سوخت‌های جایگزین در حمل و نقل دریایی
سوخت‌هایی که در کشتی‌ها استفاده می‌شوند تاریخی به درازی تاریخ حمل و نقل دریایی کالا دارند که به دوران‌های مختلف و تغییرات صنعت حمل و نقل دریایی مرتبط هستند. در ادامه مقاله با توجه به اهمیت سوخت کشتی‌ها و استفاده از سوخت‌های پاک در کشتی‌های مختلف تاریخچه سوخت کشتی و استفاده از سوخت‌های پاک در حمل و نقل دریایی را بررسی خواهیم کرد.
تاریخچه استفاده از سوخت در کشتی‌ها
قرون وسطی و قبل از آن: در این دوران، معمولا کشتی‌ها به وسیله باد و چوب حرکت می‌کردند. باد با استفاده از بادبان‌ها برای جابه‌جایی کشتی کاربرد داشت و خبری از سوخت فسیلی نبود در برخی موارد هم از چوب به عنوان سوخت برای گرم کردن و آشپزی استفاده می‌شد.
انقلاب صنعتی: با پیشرفت‌های انقلاب صنعتی و اختراع موتور بخار، سوخت‌هایی مانند زغال سنگ در کشتی‌ها به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گرفتند و محبوبیت زیادی هم پیدا کردند.
قرن 20: با پیشرفت‌های فناوری و توسعه صنعت نفت، فیول سنگین و دیزل به عنوان سوخت اصلی برای کشتی‌های بزرگ و تجاری معرفی شدند.
در سال‌های اخیر: با افزایش نگرانی‌ها در ارتباط با تغییرات آب و هوایی و آلودگی هوا، جهت‌گیری‌های جدیدی در حوزه استفاده از سوخت‌های پاک‌تر و موثرتر مانند گاز طبیعی مایع (LNG)، بیوسوخت‌ها و حتی تکنولوژی‌های برقی مانند باتری در کشتی‌ها و حمل و نقل دریایی آغاز شده است.
آینده: با توجه به تغییرات زیست محیطی و قوانین جهانی، تلاش‌هایی در جهت کاهش گازهای گلخانه‌ای از سوی صنعت حمل و نقل دریایی در حال انجام است. در این راستا، تحقیقات بر روی سوخت‌های جدید مانند هیدروژن و تکنولوژی‌های جدید مانند سلول‌های سوختی افزایش پیدا کرده است به صورت کلی سوخت‌های مورد استفاده در کشتی‌ها با توجه به نیاز‌ها، فناوری‌ها و چالش‌های زیست محیطی در طول زمان تغییرات زیادی کرده‌اند و به نظر می‌رسد که این تحولات در آینده نیز ادامه داشته باشد.
انواع سوخت‌های جایگزین در حمل و نقل دریایی
انتشار گازهای گلخانه‌ای، استفاده از سوخت‌های جایگزین و تکنولوژی‌های پاک در این حوزه را بیش از گذشته مورد توجه قرار داده است. زیر مجموعه‌های “سوخت‌های جایگزین در حمل و نقل دریایی” به شرح زیر هستند:
سوخت‌های مایع
متانول: استفاده از متانول به عنوان یک سوخت جایگزین برای کشتی‌ها.
LNG (گاز طبیعی مایع): استفاده از LNG به عنوان یک سوخت پاک‌تر نسبت به سوخت‌های فسیلی سنتی.
تکنولوژی‌های الکتریکی
کشتی‌های الکتریکی: استفاده از باتری‌ها برای انرژی کشتی‌ها.
کشتی‌های هیبریدی: ترکیبی از سوخت مایع و باتری.
سوخت‌های بیو
بیودیزل: سوخت‌های تولید شده از چربی‌ها یا روغن‌های گیاهی.
بیومتانول: متانول تولید شده از منابع زیستی.
هیدروژن و تکنولوژی‌های وابسته
کشتی‌های هیدروژنی: استفاده از هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی.
فناوری پیل سوختی: تولید برق از هیدروژن برای حرکت کشتی.
تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی انرژی
سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی: ذخیره و استفاده از انرژی حرارتی.
سیستم‌های ذخیره‌سازی هوای فشرده: استفاده از هوای فشرده به عنوان حامل انرژی.
سایر فناوری‌ها
فناوری‌های جلبکی: استفاده از جلبک به عنوان منبع برای تولید سوخت.
کاهش مصرف سوخت با بهینه‌سازی هیدرودینامیکی: استفاده از طراحی‌ها و فناوری‌های جدید برای کاهش مقاومت در آب و بهبود کارایی سوختی.
ﺻﻨﻌﺖ ﺣﻤﻞ و ﻧﻘﻞ درﯾﺎﯾی سهمی برابر با 80% از کل حجم سبد حمل و نقل جهانی و حدود 70% از کل ارزش سبد حمل و نقل، ﺷﺮﯾﺎن اصلی اﻗﺘﺼﺎد کشور است، بر اساس اﻋﻼم ﺳﺎزﻣﺎن ﺑﯿﻦ اﻟﻤﻠﻠﯽ درﯾﺎﯾﯽ اﯾﻦ ﺻﻨﻌﺖ 3 درﺻﺪ از اﻧﺘﺸﺎرﻫﺎی CO2 ﻧﺎﺷﯽ از اﻗﺪاﻣﺎت ﺑﺸﺮی در جهان را به خود اختصاص داده است. پیش‌بینی های انجام شده در این حوزه نشان می‌دهند که رﺷﺪ ﭼﺸﻢﮔﯿﺮی در ﺗﻘﺎﺿﺎ ﺑﺮای ﺗﺠﺎرت درﯾﺎﺑﺮد و رﺷﺪ ﻣﺘﻨﺎﻇﺮی در ﻧﺎوﮔﺎن ﺟﻬﺎﻧﯽ ﺗﺎ ﺳﺎل 2050 ایجاد می‌شود ﮐﻪ اﺣﺘﻤﺎﻻً ﺑﻪ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﺑﯿﺸﺘﺮ اﻧﺘﺸﺎرﻫﺎی CO2 منجر می‌شود و این برای آینده زمین خطرناک است.
ﻣﯽﺗﻮان اﻧﺘﻈﺎر داﺷﺖ ﮐﻪ اﯾﻦ ﺻﻨﻌﺖ ﮐﻞ ﺧﺮوﺟﯽ ﮐﺮﺑﻦ ﺧﻮد را ﺗﺎ ﺣﺪاﻗﻞ 70 درﺻﺪ ﮐﻤﺘﺮ از ﺳﻄﻮح ﮐﻨﻮﻧﯽ ﮐﺎﻫﺶ بدهد دﺳﺘﯿﺎﺑﯽ ﺑﻪ اﯾﻦ هدف ﮐﺎر ﺳﺎده‌ای نیست. به همین دلیل ﺻﻨﻌﺖ ﺣﻤﻞ و ﻧﻘﻞ درﯾﺎﯾﯽ ﻧﯿﺰ اﺛﺮات زﯾﺴﺖ ﻣﺤﯿﻄﯽ ﺧﻮد ﺑﺮ اﻓﺰاﯾﺶ دﻣﺎی ﮐﺮه زﻣﯿﻦ را ﮐـﺎﻫﺶ می‌دهند و ﻣﻘﺮرات ﺳﺨﺖ ﮔﯿﺮاﻧﻪﺗﺮی را ﺑﻪ وﯾﮋه در ﺧﺼﻮص ﮐﺎﻫﺶ اﻧﺘﺸﺎر ﮔﺎزﻫﺎی ﮔﻠﺨﺎﻧﻪای در حال پیاده‌سازی در سطح جهان است. بر همین این اساس سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO) به عنوان اصلیترین مرجع قانونگذاری در کشتیرانی، کنوانسیون‌هایی ر در راستای کاهش آثار زیست‌محیطی حمل‌ونقل دریایی ابلاغ کرده است و ایران به عنوان یکی از اعضای این سازمان، موظف به رعایت مفاد این کنوانسیون است.
سازمان جهانی دریانوردی برای حذف انتشار گازهای گلخانه‌ای از صنعت حمل و نقل دریایی افق بلند مدتی را در نظر گرفته است و به صورت مرحله‌ای سعی دارد با سیاستهای اتخاذ شده، تولید گازهای گلخانه‌ای حمل و نقل دریایی را تا سال 2100 میلادی به صورت کامل از حمل و نقل دریایی حذف کند. حجم کربن تولیدی در سال 2030 باید حداقل 40% نسبت به سال 2008 کاهش پیدا کند. این میزان کاهش در سال 2050 برابر با 70% برای کربن و 50% برای مجموع گازهای گلخانه‌ای است. نهایتا در سال 2100 باید تولید گازهای گلخانه‌ای در حمل و نقل دریایی به صفر برسد.
راهکارهایی برای دستیابی به این اهداف در نظر گرفته شده است که به دو دسته کوتاه مدت و بلند مدت تقسیم‌بندی می‌شود. راهکارهای کوتاه مدت کاربرد موقت دارند و اثرات آنها هم در کاهش کربن، حداقل است که میتوان به برنامه مدیریت بازدهی انرژی کشتی حین عملیات (SEEMP)، شاخص بازدهی انرژی طراحی کشتی (EEDI) و شاخص بازدهی انرژی شناورهای موجود (EEXI) اشاره کرد. در مقابل استفاده از سوخت‌های پاک و عاری از کربن به عنوان راهکار نهایی خواهد بود که نیاز به برنامه‌ریزی بلند مدت دارد.
اهمیت و تأثیرگذاری فناوری
بر طبق پایبندی به تعهدات کنوانسیون‌های سازمان جهانی IMO، اقدامات زیادی در سطح جهانی برای جایگزینی سوخت و کربن‌زدایی از حمل و نقل دریایی صورت گرفته که در ادامه برخی از این موارد را بررسی خواهیم کرد:
تأسیس مرکز کربن زدایی در سنگاپور با مشارکت هفت کنسرسیوم دریایی با سرمایه گذاری اولیه ۱۲۰ میلیون دلار؛
سرمایه گذاری ۲ میلیارد دلاری شرکت کشتیرانی MOL ژاپن برای کربن زدایی؛
آغاز عملیات بانکرینگ سیار با اجرای اولین پروژۀ انتقال کشتی به کشتی گاز LNG در سنگاپور؛
تاسیس صندوق و اختصاص پنج میلیارد دلار با هدف کربن زدایی توسط سازمان ملل؛
امضای قرارداد ۱۰ ساله بین سنگاپور و قطر برای خرید گاز LNG به میزان 1. 8 میلیون تن راستای تبدیل بنادر سنگاپور به بندر سبز؛
اعمال تخفیف ۱۵ تا ۲۰ درصدی برای کشتی‌های با سوخت پاک در بندر بارسلونا و سرمایه‌گذاری یک میلیارد و ۷۰۰ میلیون یورویی برای رعایت مسائل زیست محیطی، کربن زدایی، کاهش انتشار انواع آلودگی‌ها و گرایش به سمت انرژی‌های جدید؛
همکاری شرکت نفت شل با کشتیرانی CMA CGM فرانسه با تامین سوخت مخلوط زیستی و فسیلی در راستای کربن زدایی؛
سرمایه گذاری ۴. ۴ میلیون یورویی دولت نروژ در ساخت اولین تانکر با سوخت آمونیاک سبز.
سوخت LNG
گاز طبیعی مایع که به اختصار LNG نامیده می‌شود ترکیبی از هیدروکربن‌ها است که معمولا از متان تشکیل شده‌اند و حاوی کمی بوتان، پروپان، اتان، برخی از آلکان‌های سنگین و ازت هستند و مخلوط بی‌بو، غیر سمی و بی‌رنگ را تشکیل می‌دهند. گاز طبیعی مایع یا LNG به خوبی به عنوان یک سوخت جایگزین در صنایع دریایی شناخته شده و آلایندگی اکسید گوگرد و یا ذرات معلق را ندارد. علاوه بر این قابلیت کاهش آلایندگی اکسید نیتروژن و گازهای گلخانه‌ای را تا حدود 20% (بنا به نوع موتور شناور) و انتشار گاز CO2 را تا حداکثر 80% کاهش می‌دهد.
بر خلاف این خصوصیات LNG در کاهش اثرات گلخانه‌ای و در دسترس بودن، این گاز نقاظ ضعفی هم دارد. عمده چالش‌های این نوع سوخت را در ادامه بررسی خواهیم کرد.
حذف نشدن کامل انتشار کربن در استفاده از این سوخت به دلیل ماهیت فسیلی بودن
نشت متان در موتور شناور به ویژه در فرایندهای احتراق ناقص که بعضا اثرات گلخانه‌ای شدیدتری نسبت به دی اکسید کربن خواهد داشت.
زیرساخت‌های هزینه بر برای تجهیزات لازم بر روی شناور و ایجاد سایت‌های بانکرینگ LNG
چالش‌های ذخیره‌سازی و بانکرینگ LNG به دلیل احتمال بالای نشت گاز
اقبال به استفاده از شناورهای LNG رو به افزایش بوده و طبق آمار شناورهای سفارش داده شده برای ساخت در سال 2019، حدود 17% از این شناورها (بر حسب تناژ) از سوخت LNG بهره‌مند خواهند شد.
سوخت LPG
گاز مایع شده نفتی (LPG) مخلوطی از گازهای هیدروکربنی است که در درجه اول حاوی پروپان و بوتان قرار دارند. این گاز از هوا سنگین‌تر است و ترکیبی از گازهای قابل اشتعال را دارد که به عنوان سوخت در وسایل نقلیه موتوری و برخی وسایل گرمایشی استفاده می‌شوند. LPGیک سوخت نسبتا پاک است که میزان آلایندگی کمتری دارد و در مقایسه با LNG است. LPG در دما و فشار محیط به سرعت تبخیر می‌شود، بنابراین در مخازن فولادی تحت فشار تولید می‌شود نشت آن خطرناک است. در صنعت کشتیرانی، LPG به عنوان یک سوخت جایگزین محتمل برای LNG شناخته می‌شود و حجم تولید آن بالا است به همین دلیل در دسترس است. حمل و نگهداری این گاز به مراتب راحت‌تر است و هزینه‌های تاسیساتی کمتری برای تجهیزات ملزوم بر روی شناور و ایجاد سایت بانکرینگ نسبت به LNG دارد. در حال حاضر تاسیسات بانکرینگ برای LPG خیلی محدود و کم تعداد هستند. استفاده از LPG نیز به دلیل ماهیت فسیلی، قابلیت حذف کامل کربن و گازهای گلخانه‌ای را مهیا نمی‌کند.
سوخت‌های زیستی Biofuel
سوخت زیستی نوعی از سوخت هستند که در آنها انرژی تثبیت بیولوژیکی کربن (منابع زیست‌توده یا بیومس) ناشی شده و با سوخت‌های فسیلی تفاوت دارند. محتوای انرژی سوخت زیستی از منابع زیستی و مواد آلی که بدن موجودات زنده را می‌‌سازند به وجود آمده است. این تعریف به این مغنی است که ماهیت سوخت زیستى به گیاهان (انرژی خورشید طی فرایند فوتوسنتز) برمی‌گردد و موجب تجدیدپذیر بودن آن می‌شود. سوخت‌های زیستی برای مصرف در صنعت دریایی، می‌توانند با سوخت‌های موجود مخلوط (Blend) شده تا ترکیب حاصل آلایندگی کمتری دارند و حتی می‌توانند به صورت مستقیم به عنوان سوخت شناور مصرف شده و نیازی به تغییرات موتور شناور نیست. دو نوع از سوخت‌های گیاهی قابل استفاده در شناورها، سوخت گیاهی سنگین (HVO) و بیودیزل (Biodiesel) هستندکه در سایر صنایع هم مورد مصرف قرار می‌گیرند.
مشکلات اصلی که استفاده از این سوخت را به عنوان تنها جایگزین و راه حل حذف کربن غیر ممکن می‌کند، چالش‌های زیست محیطی، اقتصادی و فنی هستند. برای تولید بیوفیول در مقدار انبوه نیاز به حجم بسیار زیادی از مواد غذایی و گیاهی است که به نوعی امنیت صنایع غذایی، صنایع آرایشی و صنعت داروسازی را تهدید می‌کنند. علاوه بر این، ذخیره و نگهداری طولانی مدت این سوخت (بالاتر از یک سال) به دلیل ناپایداری و اکسیداسیون دشوار است.
سوخت‌های متانول و اتانول
متانول و اتانول هم به عنوان جایگزین احتمالی برای LNG در نظر گرفته می‌شوند و به دلیل حالت فیزیکی مایع در دمای محیط، از سهولت بیشتری در نگهداری و حمل نسبت به LNG دارند و با پروفیل مشابه با LPG می‌توانند به صورت مستقیم به عنوان سوخت استفاده می‌شوند. علاوه بر این دارای شبکه حمل و نقل جهانی گسترده بوده که دسترسی آن را سهل می‌کند.
متاسفانه تعداد سایت‌های بانکرینگ متانول و اتانول موجود در دنیا در حال حاضر کم هستند و به دلیل ماهیت اشتعال‌پذیری بالا و تولید گازهای سمی، باید تمهیدات خاصی در شناورها و مخازن حمل و نگهداری اتخاذ شده است و تغییراتی در طراحی موتور و شناورها لحاظ گردد که هزینه‌های بالایی را تحمیل می‌شود. اگرچه هزینه‌های مذکور نسبت به سوخت LNG پایینتر است، اما قیمت بالای سوخت متانول و اتانول، جذابیت استفاده را پایین آورده است.
توجه داشته باشید که متانول تولیدی فعلی از منابع گازی طبیعی بوده که بنا به ماهیت فسیلی آن سهم اندکی در کاهش کربن خواهد داشت. در صورتی که این سوخت از منابع زیستی تهیه شود، تا 50% امکان کاهش کربن را فراهم می‌کند.
هیدروژن و آمونیاک
هیدروژن و آمونیاک از سوخت‌های پاک هستند و انتشار کربن در سوختن آنها صفر است و می‌توانند در موتورهای احتراق داخلی و پیل‌های سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. باید توجه داشت که در فرآیند تهیه هیدروژن و آمونیاک آلودگی‌های زیست محیطی، انتشار کربن و گازهای گلخانه‌ای وجود دارد. اگر بتوان فرایندها را بهبود داد و با دستیابی به فناوری‌های نوین، تولید این سوخت‌ها را نیز به صورت پاک و عاری از کربن انجام داد، جذابیت استفاده از این سوخت بیشتر می‌شود.
چگالی هیدروژن و آمونیاک به مراتب از سوخت‌های مرسوم پایینتر است و به عنوان یک فاکتور هزینه‌ای در طراحی شناورها و فضاهای بیشتر برای مخازن این نوع سوخت‌ها محسوب می‌شود. انرژی ویژه هیدروژن (انرژی تولید شده در واحد سوخت) 3 برابر سوخت‌های موسوم فعلی است، اما چگالی آن حدود 4-8 برابر پایینتر است. آمونیاک نیز برای تولید مقدار انرژی مشخص، حجمی 3 برابر مازوت نیاز است و وزن آمونیاک نیز 2 برابر مقدار مازوت مورد نیاز برای تولید همان میزان انرژی است.
حمل هیدروژن نسبت به آمونیاک بیشتر است اما رفع چالش‌های نگهداری و ذخیره‌سازی هیدروژن به صورت گاز فشرده و یا به صورت مایع بر روی شناور، در کوتاه مدت هزینه زیادی دارد. به همین دلیل در حال حاضر محبوبیت بیشتری به استفاده از آمونیاک در صنعت کشتیرانی وجود دارد. فرایندهای نگهداری و حمل و نقل آمونیاک امروزه به خوبی تبیین شده و آمونیاک یکی از محصولات پر استفاده در صنایع شیمیایی است که تولید آن در جهان سالانه به حدود 190 میلیون تن رسیده است. اما زیرساخت‌ها و تاسیسات مورد نیاز بانکرینگ آمونیاک موجود نیست و ملاحظات ایمنی بالایی به دلیل خصوصیت سمی بودن در حمل و نگهداری باید در نظر گرفته شود.
سیستم‌های الکتریکی و هیبریدی
محدودیت‌های تکنولوژیکی فعلی، مانع دستیابی به شناور کاملاً الکتریکی در دنیا شده است و صرفا شناورهای کوچک با برد ماموریتی کوتاه نظیر شناورهای مسافربری در آب‌های داخلی با این قابلیت تولید شده‌اند. در عوض شناورهای هیبریدی قابلیت عملیاتی بالاتری دارند و پس از تخلیه باتری‌های لیوتیوم-یون موجود در شناور، با سوئیچ کردن به موتورهای دیزلی به فعالیت خود ادامه می‌دهند. باتری‌های تخلیه شده یا به وسیله دیزل ژنراتورهای کشتی و یا به وسیله ایستگاه‌های برقی موجود در بنادر شارژ می‌شوند با توجه به بررسی‌های انجام شده، در حال حاضر سوخت مورد استفاده در صنایع کشتیرانی ایران، معمولا سوخت مازوت است و استفاده از سوخت‌های پاک دیده نمی‌شود. علاوه بر این زیرساخت‌های بانکرینگ برای سوخت‌های پاک در کشور وجود ندارند و تاسیسات فعلی حتی برای بانکرینگ سوخت مازوت کارآمدی کافی را ندارند.
جایگزینی سوخت‌های پاک در صنعت کشتیرانی، امری اجتناب ناپذیر است و تمامی کشورها باید به الزامات اجباری سازمان جهانی دریانوردی عمل کنند. ایران نیز به عنوان یکی از کشورهای فعال در حوزه حمل و نقل دریایی در دنیا باید با این حرکت هم جهت شوند تا از بروز ممنوعیت‌های احتمالی در آینده برای تردد این ناوگان مواجه نشوند. مرور تجربیات قبلی مانند الزام به استفاده از سوخت کم سولفور بیانگر این امر است که هنوز اقدامات اساسی برای تولید مازوت کم سولفور در کشور انجام نشده است.
ایران در حال حاضر بیش از ۱۳ میدان گازی مستقل در خشکی و میدان‌های دریایی پارس‌جنوبی، پارس‌شمالی، سلمان، لاوان و کیش در اختیار دارد و به عنوان یکی از کشورهای دارنده ذخایر عظیم گاز طبیعی به میزان ۳۴ تریلیون مترمکعب که ۱۸ درصد ذخایر گاز جهان را تشکیل می‌دهد. استفاده از این ظرفیت، می‌تواند کمک شایانی در تبدیل شدن کشور به عنوان هاب تامین سوخت LNG برای کشتیرانی کند.
با توجه به موارد مطرح شده و بررسی‌های انجام شده، در افق میان مدت اقبال بیشتری به استفاده از سوخت LNG پیش‌بینی شده است و برای بلند مدت، ارجحیت به استفاده از سوخت آمونیاک و سایر سوخت‌های پاک خواهد بود. ایران از تولید کنندگان اصلی سوخت LNG است که این مزینت نسبی باید مورد توجه قرار بگیرد. ایجاد زیر ساخت‌های لازم بانکرینگ برای سوخت‌های ذکر شده توام با تجهیزات مورد نیاز شناورها برای این سوخت‌ها (نظیر سیستم رانش منطبق و مخازن سوخت مناسب در کشتی) اهمیت دارد و می‌تواند کمک قابل توجهی به جذب بازار بانکرینگ (حدود 10 میلیارد دلار) در منطقه خلیج فارس با تردد سالانه 47 هزار فروند شناور به ایجاد اشتغال زایی و رفع محرومیت زدایی از مناطق ساحلی جنوب کشور به دنبال داشته باشد.
