند. با این کار در مصرف انرژی 30 درصد صرفه جویی می‌شود. موتورهای برقی دارای قطعات، فرسایش و خرابی کمتری نسبت به موتورهای احتراق داخلی هستند.

در فرایند انتقال از نظام موتورهای داخلی به پیش‌رانهای بدون انتشار آلاینده ها، چندین فناوری درگیر گردیده است. به دلیل ضعفهای فناورانه تک پیش‌ران پاک، لازم است که همچون هواپیماهای دورپرواز، راه حل میان مدت یعنی از فناوری دوپیش‌ران استفاده شود. در اوایل باتریها فقط در بنادر و برای مصارف جانبی کشتیها به کار گرفته می شدند. سپس به عنوان پیش‌ران اصلی در نزدیکی بنادر و مراحل پهلوگیری مورد استفاده قرار گرفتند. اما در خارج از منطقه‌ی شهری، برای بهره‌گیری از حداکثر قدرت یا به منظور شارژ باتریها ، همچنان از موتورهای احتراق داخلی بهره برداری می‌گردد. کشتی‌های دو پیش‌ران دارای آلایندگی کمتری هستند و در سواحل این موضوع بسیار مهم است.

دو عامل اصلی وجود دارد که استفاده از باتری را در حمل دریایی به جلو می‌راند. اول اینکه به لطف مصرف زیاد خودروهای برقی ، قیمت باتری از 670 دلار به ازای هر کیلووات ساعت در سال 2013  به 140 دلار در سال 2020 رسیده است. طبق مطالعات بلومبرگ انتظار می‌رود تا سال 2023 این مبلغ به 100 دلار به ازای هر کیلووات ساعت تنزل یابد. دوم اینکه شرکتهای کشتیرانی مجبور شده‌اند که میزان تولید کربن خود را کم کنند. بیشتر این آلودگیها مربوط به کشتیهای باری بزرگ است. شرکتهای بزرگ فراملیتی استفاده کننده از وسایل نقلیه برای سیستم توزیع جهانی خود نظیر آمازون، آیکیا، میشلین، پاتاگونیا و یونیلِوِر به دنبال حذف کربن از تمامی امور ساختمانی، انبار و شبکه‌ی حمل خود تا سال 2040 هستند. 

از دهه‌ی 50 م. اندازه‌ی کشتیها مرتباً رو به افزایش و در عین حال هزینه‌های حمل نیز به تناسب رو به نزول بوده است. اما سالهاست که کشتی‌های باری غول‌آسای جدید، به لحاظ اندازه و عمق آبخور، امکان ورود به بسیاری از بنادر جهان را ندارند. اخیراً کشتیهای کوچک دریانورد (فیدر) با پیش‌ران باتری در حال ساخت‌اند (تصویر زیر) تا نه تنها کربن‌زدایی هدف قرار گیرد، بلکه گلوگاههای زنجیره‌ی تأمین در سراسر جهان به وسیله‌ی استفاده از بنادر کوچکتر فراهم شود. از آنجایی که به تدریج تعداد بنادر قادر به پذیرش این غولهای دریایی کمتر می‌گردد، اینک زمانی فرا رسیده که با استفاده از کشتیهای متوسط، نه تنها دسترسی به بنادر کوچک مقدور شود، بلکه با ارتقاء کیفی و کمی امر توزیع، حمل جاده‌ای پسکرانه نیز بهبود چشمگیری یابد.

در سال 2017 ایلان ماسک گفته بود که بر خلاف تصور عمومی پس از خودروها، آسانترین وسایل نقلیه برای برقی کردن، موشکها و کشتیها خواهند بود. مدتی است که آمونیاک به عنوان سوخت آینده‌ی کشتیها مطرح شده است. ولی قیمت تمام شده‌ی آمونیاکی با منشأ بدون کربن، قدری گران است. 

بدین ترتیب همچون حمل و نقل هوایی، پیش‌ران کاملاً برقی ابتدا در وسایل نقلیه‌ی کوچک دریایی شروع گردید و به تدریج در حال تسخیر فیدرهای باری و کشتی‌های مسافری متوسط است. ضمن اینکه به سبب کوتاه شدن طول سفرها و کمتر کردن وزن باتریها، امر کاملاً برقی کردن شناورها به ویژه قایقهای تفریحی و فرابرها (ferry boats) در آبهای داخلی و رودخانه‌ای شتاب گرفته است. در زمینه‌ی ساخت قایقهای متنوع برقی سرمایه‌گذاریهای زیادی شده است که در ادامه به نمونه هایی از این دست اشاره می شود. اولین قایق تمام برقی مسافری "تجاری" در نیوزیلند ساخته شده است. این قایق که از نوع دو‌بدنه‌ای (catamaran) است، در اواخر سال 2020 به آب انداخته شده است. حداکثر سرعت آن  36 کیلومتر در ساعت و سرعت مداوم 25 کیلومتر در ساعت است (تصویر زیر).

قایق (Vita Lion) یک قایق تمام برقی اسپورتی 8 نفره به وزن 5 تن است که دارای 2 موتور 150 کیلوواتی، یک مجموعه باتری به ظرفیت 235 کیلووات ساعت  و برد 40 کیلومتر می‌باشد (تصویر زیر).  

قایق بوش 750 (Boesch750) تمام برقی و چهار نفره خانوادگی، دارای مشخصات: طول 7.5 متر، دو موتور 50 کیلوواتی، دو مجموعه باتری هریک به ظرفیت 35.6 کیلووات ساعت، سرعت 38 کیلومتر بر ساعت، برد 25 کیلومتر( با سرعت 36 کیلومتر بر ساعت) و قیمت 336 هزار دلار است (تصویر زیر). 

قایق خانوادگی برقی کندلا سی-7 (Candela C7)  به مشخصات: طول 7.7 متر، مجموعه باتری 40 کیلووات ساعت، حداکثر سرعت 54 کیلومتر بر ساعت، برد 90 کیلومتر (با سرعت 40 کیلومتر بر ساعت) و قیمت 265 هزار دلار است (تصویر زیر).    

قایق دو نفره تمام برقی استرالیایی (Frauscher740 Mirage) با مشخصات: 7.5 متر طول، موتور متنوع برقی 60 تا 110 کیلووات، باتری با ظرفیتهای 40 تا 80 کیلووات ساعت، حداکثر سرعت 47 کیلومتر بر ساعت، برد 31 تا 108 کیلومتر (با سرعت 46 تا 9 کیلومتر بر ساعت)، قیمت 217 هزار دلار است (تصویر زیر).

قایق بزرگ گرین لاین 40 (Greenline40) با مشخصات: 12 متر طول، دو موتور برقی 50 کیلوواتی، دو مجموعه باتری هر یک به ظرفیت 40 کیلووات ساعت، حداکثر سرعت 20 کیلومتر برساعت، برد 54 کیلومتر (با سرعت 12.6 کیلومتر بر ساعت)، قیمت 445 هزار دلار است(تصویر زیر).

قایق مسقف خانوادگی برقی (Marian M800 Spyder) دارای مشخصات: 7.9 متر طول، انواع موتورهای برقی 10 تا 150 کیلووات، مجموعه باتری به ظرفیتهای 10 تا 125 کیلووات ساعت، حداکثر سرعت 61 کیلومتر بر ساعت، برد 54 کیلومتر (با سرعت 29 کیلومتر بر ساعت)، قیمت 238 هزار دلار است (تصویر زیر). 

کشتی های کمی دیرتر از قایقها برقی شده‌اند. یک کشتی فرابر 80 متری نروژی به نام (Ampere) در سال 2019 فقط با پیش‌ران برقی فاصله‌ی رفت و برگشت 30 دقیقه‌ای را 34 بار در شبانه روز می‌پیماید (تصویر زیر). باتریهای ساخت زیمنس در هر سفر و به هنگام سوار و پیاده شدن مسافرین برای مدت 10 دقیقه زیر شارژ ناقص و در شبها تحت شارژ کامل قرار می‌گیرند. ظرفیت باتریها معادل 1600 خودرو برقی است. وزن فرابر به سبب بدنه‌ی آلومینیومی نسبت به موارد مشابه، به نصف تقلیل یافته و وزن 11 تنی باتریها را بهتر تحمل می‌کند. بدین ترتیب شناور مزبور در هر سال معادل یک میلیون لیتر نفت‌گاز صرفه جویی می‌کند، هزینه‌های عملیاتی آن 80 درصد کمتر است و میزان تولید گازکزبنیک آن نیز صرفاً 5 درصد موارد مشابه است.   

از سال 2018 در آلمان نیز یک شناور با ظرفیت 45 مسافر و 6 خودرو در حال فعالیت است. برق آن از 15 مدول خورشیدی تأمین می‌گردد و به وسیله‌ی آنها باتریهایی به ظرفیت 252 کیلووات ساعت شارژ می‌گردند که برای 6.5 ساعت فعالیت شناور کافی است. کاربری این نوع وسایل نقلیه در آبهای ساحلی و رودخانه‌ای آلمان به سرعت در حال گسترش است.

باتریها به سبب وزن زیاد، چگالی نازل انرژی و کُندی سرعت شارژ باتریها، برای کشتیهای اقیانوس پیما مناسب نیستند و برای تحقق این هدف لازم است که فناوری باتری ها چندین برابر بهره‌ورتر شوند. شرکت رولز رویس از سال 2010 در زمینه‌ی ذخیره سازی انرژی فعال بوده است. در سال 2018 باتریهایی به نام (SAVeEnergy) با بازدهی بالا و قابل انعطاف ساخته که با مایعات خنک می‌شوند. این باتریها به سبب فناوری پیشرفته‌، به عنوان پیش‌ران اول در کشتی‌ های مسافری، فرابرها و کشتی‌های فیدر باری مورد استفاده قرار می‌ گیرد. 

برخی از کارشناسان معتقدند که کربن زدایی از طریق برقی کردن وسایل نقلیه مؤثرترین راه حل است. اما این سیستم نیز باید بسیار ارزانتر از وضع فعلی شود. یک راه حل ایجاد نظام تعویض باتریها در بنادر است. بدین ترتیب که برای کشتی‌های باری فیدری، مجموعه باتریها در اندازه‌ی یک کانتینر 20 فوتی ساخته می‌شود. با ورود کشتی به بندر، باتریهای دشارژ شده‌ی درون کانتینر با یک کانتینر حاوی مجموعه باتریهای کاملاً شارژ شده تعویض می‌شود. اینکار دو مزیت دارد: اول اینکه شارژ باتریها سریعتر، آسانتر و بی خطرتر از حالت سوختگیری انجام می‌شود. ثانیاً از باتریهای دشارژ شده، پس از شارژ شدن، درسایر کشتیها استفاده می‌گردد. بدین ترتیب با افزایش بهره‌وری، توان رقابت با کشتیهای دیزلی بالا می‌رود. این نوع باتریها در آلابامای آمریکا ساخته می‌شوند و در نظر است که در سال 2022 مورد بهره برداری تجاری قرار گیرند.

در یک آزمایش، به جای ساخت کشتیهای فیدری مختص برقی، موتورهای احتراق داخلی کشتیهای کوچک برداشته شده و به جای آن سیستم برقی جایگزین گردید تا با سرمایه‌گذاری کمتر و سرعت بیشتر، سیستم برقی وارد بازار شناورها شود. بدین ترتیب ضمن ممکن شدن امر برقی کردن این گونه کشتیها، جذب نیروی‌انسانی افزونتر، آلودگی کمتر و هزینه‌های عملیاتی نازلتر (به ویژه در زمینه‌ی تعمیر و نگهداری) امکانپذیر شده است.

یک کشتی هزار تنی برقی با استفاده از نیروی محرکه‌ی باتری لیتیومی 1.46 مگاوات ساعتی در چین با موفقیت آزمایش شد. این کشتی می‌تواند پس از ۲.۵ ساعت شارژ، مسافتی حدود ۵۰ کیلومتر را طی کند. نکته‌‌ی مهم نصب حدود پنج هزار سامانه شارژ باتری در هشت شهر مجاور رودخانه‌ یانگ‌تسه است. چین در نظر دارد که با این گونه سرمایه‌گذاریها، ۸۰ هزار فروند شناورهای گذرکننده از این شلوغ‌ترین آبراه‌های جهان را تشویق به برقی شدن نماید تا از انتشار گازهای آلوده کننده و گازکربنیک به طرز مؤثری جلوگیری کند.

از طرف دیگر چین یک کشتی کانتینری کاملاً برقی را به عنوان پروژه‌ای آزمایشی در رودخانه مروارید جنوب کشور به راه انداخته است. این کشتی به منظور فعالیت در آبهای ساحلی طراحی شده است. مجموعه 1000 باتری لیتیوم-یونی به وزن 26 تن و با ظرفیتی به میزان 2400 کیلووات ساعت، 80 کیلومتر مسافت را طی می‌کند.

از طرف دیگر، کار ساخت یک کشتی مسافری تمام برقی به طول 100 متر و عرض 16.3 متر با ظرفیت 1300 مسافر در کارخانه‌ی کشتی سازی یچانگ (Yichng) (تحت حمایت مستقیم دولت) اخیراً به اتمام رسیده است.  این کشتی مسافری برقی که بزرگترین از نوع خود در جهان است، دارای سیستمهای شارژ ولتاژ بالا و پایین می‌باشد که با یک بار شارژ، حدود 100 کیلومتر را می‌پیماید. این کشتی به منظور ارتقاء سطح جهانگردی منطقه ساخته شده و آماده‌ی پذیرش اموری چون همایشها، مراسم ازدواج، برگزاری پارتیها، ضیافتها، پذیرایی‌ها، نمایشهای تئاتر و سایر فعالیتهای فرهنگی می‌باشد.

سنگاپور اولین کشتی هیبریدی  (موتور احتراق داخلی- برقی) خود به طول 15 متر را تحویل گرفته است. در حالت برقی (با استفاده از باتریها) می‌تواند با سرعت 9 کیلومتر بر ساعت، مدت 30 دقیقه حرکت کند. در سرعتهای بالاتر تا سقف 43 کیلومتر بر ساعت، از موتور دیزلی استفاده می‌شود. در این حالت باتریها هم شارژ می‌شوند. استفاده از سیستم پیش‌ران برقی در سرعتهای پایین که عموماً در نزدیکی آبهای ساحلی اتفاق می‌افتد، به کاهش آلودگی شهری کمک می‌کند. برق حاصل از پانلهای خورشیدی منصوب در سقف کشتی بابت وسایل الکترونیکی و اتاقها مصرف می‌شود. مشکل فعلی سنگاپور ضعف زیرساختهای شارژ باتریها می‌باشد.

شرکت کوروس انرژی (Corvus Energy) نروژی، یک سیستم ذخیره‌ی انرژی ( از نوع باتری‌های لیتیوم- یونی) با ظرفیت 3480 کیلووات ساعت از نوع Orca ESS را برای قرارگیری در سازه‌ی تانکرهای تمام برقی صنایع سنگین کاوازاکی ژاپن طراحی و به اجرا درآورده است. یکی از دو فروند اولین تانکرهای دارای سطح انتشار آلودگی صفر، به سفارش شرکت کشتیرانی آساهی توکیو در سال 2022 برای کار در آبهای نزدیک ژاپن عرضه می‌شود. آساهی از تانکر متعلق به خود که از نوع e5 است (تصویر زیر) برای سوخت‌رسانی به کشتی‌های سواحل خلیج توکیو بهره‌برداری می‌کند. ظرفیت باتریها به اندازه‌ی 40 دستگاه خودرو تسلا 3 است و می‌تواند کشتی مزبور را ساعتها به جلو براند. تاکنون این نوع باتریها در 400 کشتی که یک چهارم آنها تمام برقی هستند، کار گذارده شده‌اند. آساهی در نظر دارد که تعداد کشتیهای تمام برقی خود را افزایش دهد. در واقع کشتی  e5 نمونه‌ی ساخته شده‌ایست تا زیربناهای فناورانه‌ی مورد نیاز برای توسعه آینده را مورد شناسایی قرارداده  و در مورد آنها سرمایه گذاری شود. امروزه ورود سیستمهای برقی به کشتی‌های فیدری گام مهمی در راستای کربن زدایی جهانی محسوب می‌شود.  

بسیاری از کشتی ها که از مجموعه باتری های Corvus استفاده می کنند، از نوع مسافری و فرابرهای حمل خودرو هستندکه در مسیر آبدره‌های (راههای باریک دریایی بین دو ساحل مرتفع) نروژی کار می‌کنند. اخیراً در کشتی کانتینربر 80 متری از یک مجموعه باتری Corvus با ظرفیت 4 مگاوات ساعت استفاده شده است. Corvus یک مجموعه باتری با ظرفیت 10 مگاوات ساعت را برای یک کشتی متعلق به شرکت (AIDA Perla) با گنجایش 3330 مسافر ساخته است.

• در مورد زیردریایی‌ های غیراتمی کنونی، صرفاً به ذکر نکاتی خاص اکتفاء می شود.  در این نوع زیردریایی‌ها دو سیستم  پیش ران موتور احتراق داخلی و برقی وجود دارند. استفاده از دیزل- ژنراتور به منظور دستیابی به دو هدف: حرکت کردن در سطح آب و همچنین شارژ باتریها انجام می پذیرد. بهره‌گیری از باتریها نیز برای انجام عملیات شیرجه زدن و مخفی ماندن از دید دشمن صورت می‌پذیرد. اغلب باتریها از نوع اسیدی هستند که از آنها جهت موارد زیر بهره‌برداری می‌شود:

• به منظور به عمق رفتن با استفاده از وزن سرب آنها.
• حرکت نمودن در بُردهای کوتاه.

برای حفظ محیط بسته‌ی کار از آلودگی اسیدی و همچنین برای بُردهای طولانی‌تر، از باتریهای لیتیوم-یونی بهره گیری می‌گردد. 

لازم به ذکر است که به موازات بهبود بهره وری باتری ها، سیستم‌ هایی شامل وسایل نیمه هادی به عنوان مبدل (converter) نیز بهبود می‌ یابند. ضمن اینکه نیمه هادی ها در افزایش سرعت سیستم های شارژ باتری ها نیز نقش مهمی دارند.

از سال 2030 یعنی 550 سال پس از کریستف کلمب، اولین کشتی‌های کاملاً خود‌ران برقی در جهان فعال می‌گردند. با این وجود پیش بینی می‌شود تنها با سپری شدن چند دهه امکان جایگزینی تمامی شناورهای جهان با تجهیزات غیر آلاینده فراهم می گردد.  

(این نوشتار ادامه دارد)

مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته