Водород как топливо для судов

Обновлено: 18.04.2024

Использование водородных топливных элементов на судах включено в планы все большего числа компаний и судовладельцев. Но в какой степени эти планы будут реализованы?

В январе 2017 года мировые политические и деловые лидеры собрались на Всемирном экономическом форуме в Давосе для обсуждения данных перспектив.

Всемирный совет по водородным технологиям, в который входят такие компании как Honda, Hyundai, Royal Dutch Shell и другие, подготовил концепцию использования водорода в качестве ключевого элемента в борьбе с климатическими изменениями. Поддержку этой инициативе оказали несколько компаний, готовых инвестировать в развитие и коммерциализацию водородных топливных ячеек и использование водорода. В стремлении поддержать инициативу Совет выпустил отчет о том, как водород ускорит изменения в энергетике, а также о необходимости немедленных действий.

Генеральный директор компании Air Liquide Бенуа Потье (Benoît Potier) и член Совета заявил: "Наш призыв сегодня к мировым лидерам заключается в переходе на водородную энергетику".

Сегодня уже можно говорить о том, что использование водорода перестало быть единичными новаторскими проектами и стало внедряться в промышленность. Сертификационные общества, такие как DNV GL, разрабатывают собственные правила использования водорода. Это означает, что существует спрос на его применение.

Проект компании Royal Caribbean

В октябре 2016 года компания Royal Caribbean заявила о начале использования водородных топливных элементов, преобразующих энергию реакции соединения водорода с кислородом в электричество, в качестве дополнительного источника электроэнергии на судах проекта Icon, использующих СПГ в качестве топлива. Суда этого проекта будут поставлены с 2020 по 2024 годы.

Водородные топливные элементы производят электроэнергию без использования процесса горения, что исключает вредные для окружающей среды выбросы.

Проект Race for Water (фото в начале статьи)

В ноябре 2016 года было заявлено, что будет построено экспериментальное судно, оснащенное солнечными панелями и водородными топливными элементами, изготовленными компанией PowerCell Sweden. В работе над проектом участвует компания Swiss Hydrogen.

Главный исполнительный директор компании Swiss Hydrogen Александр Клозе (Alexandre Closset) сообщил, что в случае если судно не идет на широте экватора, где достаточно солнечной энергии для обеспечения всех его потребностей, необходимо использовать дизельные генераторы для выработки электроэнергии.

Компания посчитала такое решение неудовлетворительным и ведет поиски решения проблемы ограничения дальности плавания за счет использования водорода. В настоящее время завершается стадия проектирования, и в апреле 2017 года планируются первые испытания. В течение года судно, оснащенное водородными топливными элементами, будет полностью построено.

Проект компании Fiskerstrand

По проекту норвежской компании Fiskerstrand Holding AS, паром также будет приведен в движение энергией водорода. Судно является частью более крупного проекта HYBRIDShips, который направлен на распространение и внедрение пропульсивных систем с нулевым уровнем выбросов. Компания Fiskerstrand поставила цель построить паром к 2020 году.

Использование водорода имеет политическую поддержку в форме намерения ЕС инвестировать в систему новых топливных элементов для морского применения. Оно является частью инициативного проекта Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, который представлен Европейской Комиссией, ассоциацией Hydrogen Europe (ведущая Европейская промышленная ассоциация, которая включает порядка 100 компаний, работающих в области разработки топливных элементов и водородной энергетики) и исследовательскими группами.

В апреле 2016 года в Великобритании катамарану, приводимому в движение двигателем внутреннего сгорания, который работает за счет сжигания водорода, потребовалось 8 часов, чтобы достичь острова Уайт. Разработкой проекта занималась компания Cheetah Marine.

Проект был частью программы по использованию водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей, и его задачей была демонстрация возможностей водорода в качестве альтернативы другим экологичным видам топлива. Проект вызвал положительную реакцию, что показывает готовность общества поддержать новые идеи в области экологически безопасной энергетики и использования возобновляемых природных ресурсов.

Несмотря на наметившийся в некоторых областях прогресс, большинство экспертов сходятся в том, что широкое использование водорода – это дело отдаленного будущего. Использование водорода является перспективным, но на настоящий момент детально не проработанным.

Важную роль играют организации типа Международной морской организации (IMO). Она рассматривает топливные элементы как часть деятельности подкомитета организации по контейнерным перевозкам Carriage of Cargoes and Containers Sub-Committee, с намерением включить необходимые положения в международный Кодекс безопасности для судов, использующих газы и другое топливо с низкой температурой воспламенения (Code of Safety for Ships using Gases or other Low- flashpoint Fuels - IGF). Это является важным аспектом для развития использования водорода.

Основным преимуществом водорода является его экологичность.

Однако сейчас не на все вопросы есть ответы. Станут ли топливные элементы основным использующимся источником энергии? Будет ли создана инфраструктура для их повсеместного использования? Безопасно ли хранение водорода в больших объемах?

Обращение с водородом требует детально проработанной техники безопасности. Инженеры уже в течение сотни лет ведут работы по конструированию систем для сжатых горючих газов.

Основная проблема – это удовлетворение всех пунктов сертификационных требований и в то же время создание системы, которая может быть установлена на судно.

Вместе с тем, вышеупомянутые примеры и перспектива создания первой водородной топливозаправочной станции стоимостью 5 млн долл. в порту Сан-Франциско (США) свидетельствуют о том, что использование водородных топливных элементов на судах – не просто слухи, а серьезный и перспективный проект.

О последних европейских разработках, о технологии гибридного применения водородного топлива с электроэнергией, об опыте и результатах применения топливных элементов на пароме и научно-исследовательском судне — в интервью корреспонденту "Корабел.ру" с глобальным менеджером по продуктовому направлению "Электрификация" ABB Marine & Ports Йостеном Богеном (Jostein Bogen).

- Расскажите, пожалуйста, о концепции судов, работающих на водородном топливе и какова роль ABB в этом направлении? - Сегодня в мире на передовую выходит экологически ответственное судоходство, и для АBB это стимул совершенствоваться в области технологии топливных элементов. Это широко признанное и одно из самых многообещающих решений для снижения негативного влияния на окружающую среду.

Спрос на решения, обеспечивающие экологически и экономически ответственное судоходство, стремительно растет, и внедрение топливных элементов поможет морской отрасли достичь целей по сокращению выбросов CO 2 (Международная морская организация, специализированное учреждение ООН, ответственная за регулирование судоходства, поставила задачу сократить годовой уровень выбросов минимум на 50% к 2050 году по сравнению с уровнями 2008 года).

Мы в ABB отметили, что сначала технология топливных элементов нашла свое применение на судах, работающих на коротких маршрутах. И уже сейчас она используется в данном сегменте, а на более крупных судах она же функционирует в качестве дополнительного источника энергии.

- Поставляет ли АBB решения на основе водорода для других отраслей промышленности? - Портфолио ABB охватывает всю производственно-сбытовую цепочку водородной технологии от производства, транспортировки, хранения до потребления. И мы активно сотрудничаем с партнерами и заказчиками для создания новой водородной экосистемы. Экономически жизнеспособная и устойчивая экосистема во многом зависит от взаимодействия экспертов всей цепочки создания стоимости; опыт и знания в фактических и связанных использованиях и приложениях; опыт и знания данной технологии и близких ей, а также комплексный подход очень важны.

- В чем сложность и уникальность систем, поставляемых на морской транспорт? - У нас в ABB есть два направления. Для небольших систем мощностью менее 1 МВт подходят модули топливных элементов серийного производства, которые также могут самостоятельно использоваться на небольших судах и на более крупных в качестве вспомогательного источника энергии.

Такая система разработана для финского исследовательского судна Aranda, строительство которого финансируется Европейским Союзом в рамках проекта "MARANDA". При проведении измерений на исследовательских судах отключают главные двигатели, чтобы свести к минимуму шум, вибрацию и загрязнение воздуха, которые могут повлиять на результаты. Система генерирования энергии на топливных элементах АBB мощностью 165 кВт работает в режиме динамического позиционирования, а также используется для питания электрооборудования на судне Aranda во время проведения измерений.

В 2020 году ABB подписала Меморандум о взаимопонимании со специализирующейся на водородных технологиях компанией Hydrogène de France (HDF) с целью организации совместного производства систем питания на топливных элементах мегаваттного масштаба. На основе существующего сотрудничества, анонсированного 27 июня 2018 года, с компанией Ballard Power Systems, ведущим международным поставщиком топливных элементов с протонообменной мембраной (PEM), ABB и HDF намерены использовать технологические возможности для производства мегаваттных энергоустановок для морских судов. Основа новой системы – энергоустановка мощностью в несколько мегаватт, совместно разработанная компаниями ABB и Ballard. Системы будут производиться на новом предприятии HDF в Бордо (Франция).

Другой пример – проект, который мы реализуем вместе с SINTEF Ocean Laboratory в городе Тронхейме (Норвегия) и норвежской верфью Fiskerstrand. Мы изучаем практические аспекты гибридной системы питания парома на топливных элементах и батареях. Моделируя условия, которые могут возникнуть при работе парома на высоких скоростях на коротком маршруте, мы видим, как гибридная силовая установка реагирует на интенсивную эксплуатацию в циклическом режиме. Для стимулирования развития зеленых технологий в судоходстве эта работа поддерживается норвежскими исследовательскими группами и государственным предприятием Enova.

В 2020 году Европейская комиссия предложила пакет мер по восстановлению экономики и фонд в размере 750 млрд евро, что, возможно, простимулирует инвестиции в развитие водородных технологий. Заинтересованные стороны начинают понимать, что водород может стать широко применимым энергоносителем и поможет в борьбе с изменением климата. Например, такое направление развития предусмотрено Парижским соглашением и стратегией декарбонизации Международной морской организации. Сегодня основной источник энергии – это ископаемое топливо – уголь и СПГ, но переход к возобновляемой энергетике откроет больше возможностей для производства водорода.

- Некоторые эксперты считают, что водород не настолько перспективен, как предполагалось изначально, так как возможна нехватка чистой воды. По данным новостного сайта Oilprice, для производства 1 тонны водорода путем электролиза необходимо 9 тонн воды. Однако эта вода требует специальной подготовки и очистки. И, например, для приготовления 1 тонны дистиллированной воды, пригодной для электролиза, нужно 2 тонны обычной воды. Следовательно, для производства 1 тонны водорода требуется 18 тонн воды. Поскольку ABB работает с водородными технологиями и изучает отраслевую перспективу, можем ли мы спросить, что вы думаете об этой проблеме? Какие возможны решения?

- Водород можно получить из чистой воды, дистилляция не требуется, также уже прорабатывается вопрос использования отработанной воды. На многих очистных сооружениях уже есть оборудование для подготовки отработанной воды. Вместо того, чтобы просто сбрасывать воду, ее можно использовать для производства широко применимого газообразного водорода.

Мы также видим, что крупные нефтяные компании, такие как Shell, Total и Equinor, вкладывают большие средства в развитие производства голубого водорода. Голубой водород производится путем расщепления природного газа на водород и CO2 посредством парового риформинга метана (SMR) или автоматического термического риформинга (ATR) с улавливанием CO2. Улавливание парниковых газов снижает воздействие на окружающую среду на планете.

- Каковы планы АBB по развитию данного направления на ближайшие годы?

- Мы планируем приложить еще больше усилий и форсировать развитие технологии топливных элементов для использования на судах разного размера и эксплуатационного профиля.

От редакции: В России тоже ведутся активные разработки в этой области. В ближайшее время мы продолжим цикл статей на тему применения водородного топлива в судоходстве и представим вам интервью с руководителем главного в нашей стране предприятия, работающего в этом направлении.

Материалы по теме:
Санкт-Петербург посетил уникальный катамаран, работающий на водороде (репортаж о визите судна Energy Observer в Санкт-Петербург)
Суда на водороде - уже реальность (интервью с начальником отдела главного конструктора направления водородной энергетики ЦНИИ СЭТ)

За годы ВОВ около 600 таких полуторок (ГАЗ-ММ), что перед заградительным аэростатом, были переведены на водород

Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.

Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.

В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.

Почему водород — превосходное топливо

Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.

Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.

Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:

Самая высокая теплота сгорания. При сжигании одного килограмма бензина мы можем получить 45 МДж теплоты, а при сжигании такого же количества водорода — почти в три раза больше, 120 МДж теплоты. И это низшая теплота сгорания водорода.

Широкие пределы воспламенения. Можно воспламенить как очень бедную топливо-воздушную смесь, в которой по массе мало водорода, так и очень богатую. Предел воспламенения смеси водорода с воздухом — от 0,2 до 10 единиц. Для сравнения: у бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен быть в диапазоне 0,7–1,2.

Самая высокая скорость сгорания. Этот параметр очень важен с точки зрения достижения необходимых характеристик автомобильного двигателя, в частности эффективной работы в цикле. В одном и том же двигателе скорость сгорания водорода будет примерно в три раза выше, чем скорость сгорания бензовоздушной смеси.

С чего началось применение водорода на транспорте

Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.

В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.

Водородная лебедка для аэростата

Фотографии и коллажи блокадного Ленинграда, который в сентябре 1941 года был отрезан от остальной страны

С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.

Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.

Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема

Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.

Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.

Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.

Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.

И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.

Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.

В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.

Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.

Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.

В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.

Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.

Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.

Водород плюс бензин: эксперименты советского автомобилестроения

На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.

Это микроавтобус РАФ 22031:

Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.

Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.

Авиастроение

Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.

Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.

Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».

К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.

Переход на топливные элементы

Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.

В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 5800 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.

Пять проблем, мешающих водороду стать массовым

Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.

Проблема 1. Это очень дорого

Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.

Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.

Способ получения водорода

Себестоимость в долларах США на кг

Паровая конверсия природного газа (метана)

Электролиз воды от электроэнергии из единой энергосистемы

Электролиз воды от электроэнергии ветрогенераторов

Электролиз воды от электроэнергии солнечной электростанции

Даже учитывая, что по теплоте сгорания один килограмм водорода эквивалентен трем килограммам бензина, водородное топливо стоит в несколько раз дороже. Для самого дешевого способа производства — конверсии природного газа, в основном метана, разница вроде бы не очень велика. Но возникает вопрос: а зачем это нужно, если метан сам по себе отличное топливо для автомобильного двигателя?

Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.

Проблема 2. Сложно держать в автомобиле

Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).

Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.

Ограничения, вводимые IMO (Международная морская организация) на содержание оксидов серы в судовом топливе, неминуемо приближаются. Уже очевидно, что переход с высокосернистого мазута (3,5%) на дистиллят (содержания серы 0,5%) не будет одномоментным по всему миру и, определенно, добавит работы морякам.

Тем не менее, вносить поправки уже поздно (все изменения возможны только через МАРПОЛ VI); и Edmund Hughes, глава отдела загрязнения воздуха и энергоэффективности IMO, верит, что 96% судов, в основном крупные морские суда, будут соответствовать новым требованиям уже 1 января 2020 года.

Image Credits to Wallenius Wilhelmsen

Некоторые судовладельцы устанавливают на судах скрубберы и продолжат использовать высокосернистый мазут; некоторые, чтобы соответствовать требованиям, переключатся на мазут с низким содержанием серы. Между тем, есть и третий путь. Мы подготовили обзор альтернативных видов судового топлива, которые смогут заменить традиционный мазут. Они почти не выделяют SОx и позволяют значительно снизить выбросы других парниковых газов.

СПГ – топливо для морских судов

Скрубберы лидируют в подготовительной гонке технологий к IMO Sulphur Cap 2020, к октябрю 2019 года 3 023 судна были оснащены скрубберами или заказали их установку. Однако в лиге альтернативных видов топлива на первом месте находится сжиженный природный газ. По состоянию на февраль 2019 года в мире эксплуатировалось 143 судна, работающих на СПГ, и еще 135 находилось в стадии постройки.

Для использования сжиженного природного газа в судовом двигателе требуется умеренное количество модификаций. Тем не менее, существует целый ряд преимуществ и недостатков двигательной установки на СПГ:

Плюсы СПГ топлива

Сжиженный природный газ является самым чистым топливом, поскольку производит наименьшее количество ПГ (парниковых газов).
СПГ используется в качестве топлива для судов с начала 2000-х годов, поэтому технология уже достаточно отработана, и на рынке существует множество поставщиков. Конкуренция также способствует снижению цен.
Кроме того, стоимость СПГ сопоставима с ценой традиционного горючего. Сжиженный природный газ пока не может конкурировать с мазутом из-за логистических и других затрат; однако, в отличие от других альтернативных видов топлива, СПГ станет полноценной заменой нефти в ближайшем будущем. По оценкам экспертов, доля СПГ достигнет 23% в общем объеме судового топлива к 2050 году (сейчас она около 0,3%).
Поршневые двигатели, газовые турбины и расходные материалы к ним, а также специальные криогенные топливные системы для СПГ производятся в промышленных масштабах и свободно доступны.

Минусы СПГ топлива:

СПГ имеет более высокую удельную энергоемкость по сравнению с мазутом, но энергоемкость на единицу объема составляет всего 43% от высокосернистого мазута. Поэтому топливные баки занимают в 3-4 раза больше места по сравнению с судами, работающими на традиционном горючем.
Проблемы бункеровки. Общее нежелание внедрять двигатели на СПГ топливе в судоходную отрасль, было частично связано с логистическими трудностями. Сжиженный природный газ для судовых двигателей по-прежнему можно найти лишь в ограниченном количестве портов по всему миру, что не устраивает большинство игроков. Зачастую суда имеют длинные маршруты, в которых следующий пункт не определен заранее, а значит, топливо должно быть доступно в любом порту. Поэтому часто компании занимают выжидательную позицию относительно новых технологий.

Метанол – перспективное судовое топливо

Компания Waterfront Shipping недавно отпраздновала прибавление во флоте – два судна для перевозки метанола, работающие на двух видах горючего. Mari Couva и Mari Kokako имеют дедвейт 49 000 тонн, и будут использовать дизельное топливо и метанол, испытывая его возможности в качестве судового топлива.

Фактически, CH₃OH (метанол) занимает второе место после СПГ в рейтинге перспективных альтернативных видов горючего. Кроме того, у этого газа есть свои преимущества, делающие его более удобным для использования в морской индустрии:

Метанол остается в жидком состоянии при температуре от –93 ° C до + 65 ° C (при атмосферном давлении), что исключает необходимость установки сложных криогенных систем удержания (стоимость топливной системы, использующей метанол, составляет примерно 1/3 от цены СПГ системы для судового двигателя).
Может производиться из природного газа, угля и возобновляемых источников. Существуют технологии получения метанола непосредственно из вредных выбросов в атмосферу, что представляется наиболее перспективным в свете сокращения выбросов COx.
Выбросы NOx зависят от типа используемого двигателя. В случае двухтактного дизельного двигателя будет наблюдаться снижение выбросов на 30% (по сравнению с высокосернистым мазутом), в то время как использование с четырехтактного двигателя снизит выбросы на 60%.

Image Credits to Tanker Shipping & Trade

Аммиак – новое топливо для судов

Голландцы C-Job Naval Architects недавно предложили концепцию танкера, перевозящего аммиак, который использует собственный груз в качестве топлива. Их исследования показали, что NH₃ может стать еще одним вариантом альтернативного судового топлива в случае принятия определенных мер безопасности. Основные выводы исследования таковы:

Твердо-оксидные топливные элементы являются наиболее эффективной технологией выработки электроэнергии для аммиачного топлива, но есть некоторые практические проблемы (низкая удельная отдача энергии, реакция двигателя на нагрузку), а также высокая стоимость системы, которая препятствует ее превращение в рабочую модель.
Аммиачное топливо не содержит углеродного компонента, следовательно, не выделяет COx. В то же время выбросы NOx поддерживаются на приемлемом уровне, поэтому оно является разумным выбором с точки зрения защиты окружающей среды.
Безопасное обращение с аммиаком на судах, не предназначенных для перевозки NH₃ грузов, потребует установки сложного дорогостоящего защитного оборудования (детекторы, запорные клапаны для изоляции утечек, топливные системы с двойными стенками и т. д.)
В то же время для аммиачного топлива не будет существовать проблем с бункеровкой, поскольку оно производится во всем мире и транспортируется через большинство портов.

Image Credits to C-Job Naval Architects

Корабли на водородном топливе

H₂ – еще один любопытный вариант альтернативного судового топлива, который рассматривается в настоящее время. Для использования на судах водород либо сжижается (криогенная жидкость имеет температуру -240° С), помещается в компрессионные резервуары, либо хранится в виде химического соединения.

В настоящее время H₂ получают из природного газа, а также путем электролиза. Последний можно проводить на солнечных и ветряных электростанциях одновременно с выработкой электроэнергии. Произведенный из возобновляемых источников энергии, водород становится одним из самых чистых видов топлива с нулевыми выбросами парниковых газов.

Наиболее эффективным генератором энергии для Н₂ являются топливные элементы. Мы описывали водородные топливные элементы в нашей статье «Судоходство 2030: новые технологии в морской индустрии». Производство водорода, так и топливных элементов хорошо развито, но они по-прежнему остаются неконкурентоспособными по цене с обычными судовыми двигателями.

Тем временем порт Антверпена заказал «Hydrotug», первый буксир, работающий на H₂. Они нашли компромисс, поэтому буксир будет использовать возможности водорода и двигателя внутреннего сгорания. Hydrotug сможет похвастаться ультранизким уровнем выбросов, так как сочетает в себе 2х-топливную технологию и сложный фильтр частиц.

Буксир будет построен компанией Compagnie Maritime Belge (CMB) в течение двух лет.

Image Credits to ShipInsight

Биотопливо

Вы когда-нибудь задумывались, что суда могут использовать в качестве топлива биодизель или биогаз? Морские инженеры в Норвегии и Нидерландах разрабатывают концепты, работающие на биотопливе из гидроочищенного растительного масла, метилового эфира жирной кислоты (FAME) или сжиженный биогаз. В основном это пассажирские суда, паромы, оффшорные и специализированные суда.

Основным компонентом биотоплива является метан, поэтому его поведение очень похоже на использование СПГ или метанола. Однако производство биогорючего в настоящее время обходится значительно дороже.

Ученые также предвидят определенные проблемы с бункеровкой. Сегодня биотопливо доступно только в некоторых портах Норвегии, Нидерландов, США и Австралии. Таким образом, эти проекты разрабатываются на местном уровне, но биогорючее уже включено в Оценку альтернативных видов топлива DNV GL, активно изучается и рассматривается как реальный вариант альтернативного судового топлива для кораблей будущего.

Водород и топливные элементы предлагают чистое, надежное и масштабируемое решение для декарбонизации судоходного сектора

Лидеры внедрения водорода и топливных элементов в судоходстве

Морские перевозки являются жизненно важным компонентом глобальной цепочки поставок и основой международной торговли. Однако для питания массивных кораблей требуется большое количество энергии, и побочные продукты от этого составляют примерно 2,5% глобальных выбросов парниковых газов. Международная морская организация (IMO), специализированное учреждение Организации Объединенных Наций по судоходству, согласилась сократить глобальные морские выбросы.на 50% к 2050 году. Даже за два десятилетия подготовки морская отрасль столкнется с трудностями в достижении этой цели. Судоходство оказалось в категории «трудно декарбонизируемых» из-за высокого потребления энергии, необходимой для движения корабля, и используемых существующих технологий, обычно неэффективных двигателей внутреннего сгорания и ископаемого топлива. Водород и топливные элементы предлагают чистое, надежное и масштабируемое решение для декарбонизации судоходного сектора, и мировая морская промышленность всё больше обращает внимание в этом направлении.

Bloom Energy и Samsung Heavy Industries

Samsung Heavy Industries, один из крупнейших в мире судостроителей, стремится выполнить требования IMO по сокращению выбросов с помощью технологии топливных элементов. В сентябре 2019 года Samsung Heavy Industries и член FCHEA Bloom Energy объявили о сотрудничестве по разработке кораблей на базе Bloom Energy Servers, системы масштабируемых твердооксидных топливных элементов (SOFC), которые будут работать на природном газе. Компании основывались на объявлении о совместной разработке в июне 2020 года. Использование SOFCs значительно снизит выбросы углерода кораблями по сравнению с дизельными двигателями. Кроме того, SOFC сокращает выбросы твердых частиц, NOX и судоходствоSOX до 99%.

Топливный элемент Doosan

В ноябре 2020 года Doosan Fuel Cell объявила, что будет производить SOFC для питания и движения судов, построенных сингапурской судоходной компанией Navig8. Первоначально партнерством будет переоборудовано судно водоизмещением в 50000 тонн. По данным Doosan, у Navig8 около 140 мировых нефтехимических и нефтехимических судов, потенциально могут быть обезуглерожены за счет использования SOFC Doosan.

Топливный элемент Doosan

Италия и усилия PowerCell

Четвертая по величине судостроительная компания в мире Fincantieri SpA обратилась за помощью к члену FCHEA PowerCell для декарбонизации своих судов. PowerCell поставила судостроителю систему топливных элементов MS-30, основанную на существующей батарее топливных элементов S2 PowerCell. Fincantieri планирует использовать её для тестирования силовых установок и выработки энергии для морских применений, как и на яхте компании, которая использует преимущества топливных элементов.

В апреле 2020 года PowerCell объявила, что получила контракт от неназванной европейской верфи на топливный элемент для морского применения мощностью 3 мегаватта (МВт), что ещё раз подтвердило проникновение топливных элементов на морской рынок.

Норвегия

В Норвегии компании стремятся сделать водород доминирующей силой в судоходстве вокруг фьордов страны. Консорциум Hellesylt Hydrogen Hub, в который входят Hexagon Composites и Hyon (совместное предприятие членов FCHEA Nel, PowerCell и Hexagon), а также другие компании, получил 37,6 миллиона норвежских крон (~ 4,11 миллиона долларов) в рамках норвежской программы PILOT-E, схемы финансирования для развития завода по производству водорода в Гейрангер-фьорде. Объект будет поставлять водород для паромов и круизных судов, помогая декарбонизировать регион, популярное место, которое привлекает около 360 000 круизных туристов в год. Снижая выбросы во время круизов, очень загрязняющий метод отдыха, Hellesylt Hydrogen Hub поможет создать глобальный прецедент по значительному снижению глобальных выбросов судов.

Норвегия

Wilhelmsen и Air Liquide также участвуют в проекте HySHIP, цель которого — построить водородный резервуар для распределения жидкого водорода в Норвегии. Под концептуальным названием Topeka корабль будет оснащен топливным элементом с протонообменной мембраной (PEM) мощностью 3 МВт.

Toyota и Energy Observer

В 2017 году было спущено на воду первое судно Energy Observer, которое как вырабатывает водород, так и работает на водороде. С тех пор корабль с нулевым уровнем выбросов отправился в мировое путешествие, демонстрируя технологии возобновляемых источников энергии. Для мирового турне Energy Observer в 2020 году член FCHEA Toyota, официальный партнер Energy Observer, оснастил корабль теми же топливными элементами, которые используются в Mirai — автомобиле на топливных элементах. В сентябре 2020 года Energy Observer Developments представила водородный генератор GEH2, в котором также используется технология топливных элементов Toyota. По данным Toyota, генератор имеет номинальную полезную мощность 60 киловатт (кВт) с максимальной мощностью 92 кВт.

Японский водородный паром

В сентябре 2020 года японский консорциум, возглавляемый транспортно-логистической компанией NYK Line, объявил, что планирует разработать туристический катер на топливных элементах на 100 пассажиров. Ожидается, что строительство начнется в 2023 году, а опытная эксплуатация начнется в 2024 году.

Порт Антверпена

Бельгийский порт Антверпен стремится к снижению выбросов, и в августе 2019 года заказал буксир с водородным двигателем. В отличие от вышеупомянутых судов, Hydrotug, построенный Compagnie Maritime Belge, использует двигатель внутреннего сгорания, который сжигает водород в сочетании с дизельным топливом. Топливная смесь приводит к снижению выбросов, поскольку водород горит с единственным побочным продуктом — водой.

Для глобальной глубокой декарбонизации важно, чтобы компании и политики старались сократить выбросы во всех секторах. Несмотря на то, что морской транспорт трудно обезуглерожить, топливные элементы и водород набирают популярность как способ перевода судоходства и морского транспорта на возобновляемые источники энергии. От зеленых круизов в Норвегии до тяжелых грузовых перевозок — водород и топливные элементы поддерживают всю глобальную морскую цепочку поставок и будут продолжать расти по мере того, как отрасль отправляется в плавание.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: