معرفی کشتی هیبریدی یا دوگانه سوز
نحوه نیرودهی کشتی ها، همانند طرح های آن ها، در طول نسل ها دستخوش تغییرات زیادی شده است. از روزهای ابتدایی استفاده از بادبان‌های بزرگ بادی گرفته تا کشتی‌های با انرژی هسته‌ای که امروزه در دسترس هستند. این تکامل اغلب برای علاقه مندان به دریانوردی مورد توجه و بررسی زیادی قرار می‌گیرد. در طی دو قرن گذشته، زغال سنگ و به دنبال آن سوخت نفتی، منابع اصلی انرژی برای نیروی محرکه بوده اند، و کشتی های عظیم دریاها را قادر می سازند تا بزرگ‌تر و پیشرفته‌تر شوند و از مرزهای بین اقیانوسی فراتر رفته و همواره سفر کنند.
کشتی های دیزلی رایج ترین نوع کشتی در سراسر جهان هستند. با این حال، در زمان های اخیر، در میان پیشرفت های مختلف در حوزه پیشرانه، پیشرانه هیبریدی یک مفهوم نوظهور است که مورد استقبال بسیاری قرار گرفته و قرار است در سال های آینده محبوبیت بسیار بیشتری به دست آورد. اگرچه مزایای این روش محبوبیت فزاینده فناوری نیروی محرکه در دنیای کشتیرانی بسیار زیاد است (در ادامه بحث خواهد شد)، یکی از زمینه‌های نگرانی اصلی که پذیرش آن با سرعت زیاد از آن حمایت می‌شود، آلودگی است. آلودگی ناشی از انتشار کربن یکی از بزرگترین چالش هایی است که صنعت چند تریلیون دلاری با آن دست و پنجه نرم می کند.
طبق گزارش ها، حمل و نقل به تنهایی بیش از 15 درصد از آلودگی کربن و نیتروژن (انتشار NOX از نظر فنی) و تقریبا 10 درصد از گازهای مضر دیگر مانند گوگرد را تشکیل می دهد. یک تحقیق نگران کننده دیگر بیان می کند که یک تانکر بزرگ معمولی یا یک کشتی کانتینری می تواند آلاینده های مضری معادل 50 میلیون خودرو در طول عمر عملیاتی خود منتشر کند! در چند سال گذشته، سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO) ، همراه با ارگان‌های دولتی در سراسر جهان، مقامات، نهادهای قانونی، سازمان‌های طبقه‌بندی و ذینفعان مختلف خود صنعت، به طور کامل درگیر توسعه، تبلیغ و اجرای چندین ابزار برای کاهش میزان انتشار گازهای گلخانه ای از کشتی ها، بوده است. درجاتی از موفقیت وجود داشته است، اما با توجه به تعداد فزاینده ناوگان در سطح جهانی، تعداد زیادی هنوز باید انجام شود.
برخی از نقاط عطف حیاتی در تلاش برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، الزام سختگیرانه برای انطباق با معیارهای فنی مانند (EEDI) شاخص طراحی بازده انرژی یا EEXI (شاخص کشتی های موجود با بهره‌وری انرژی)، استفاده از سوخت ها و گازهای کم گوگرد، پاکسازی اگزوز و فیلتراسیون بوده است. استفاده از انواع دیزلی با کیفیت تر، موتورهای کارآمدتر و کم مصرف و البته افزایش اولویت برای گزینه های سوخت جایگزین مانند LNG می باشد. اکنون اجازه دهید کشتی هیبریدی یا دوگانه سوز را مورد بحث قرار دهیم.
کشتی هیبریدی یا دوگانه سوز چیست و چگونه کار می کند؟
کشتی های هیبریدی یا دوگانه سوز، همانطور که از نام آن پیداست، به سادگی کشتی هایی هستند که برای استفاده ترکیبی از وسایل پیشران جایگزین عمدتاً از یک موتور گازی یا سوختی معمولی و همچنین از منابع الکتریکی ناشی از وسایل قابل شارژ مانند باتری ها طراحی و ساخته می شوند. این مفهوم مشابه خودروهای الکتریکی است که اکنون در چند سال آینده نزدیک، قادر به تسلط بر بخش خودرو سازی هستند. بار دیگر، همانطور که گفته شد، کشتی های هیبریدی کاملاً الکتریکی نیستند و با یک موتور "همزیستی" دارند. بنابراین، برای رفع نیاز برق، منبع تغذیه از موتور و از طریق یک مکمل از منبع باتری است.
برای چندین عملیاتی که نیاز به توان کم دارند، مانند مانور در پورت ها، کار در یک داک یا ترمینال، یا به سادگی در حالت آماده به کار، منبع تغذیه را می توان به طور کامل از خود باتری ها تولید کرد. اکنون، یک نکته بسیار مهم که باید به آن توجه داشت این است که پیشرانه های هیبریدی یا کشتی هیبریدی مشابه پیشرانه های دیزلی-الکتریکی نیستند، مفهومی بسیار قدیمی تر و رایج در چندین کشتی اصلی برای بیش از یک قرن.
پیشرانه دیزلی-الکتریکی چیزی نیست جز یک نوع پیشرانه معمولی که در آن نیروی تولید شده از موتور اصلی به سادگی از طریق ژنراتورها به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و برای راه‌اندازی محور پروانه به‌جای محرک مکانیکی مستقیم در پیشرانه‌های دیزلی معمولی استفاده می‌شود. نیروی محرکه هیبریدی، همانطور که در بالا ذکر شد، اشاره به کشتی ای دارد که ترکیبی از قابلیت های تامین انرژی از یک سیستم رانش اصلی و وسیله اضافی یا مازاد عمدتاً به عنوان باتری های قابل شارژ دارد.
اساساً می توان از وسایل اضافی انرژی به عنوان باتری به دو روش استفاده کرد:
- تکمیل الزامات در کارکرد و سرویس کامل و قادر ساختن موتور اصلی برای کار در حد استاندارد بدون ضربات غیر ضروری. در اصطلاح فنی، این امر به عنوان "پیک تراشیدن یا peak-shaving " شناخته می شود که به عبارت ساده به مدیریت نیازهای ناگهانی و پویا در نیازهای برق اشاره دارد.
بنابراین، برای کشتی های هیبریدی یا دوگانه سوز در حال کار کامل، هرگاه به دلیل شرایطی مانند افزایش سرعت برای کاهش زمان سفر یا مقابله با شرایط آب و هوایی نامناسب در دریا، تقاضای اوج قدرت ناگهانی وجود داشته باشد، موتور اصلی یا پیشرانه متحمل مقادیر زیادی از انرژی نمی شود. بارگذاری به عنوان این توان اضافی مورد نیاز را می توان در آن لحظه با وسیله متناوب معین جبران کرد. بنابراین، موتور اصلی در محدوده بهینه به کار خود ادامه می دهد.
- همانطور که در بالا ذکر شد، کل نیازهای بار کشتی را در موقعیت های با توان پایین تر تامین می کند. برای کشتی هایی که به مناطقی مانند دریایی یا تحقیقاتی اختصاص داده شده است، جایی که درجات قابل توجهی از عملیات کم مصرف وجود دارد و کشتی در یک مکان قرار دارد. برای چندین طرح مدرن، انرژی باتری به طور کامل یا جزئی برای فناوری هایی مانند DPS یا سیستم های موقعیت یاب پویا یا رانشگرها و برای عملیات های مختلف دیگر مانند در عرشه، تجهیزات بار، پمپاژ، تهویه مطبوع و همچنین برای بارهای هتل (برق مورد نیاز برای عملیات روزانه در یک کشتی) استفاده می شود. هنگامی که بار باتری به طور کامل جایگزین یا جایگزین بار اصلی موتور می گردد، این به عنوان "ذخیره چرخشی" شناخته می شود.
کشتی های هیبریدی یا دوگانه سوز مکانیسم هایی برای جابه‌جایی بین دو وسیله نیرو یا استقرار این دو منبع به طور همزمان در صورت لزوم دارند. اگرچه ما به جزئیات باتری‌ها نمی‌پردازیم، اما آن ها معمولاً باتری های صنعتی سنگین و عمدتاً از نوع لیتیوم یون هستند. این باتری ها ابزاری برای تامین هزاران کیلووات نیرو در چرخه های پیوسته بر اساس نیاز و اندازه کشتی دارند. اکثر این باتری ها به وسیله یک اتصال ترکیبی سری-موازی کار می کنند، به طوری که می توان برق کافی را از یک خط تغذیه تامین کرد و همچنین هنگامی که یکی از خطوط از کار می افتد، بقیه می توانند بدون اینکه تحت تأثیر قرار گیرند به تغذیه خود ادامه دهند. ارتباط سری-موازی کلاس های فیزیک ابتدایی خود را به خاطر دارید؟!
انواع کشتی هیبریدی یا دوگانه سوز و روش شارژ باتری موجود در آن ها
-
Plug-in Hybrid Ship
این شبیه به یک خودروی هیبریدی پلاگین است که می تواند باتری های خود را در یک ایستگاه با استفاده از واحدهای شارژ مجدد شارژ کند. به طور مشابه، کشتی‌های هیبریدی پلاگین باتری‌های خود را هنگامی که در اسکله هستند با استفاده از نیروی ساحلی شارژ می‌کنند. این انرژی در بسته های باتری ذخیره می شود. این کشتی ها اساساً در عملیات های طولانی مدت بسیار رایج نیستند، زیرا شارژ ذخیره شده در خازن های باتری ها فقط برای چند روز قابل استفاده است و بار دیگر نیاز به شارژ وجود دارد.
-
Conventional Hybrid Ships
کشتی های هیبریدی معمولی نیازی به شارژ معمولی در ساحل ندارند. باتری ها را می توان با استفاده از ژنراتورها، دینام ها و وسایل دیگر با استفاده از نیروی حاصل از موتور اصلی یا موتورهای کمکی شارژ کرد. این یک ترتیب متقابل است که در آن باتری ها برای شارژ مجدد به موتورهای معمولی وابسته هستند و نیاز به بار زیاد یا اوج موتور (ها) توسط توان باتری تقسیم می شود. اغلب شارژ مجدد در شرایط کم مصرف انجام می شود که موتور در بار بهینه کار می کند و انرژی اضافی تولید شده در شارژ باتری ها استفاده می شود. این ترتیب برای کشتی هایی است که در مسافت های طولانی قرار می گیرند.
کشتی ها در طیف وسیعی از اندازه‌ها از نیروی هیبریدی استفاده می‌کنند، که معمولاً از دیزل مستقیم با قدرت بالا و از منبع الکتریکی باتری‌ها با توان کمتر استفاده می‌شود. همانطور که شرایط ایجاب می کند، ترکیبی از هر دو نیز می تواند همانطور که در بالا توضیح داده شد استفاده شود. کشتی هیبریدی یا دوگانه سوز می تواند چیزی به کوچکی یک کشتی ساحلی یا چیزی به بزرگی یک کشتی پشتیبانی فراساحلی باشد. توان باتری نصب شده باید متناسب با اندازه کشتی و نیازهای کلی بارگیری یا مصرف انرژی کشتی باشد.
بنابراین، این بدان معنی است که برای اندازه و موتور معین یک کشتی هیبریدی، آرایش باتری باید به گونه ای باشد که حداقل توان الکتریکی که می تواند تولید کند باید برای مراقبت از حداکثر بارهای اوج در بدترین موقعیت ها کافی باشد و همچنین نیازهای عملیاتی را در توان کم به دلخواه برآورده کنید. از این رو، برای طراحی و عملکرد معین یک کشتی هیبریدی، انتخاب موتور اصلی و همچنین نیازهای انرژی باتری باید پشت سر هم انجام شود. اگرچه چندین کشتی جدید با قابلیت های هیبریدی ساخته می‌شوند، بسیاری از کشتی‌های قدیمی و موجود در حال بازسازی هستند تا هیبریدی شوند. کشتی بزرگ تدارکاتی Viking Energy که در سال 2003 به عنوان یک کشتی دوگانه سوز (دیزل و LNG) ساخته شد، اخیراً با نصب یک سیستم باتری 1600 کیلوواتی در کشتی، به یک کشتی هیبریدی پلاگین تبدیل شده است.
مزایای کشتی هیبریدی یا دوگانه سوز
در حال حاضر مهمترین جنبه هر موضوع مربوط به کشتی های هیبریدی یا نیروی محرکه هیبریدی در نظر گرفتن مزایایی است که ارائه می دهد. جدای از ایراد جزئی کمی گران بودن، مزایای کشتی های هیبریدی دلیل اصلی جذب مالکان کشتی و اپراتورها در سراسر دنیا است.
- کاهش راندمان سوخت
مهمترین و بزرگترین مزیت کشتی هیبریدی راندمان سوخت است که، صرفه جویی در مصرف سوخت را بین 15 تا 20 درصد نسبت به کشتی دیزلی نشان داده‌اند. این مقدار همچنین برای کشتی های با اندازه کوچکتر به 30 درصد افزایش یافته است. حتی در میان کشتی‌های بزرگ، Viking Energy گاهی اوقات تا 25 تا 28 درصد در مصرف سوخت صرفه‌جویی می‌کند و در حال حاضر به یک نام نمونه در حوزه نیروی محرکه هیبریدی تبدیل شده است. صرفه جویی در مصرف سوخت را می توان به حالت کارکرد کاملاً الکتریکی در شرایط کم توان و همچنین جذب بارهای اوج و حفظ موتور در محدوده بهینه بدون نوسانات غیر ضروری همانطور که در بالا توضیح داد، نسبت داد. این معادل مقدار قابل توجهی از صرفه جویی در انرژی است و از این رو، برای مالکان و اپراتورها بدون به خطر انداختن بازده عملیاتی بسیار مناسب است.
- کاهش انتشار گازهای گلخانه ای
به همان دلایلی که در نکته بالا توضیح داده شد، این مدل کشتی، مزیت بسیار مهم دیگری را در قالب انتشار کمتر به همراه دارد. همانطور که در ابتدای این بحث ذکر شد، مصرف سوخت کارآمد به معنای کاهش کربن و سایر سطوح انتشار مضر است. بسته به نوع کشتی، کاهش انتشار و کربن زدایی چیزی در حدود 20-30٪ بوده است که یک پیشرفت قابل توجه است. از آنجایی که کشتی های هیبریدی دوستدار محیط زیست هستند، سطح پذیرش بیشتری را به دست می آورند.
- راندمان پیشرانه
موتوری که همیشه با بار بهینه کار می کند یکی از معیارهای راندمان پیشرانه است.
- انعطاف‌پذیری
گزینه‌ای برای جابه‌جایی بین حالت‌های تغذیه در هر زمان که لازم است و همچنین داشتن یک پشتیبان الکتریکی قابل اعتماد در زمانی که منبع اصلی برق تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
- سر و صدا و لرزش کمتر در مقایسه با پیشرانه های معمولی
جمع بندی
طبق مطالب عنوان شده، کشتی هیبریدی یا دوگانه سوز بدون شک یکی از پیشرفت های پیشگام در بخش دریایی است. اگرچه چندین کشتی به عنوان هیبریدی ساخته می شوند و کشتی های قدیمی‌تر اغلب برای انطباق با استانداردهای بهره‌وری انرژی مقاوم سازی می‌شوند، هنوز کارهای بیشتری باید انجام شود که قطعا آینده بسیار روشن در پیش دارد.