خروج الديزل والكهرباء: يتم تذكير أنظمة طاقة السفن بواسطة المحركات

تقف صناعة الشحن العالمية عند نقطة تحول تاريخية. مع تطبيق لوائح انبعاثات الكربون الصارمة بشكل متزايد من قبل المنظمة البحرية الدولية (IMO) والضرورة العالمية للشحن المستدام، يمر نظام الطاقة التقليدي لمحركات الديزل بتحول عميق. وفي قلب هذا التغيير يكمن ظهور أنظمة القيادة الكهربائية وتكنولوجيا المحركات، والتي تعيد تعريف بنية طاقة السفن بشكل أساسي وتوجيه الصناعة نحو مستقبل أكثر كفاءة ونظافة.

​التحول النموذجي: من ناقل الحركة الميكانيكي إلى الدفع الكهربائي المتكامل​

لأكثر من قرن من الزمان، هيمنت محركات الديزل كمصدر الطاقة المطلق للسفن، والتي تقدر قيمتها بموثوقيتها وكثافة الطاقة العالية. ومع ذلك، فإن عيوبها واضحة: الانبعاثات العالية، والضوضاء الكبيرة، والقدرة المحدودة على تحسين الطاقة، والتخطيط غير المرن لأنظمة النقل الميكانيكية المعقدة.

لقد أحدثت أنظمة القيادة الكهربائية الحديثة ثورة في هذا المشهد. مبدأهم الأساسي هو فصل توليد الطاقة والدفع:

• يركز المحركون الرئيسيون (مثل محركات الديزل وتوربينات الغاز وحتى خلايا الوقود) على توليد الكهرباء بكفاءة.

• يتم توزيع الطاقة الكهربائية بمرونة في جميع أنحاء السفينة عبر شبكة كهربائية.

• تعمل المحركات كمحركات نهائية، حيث تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية لدفع المراوح أو الآلات المساعدة المختلفة.

يوفر "نظام الطاقة المتكامل" هذا مزايا ثورية: تصميم مرن للغاية، وتحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير، ويمهد الطريق لمصادر طاقة جديدة مثل بطاريات الليثيوم والهيدروجين، ويعزز بشكل كبير قدرة السفينة على المناورة والراحة.

​

القوة الأساسية: الابتكار المتنوع في المحركات البحرية​

لم تعد المحركات عبارة عن أجهزة طاقة بسيطة، ولكنها مكونات أساسية عالية التخصص مصممة خصيصًا لتلبية المتطلبات الوظيفية المتنوعة للسفينة. يعتمد الأداء المتفوق لأنظمة القيادة الكهربائية على تكنولوجيا المحركات المتنوعة:

• ​محركات الدفع الرئيسية: "القلب الكهربائي" للسفينة​

  نظرًا لأن مصدر الطاقة يحل محل المحرك الرئيسي في قيادة المروحة مباشرة، يمكن لمحركات الدفع الحديثة تحقيق معدلات طاقة تصل إلى عشرات الميجاوات. لتوفير قوة دفع هائلة ضمن مساحة محدودة لغرفة المحرك، فإنها غالبًا ما تستخدم مصدر طاقة متوسط ​​الجهد (على سبيل المثال، 3.3 كيلو فولت، 6.6 كيلو فولت، 11 كيلو فولت)، وتصميمات منخفضة السرعة متعددة الأقطاب، وتدمج تقنيات التبريد المائي المتقدمة أو التبريد الهجين. على سبيل المثال، نجح نظام التبريد المركب "التدوير الداخلي + الدوران الخارجي" الذي اعتمدته بعض الشركات الرائدة في التصدي لتحديات تبديد الحرارة عند كثافات الطاقة العالية، مما أدى إلى تقليل حجم المحرك ووزنه بشكل كبير مع تعزيز كثافة الطاقة بشكل كبير، وتلبية المتطلبات الصارمة لأنظمة الدفع المدمجة على السفن السياحية الكبيرة وسفن الحاويات.

• ​المناورة وتحديد المواقع للمحركات: "رجال الدفة الكهربائية" الرشيقون​

  يتضمن ذلك محركات الدفعات القوسية ودفاعات السمت (Azipod®). تؤكد هذه المحركات على عزم الدوران العالي والاستجابة الديناميكية السريعة والتحكم الدقيق لتمكين التعامل مع السفينة بشكل رشيق وتحديد المواقع الديناميكية (DP). تتميز عادةً بهياكل رأسية ذات قدرة استثنائية على التكيف البيئي، وقادرة على التشغيل المستقر في ظل الاهتزازات العالية، والرطوبة، وحتى الظروف الباردة القاسية.

• ​محركات المعدات المساعدة: "أحجار الزاوية الصامتة" للنظام على مستوى السفينة​

  من المضخات والمراوح إلى الضواغط وآلات سطح السفينة، يتم تشغيل المعدات المساعدة عبر السفينة بشكل متزايد بواسطة محركات عالية الكفاءة. الاتجاه هو نحو محركات المغناطيس الدائم أو المحركات الحثية ذات التردد المتغير والتي يتم التحكم فيها بواسطة المحرك، مما يتيح إمداد الطاقة عند الطلب. يؤدي هذا إلى التخلص من هدر الطاقة الناتج عن "استخدام محرك كبير لحمولة صغيرة" وهو أمر أساسي لتقليل استهلاك الطاقة في "حمولة الفندق" على متن السفينة.

​

سيناريوهات تطبيق المحركات البحرية​

يتم تركيب مجموعة واسعة من المحركات، التي يصل عددها إلى المئات أو حتى الآلاف، على السفن الكبيرة وتلعب أدوارًا حاسمة عبر أنظمة الدفع والمناورة والأنظمة المساعدة المختلفة. على سبيل المثال، تم تجهيز أول سفينة سياحية كبيرة مصنوعة محليا في الصين بأكثر من 20 ألف مجموعة من معدات المحركات، تغطي 136 نظاما فرعيا، من التدفئة والتهوية وتكييف الهواء إلى مضخات الحريق.

تعتمد الملاحة الآمنة والعمليات اليومية بشكل كبير على الأداء الطبيعي لهذه المحركات. يمكن أن يؤثر أي عطل في أي محرك على نظام الدفع أو المعدات المهمة، مما قد يعرض الرحلة للخطر. لذلك، يُطلب من المحركات البحرية عادةً أن تتمتع بموثوقية عالية وقدرة على تحمل البيئات القاسية. ونظرًا للرطوبة العالية وتآكل رش الملح والاهتزاز الشديد والصدمات في البحر، يجب أن تشتمل المحركات البحرية على تصميمات خاصة لعزل الرطوبة ومقاومة التآكل ومقاومة الاهتزاز.

تعمل العديد من المحركات البحرية بشكل مستمر طوال العام في البيئات الرطبة والمهتزة. يمكن أن تؤدي الصيانة غير السليمة إلى حدوث أخطاء مثل تقادم العزل أو تآكل المحمل. يجب أن يركز التصميم والاستخدام على الفحص المنتظم والصيانة والتبريد المحسن وعزل الاهتزازات لضمان التشغيل المستقر والموثوق للمحرك. تُستخدم المحركات البحرية على نطاق واسع في أنظمة الدفع الرئيسية، ووحدات الدفع الكهربائية، وأجهزة الدفع/الدفعات القوسية، وآلات سطح السفينة، والمضخات، وأجهزة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وغيرها من السيناريوهات. يرتبط أدائهم ارتباطًا مباشرًا بالأداء العام للسفينة وسلامتها.

​

الحدود التكنولوجية: تعزيز مستقبل الشحن الأخضر​

يتركز التطور التكنولوجي في المحركات البحرية وأنظمة القيادة الكهربائية حاليًا على ثلاثة اتجاهات رئيسية:

• ​كفاءة عالية للغاية ومغنطة دائمة​

  يعد تحسين كفاءة المحرك طريقًا مباشرًا لتقليل الانبعاثات. أصبحت المحركات فائقة الكفاءة من فئة IE4/IE5 هي الخيار المفضل للمنشآت الجديدة. من بينها، المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM)، بكثافة الطاقة العالية، والكفاءة العالية، وأداء عزم الدوران العالي، تكتسب زخمًا سريعًا في الدفع وتوليد الطاقة، لتصبح جوهر الجيل الجديد من "القوة الخضراء".

• ​تكامل النظام والذكاء​

  أنظمة القيادة الكهربائية الحديثة عبارة عن وحدات متكاملة للغاية. تتكامل المحركات بشكل عميق مع محولات التردد والمحولات وأنظمة إدارة الطاقة (EMS). يمكن لأنظمة المراقبة الذكية القائمة على التوائم الرقمية وإنترنت الأشياء (IoT) تحليل صحة المحركات في الوقت الفعلي، مما يتيح الصيانة التنبؤية ويزيد من الموثوقية والكفاءة التشغيلية.

• ​التكيف مع مصادر الطاقة المتنوعة​

  ستكون طاقة السفن المستقبلية هجينة. يمكن لأنظمة القيادة الكهربائية، نظرًا لتوافقها المتأصل، أن تدمج بسلاسة توليد الديزل وبطاريات الليثيوم وخلايا الوقود وحتى الطاقة الشاطئية. تتيح المحركات، التي تعمل كمنفذ موحد لإخراج الطاقة، للسفن تحقيق أداء الدفع الأمثل بغض النظر عن مصدر الطاقة الأساسي المستخدم.

​

أنواع المحركات البحرية وخصائصها الفنية:​​

بناءً على الاحتياجات المتنوعة لأنظمة السفن، تطورت المحركات البحرية إلى العديد من الأنواع المتخصصة:

• ​محركات الدفع الرئيسية :تعمل كمصدر طاقة الدفع الرئيسي للسفن، ويمكن أن يصل نطاق قوتها إلى عدة ميجاوات. هذه عادةً ما تكون محركات عالية الجهد وعالية الطاقة، بمستويات جهد قياسية تشمل 690 فولت، 3 كيلو فولت، 6 كيلو فولت، 10 كيلو فولت، ومعدلات طاقة تصل إلى آلاف أو حتى عشرات الآلاف من الكيلووات. لتوفير طاقة هائلة في مساحة محدودة، غالبًا ما تستخدم محركات الدفع تصميمات عالية القطب ومنخفضة السرعة (750 ~ 1200 دورة في الدقيقة) وطرق تبريد فعالة. تم تجهيز معظم محركات الدفع الكبيرة السائدة بأنظمة تبريد بالماء أو أنظمة تبريد مركبة لتحسين كفاءة تبديد الحرارة. كان هناك نوع معين من محركات الدفع التي طورتها الشركات المصنعة المحلية رائدة في تقنية التبريد الهجين "التدوير الداخلي + الدوران الخارجي + الهواء + مياه البحر". نجح هذا في حل اختناقات تبديد الحرارة للمحركات ذات التيار العالي والطاقة العالية في ظل ظروف الجهد المنخفض، مما أدى إلى تقليل وزن وحجم المحركات التي لها نفس القدرة إلى 60% من المحرك الأصلي وتحسين الكفاءة الإجمالية بنسبة 20% تقريبًا. تعمل مثل هذه التصميمات المبتكرة على تعزيز كثافة طاقة المحرك بشكل فعال، وتلبية المتطلبات الصارمة للسفن السياحية الكبيرة والسفن الأخرى لمحركات الدفع المدمجة عالية الطاقة.

• ​مناورة السفن وتحديد مواقعها:​وتشمل هذه محركات الدفعات القوسية (الدفاعات الجانبية) ودفاعات السمت (Azipod). تتميز هذه المحركات عادةً بالتركيب الرأسي والتصميمات ذات عزم الدوران العالي، مع التركيز على سرعة التشغيل والإيقاف وأداء تنظيم السرعة لتلبية متطلبات القدرة على المناورة للسفينة. يجب أن تتمتع بقدرة ممتازة على مقاومة الرطوبة والاهتزاز ودرجات الحرارة المنخفضة لتحمل المواقع المعرضة للرطوبة والتأثيرات، مثل حجرات القوس، وأن تظل موثوقة حتى في الظروف الجليدية أثناء الملاحة القطبية. من الناحية الهيكلية، عادة ما تكون هذه المحركات مدمجة لسهولة التركيب في مساحات الهيكل المحدودة والصيانة المريحة.

• ​محركات المعدات المساعدة:يتم تشغيل عدد كبير من المعدات المساعدة على متن السفن، بما في ذلك المضخات والمراوح والضواغط والرافعات المختلفة، بواسطة محركات كهربائية صغيرة ومتوسطة الحجم. وهي مقسمة إلى فئات الجهد المنخفض والجهد العالي على أساس متطلبات الحمل. المحركات المساعدة ذات الجهد المنخفض هي في الغالب في نطاق الجهد 380-690 فولت، مع طاقة تتراوح من عدة كيلووات إلى عدة مئات من الكيلووات، وتتميز عادةً ببناء مبرد مروحي مغلق تمامًا (TEFC)، مع التركيز على البساطة والموثوقية. تعمل المحركات المساعدة عالية الجهد عمومًا بجهد 3-6 كيلو فولت، مع طاقة تصل إلى عدة آلاف كيلووات، وتستخدم في التطبيقات الثقيلة مثل معدات الضخ والضغط الكبيرة. عادةً ما يستخدمون تصميمات تبريد محسنة مثل قنوات التهوية أو تبريد المياه. تتطلب بعض البيئات الخاصة، مثل مناطق غرفة المحرك ذات درجة الحرارة العالية أو المضخات المغمورة، محركات متخصصة مزودة بسترات تبريد المياه أو حاويات مقاومة للانفجار لضمان التشغيل الآمن في درجات الحرارة العالية أو المقاومة للانفجار أو تحت الماء. مع التقدم التكنولوجي، دخلت أشكال المحركات البحرية الجديدة الاستخدام العملي، بما في ذلك PMSMs للدفع وتوليد الطاقة، والمحركات عالية السرعة لمساعدين محددين، ومحركات التيار المستمر في السفن ذات الأغراض الخاصة. تسمح مجموعة المنتجات المتنوعة هذه للمؤسسات الرائدة في كثير من الأحيان بتغطية خط إنتاج يضم أكثر من 30 سلسلة و2000 نوع من المحركات البحرية لتلبية احتياجات السفن المختلفة.

​

اتجاهات تطوير تكنولوجيا المحركات البحرية:​​

تعمل صناعة المحركات البحرية حاليًا على تسريع الابتكار حول ثلاثة اتجاهات رئيسية: الكفاءة، والتكنولوجيا الخضراء، والذكاء، مع ظهور العديد من التقنيات الجديدة والتعاون:

• ​محركات ذات كفاءة عالية وموفرة للطاقة وفائقة الكفاءة:​يعد تحسين كفاءة المحرك لتقليل استهلاك الطاقة والانبعاثات اتجاهًا أساسيًا في الصناعة. على المستوى الدولي، تم طرح منتجات المحركات فائقة الكفاءة من فئة IE5، بكفاءة تفوق بكثير المحركات التقليدية، مما أدى إلى تسريع التحول الموفر للطاقة في صناعة بناء السفن.

• ​المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم وطوبولوجيا المحركات الجديدة:​نظرًا لكفاءتها العالية وكثافة الطاقة العالية والأداء الجيد لتنظيم السرعة، تحظى المحركات المغناطيسية الدائمة باهتمام متزايد في الصناعة البحرية. وخاصة في أنظمة الدفع الكبيرة التي تعمل بالكهرباء أو الهجين، أصبحت أجهزة PMSM من فئة ميجاوات تدريجيًا من المعدات الأساسية. وحققت الشركات المحلية أيضًا اختراقات كبيرة، حيث تلبي المنتجات متطلبات التصنيف الصارمة بشكل كامل. بالمقارنة مع المحركات التقليدية، توفر هذه المحركات ذات المغناطيس الدائم عالية الطاقة مزايا رائعة مثل الكفاءة العالية وتوفير الطاقة وكثافة الطاقة العالية والتشغيل المستقر، مما يقلل بشكل فعال من استهلاك الطاقة الإجمالي للسفن وانبعاثات الكربون، بما يتماشى مع طلب العصر على تطوير صناعة الموانئ والشحن المستدام. في التطبيقات العملية، يمكن أن يؤدي استخدام PMSMs لسيناريوهات مثل توليد العمود إلى تحسين كفاءة استخدام الطاقة بشكل كبير. تظهر الاختبارات أن إضافة مولد عمود مغناطيسي دائم من فئة 3MW يمكن أن يوفر من 4% إلى 10% من استهلاك الوقود للسفينة بأكملها. في المستقبل، مع التقدم في المواد المغناطيسية وتكنولوجيا التحكم، من المتوقع أن تشهد PMSMs تطبيقًا أوسع في الدفع الرئيسي، والدفع الكهربائي، والآلات المساعدة الكبيرة، لتصبح ركيزة حيوية لـ "القوة الخضراء" للسفينة.

• ​تقنيات التبريد والمواد الخاصة:​ولمواجهة التحدي المتمثل في زيادة الطاقة ضمن المساحة المحدودة للسفن، تبتكر الصناعة في مجال تبريد المحركات والمواد. يعد محرك التبريد الهجين المذكور أعلاه أحد الأمثلة، حيث تعمل التصميمات الذكية لمسار الهواء والتبريد المائي على تقليل حجم طاقة الوحدة للمحرك بشكل كبير، مما يلبي الحاجة إلى تركيب محركات عالية الطاقة في غرف المحركات الضيقة للسفن السياحية الكبيرة. كما يؤدي رذاذ الملح المرتفع والتغيرات في درجات الحرارة في البيئة البحرية إلى إجراء ترقيات في مواد حماية تصنيع المحركات. تستثمر الشركات بكثافة في البحث والتطوير لحل المشكلات المتعلقة بالتصاق الطلاء المضاد للتآكل وعمره، وتطوير طلاءات "درع مضاد للتآكل" مقاومة لرذاذ الملح، مما يعزز بشكل كبير موثوقية المحركات على المدى الطويل في البيئات البحرية.

• ​الذكاء والرقمنة:مع سعي السفن الحديثة بشكل متزايد إلى العمليات الذكية، تتطور المحركات البحرية أيضًا نحو المراقبة والتحكم الذكي. تتعاون شركات تصنيع المحركات الكبرى مع أحواض بناء السفن وشركات الكهرباء لتطوير أجهزة مراقبة وحماية المحركات القائمة على إنترنت الأشياء. تعمل هذه على دمج بيانات تشغيل المحرك في نظام إدارة كفاءة الطاقة في السفينة، مما يتيح المراقبة في الوقت الفعلي والإنذار المبكر لحالة المحرك.

• ​التعاون الصناعي وإصدار الشهادات القياسية:​ إن الحواجز التقنية العالية ومتطلبات التخصيص في صناعة المحركات البحرية تجعل التعاون بين الشركات ومع الهيئات الرسمية اتجاهاً. ويعمل القائمون على تكامل الأنظمة بأكملها، وموردو المعدات، وشركات تصنيع المحركات على تعزيز التنمية التعاونية.

​

الخلاصة: المد الذي لا رجعة فيه للمحرك الكهربائي​

"خروج الديزل، دخول الكهرباء" ليس مجرد شعار ولكنه حقيقة تتكشف عبر الأسطول العالمي. من السفن السياحية الفاخرة والعبارات الكبيرة إلى السفن البحرية وحتى سفن الشحن العابرة للمحيطات، أصبحت أنظمة القيادة الكهربائية، بما تتمتع به من مرونة لا مثيل لها ومزايا الكفاءة والإمكانات البيئية، هي المعيار في تصميم السفن الحديثة.

إن المحركات، التي تعمل بمثابة "العضلات والمفاصل" لهذا النظام، مع كل تقدم تكنولوجي - كثافة طاقة أعلى، وقدرة أكبر على التكيف البيئي، وتحكم أكثر ذكاءً - تدفع هذه الثورة إلى أبعاد أعمق وأوسع. بالنسبة لأصحاب السفن وأحواض بناء السفن والمصممين، لم يعد فهم وتبني تكنولوجيا المحركات الكهربائية مجرد خيار للامتثال التنظيمي، بل أصبح ضرورة استراتيجية للفوز في منافسة السوق المستقبلية. لقد أطلق المستقبل الكهربائي للشحن بوقه بالفعل وأبحر.