Изучение использования водородных топливных элементов для устойчивого питания морских друстеров

Срочная потребность в чистом морском двигателе

Глобальная морская промышленность, ответственная за перемещение примерно 90% мировой торговли, сталкивается с растущим давлением декарбонизации. Традиционные морские дизельные двигатели выделяют значительные количества углекислого газа (CO2), оксидов азота (NOx), оксидов серы (SOx) и твердых частиц, способствуя изменению климата и проблемам качества воздуха в прибрежных сообществах. Международная морская организация (IMO) поставила амбициозные цели по сокращению выбросов парниковых газов от судоходства по крайней мере на 50% к 2050 году по сравнению с уровнями 2008 года, подталкивая судовладельцев, дизайнеров и производителей оборудования к изучению альтернативных источников энергии.

Среди наиболее перспективных кандидатов на устойчивое морское движение - водородный топливный элемент. В сочетании с электрическими двигателями водородные топливные элементы предлагают путь к работе с нулевым уровнем выбросов для широкого спектра судов, от небольших паромов и рабочих лодок до больших океанских судов. В этой статье исследуется наука, стоящая за водородными топливными элементами, их применение к морским двигателям, преимущества, которые они приносят, проблемы, которые остаются, и перспективы широкого распространения.

Как работают водородные топливные элементы

Электрохимический принцип

Водородный топливный элемент — электрохимическое устройство, преобразующее химическую энергию, хранящуюся в газе водорода, непосредственно в электричество, при этом тепло и вода являются единственными побочными продуктами. Базовая ячейка состоит из анода, катода и электролитной мембраны. Водородный газ (H2) подается в анод, где катализатор (обычно платина) расщепляет молекулы водорода на протоны и электроны. Протоны проходят через мембрану электролита, в то время как электроны вынуждены перемещаться по внешней цепи, создавая постоянный ток (DC) электричества. На катоде кислород (O2) из воздуха соединяется с протонами и электронами для образования воды (H2O). Этот процесс является обратным электролизу, и он протекает без сгорания, что делает его по своей сути чистым и эффективным.

Существует несколько типов топливных элементов, но наиболее применимыми к морским двигателям являются:

• Протонные мембранные топливные элементы (PEMFC): Работают при низких температурах (60-80 °C), обеспечивают высокую плотность мощности и могут быстро реагировать на изменения нагрузки, что делает их идеальными для применения в двигателях с переменной скоростью.
• Твердооксидные топливные элементы (SOFC): Работают при высоких температурах (600-1000 °C), могут реформировать различные виды топлива, включая природный газ или аммиак, для производства водорода внутри, и достигать очень высокой электрической эффективности (до 60% или более).

В морской системе двигателей топливный элемент обеспечивает постоянный ток привода переменной частоты, управляющего электродвигателем, соединенным с винтом. Эта компоновка по существу представляет собой интегрированную электрическую двигательную установку, в которой двигатели приводятся в движение электрической энергией, а не непосредственно валом, подключенным к двигателю.

Хранение и снабжение водородом

Для того чтобы топливный элемент функционировал на борту судна, водородное топливо должно храниться безопасно и подаваться в стек ячеек. Для морских применений разрабатываются два основных метода хранения:

• Сжатый водородный газ: Водород сжимается до 350-700 бар (5,000-10000 фунтов на квадратный дюйм) и хранится в резервуарах высокого давления, как правило, изготовленных из углеродно-волокнистых композиционных материалов для легкого и прочного использования. Этот метод является зрелым и используется в транспортных средствах на топливных элементах, но резервуары занимают значительный объем по сравнению с накопленной энергией.
• Жидкий водород:] Водород охлаждается до -253 °C и хранится в криогенных резервуарах. Жидкий водород имеет почти вдвое большую плотность энергии по весу сжатого газа, но он требует сложной изоляции, управления откидным топливом и тщательной обработки. Крупномасштабная бункеровка жидкого водорода все еще находится в зачаточном состоянии.

Выбор зависит от размера судна, длины маршрута и доступности инфраструктуры.Для прибрежных паромов с короткими маршрутами часто бывает достаточно сжатого газа; для глубоководных судов жидкий водород может стать необходимым для достижения приемлемого диапазона.

Преимущества водородных топливных элементов для морских стержней

Нулевые выбросы в точке использования

Наиболее убедительным преимуществом является то, что водородные топливные элементы не производят вредных выхлопных газов во время работы. Единственным выбросом является водяной пар, который безвреден. Это устраняет CO2, NOx, SOx и твердые частицы, непосредственно улучшая качество воздуха в портах, гаванях и вдоль судоходных путей. Когда водород производится с использованием возобновляемой энергии («зеленый водород»), весь жизненный цикл скважины для бодрствования становится почти нулевым углеродом, обеспечивая полностью устойчивое решение для движения.

Высокая эффективность и гибкая мощность

Топливные элементы могут достигать электрической эффективности 40-60%, по сравнению с 35-40% для современных дизельных двигателей. Более того, топливные элементы поддерживают высокую эффективность при широком диапазоне нагрузок, тогда как эффективность дизельного топлива резко падает при частичных нагрузках. Это особенно ценно для двигателей, которые часто работают при переменной мощности во время маневрирования, динамического позиционирования или транзита в различных морских условиях. Высокая эффективность напрямую приводит к снижению расхода топлива на единицу тяги, что еще больше снижает воздействие на окружающую среду и эксплуатационные расходы.

Тихая работа и снижение вибрации

Топливные элементы имеют мало движущихся частей (в основном насосы, вентиляторы и клапаны), поэтому они работают тихо по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Это снижает шумовое загрязнение для морской жизни и повышает комфорт экипажа, особенно на судах, где жилые помещения находятся близко к двигательному механизму. Сам электрический двигатель также тише, чем непосредственно управляемый пропеллер, потому что двигатель может быть установлен с вибрационными амортизаторами, а электрический привод устраняет механический шум коробки передач.

Быстрая заправка по сравнению с зарядкой батареи

В то время как электродвигатель с аккумулятором также является вариантом с нулевым уровнем выбросов для коротких морских перевозок, подзарядка крупных батарейных банков может занять часы и требует значительной береговой электрической инфраструктуры. Заправка водородом (бункеровка) может быть завершена в считанные минуты, подобно обычной дизельной бункеровке. Это делает водородные топливные элементы более подходящими для судов с плотным графиком оборота, таких как паромы, буксиры и высокоскоростные суда, которые не могут позволить себе длительные остановки зарядки.

Масштабируемость и модульность

Системы топливных элементов являются модульными: несколько стеков могут быть объединены для удовлетворения потребностей в мощности любого судна, от буксира гавани 100 кВт до контейнеровоза 10 МВт. Эта масштабируемость позволяет верфям развертывать стандартизированные модули топливных элементов, снижая инженерную сложность и позволяя постепенно внедрять. Электрические двигатели также могут быть масштабированы для соответствия выходу топливных элементов, обеспечивая гибкую, перспективную архитектуру.

Ключевые проблемы и соображения

Плотность и безопасность хранения водорода

Несмотря на высокую энергию на единицу массы, водород имеет очень низкую энергию на единицу объема в условиях окружающей среды. Даже при сжатии до 700 бар водород занимает примерно в четыре раза больше объема, чем дизельное топливо для того же энергетического содержания. Для корабля этот дополнительный объем должен быть размещен, часто требуя выделенного пространства на палубе или специально разработанных отсеков корпуса. Хранение водорода в виде жидкости улучшает объемную плотность, но вводит криогенные проблемы: откипь (2-5% в день для типичных резервуаров) требует вентиляционного или повторное сжижение оборудования, а резервуары должны быть вакуумно-изолированными и устойчивыми к случайному разрыву.

Безопасность является главной проблемой. Водород является легковоспламеняющимся и имеет широкий диапазон воспламеняемости (4-74% в воздухе). Он также горит невидимым пламенем и может охрупчать определенные металлы. Морские правила классификационных обществ (DNV, Lloyd's, ABS) обновляются для решения систем водородного топлива, включая обнаружение газа, вентиляцию, взрывозащищенное оборудование и протоколы аварийного отключения. Жесткие стандарты безопасности необходимы для принятия экипажем и персоналом порта.

Заправочная инфраструктура

В то время как несколько портов-пионеров установили водородные заправочные станции для паромов (например, в Японии, Норвегии и Германии), в большинстве портов отсутствует оборудование, обученный персонал и нормативная база для работы с водородом. Создание этой инфраструктуры требует значительных капиталовложений и координации между производителями топлива, портовыми властями и морскими операторами. Проблема «никаких судов без топлива, никакого топлива без судов» замедляет принятие.

Текущая стоимость топливных систем и водородного топлива

Системы топливных элементов остаются дорогими, при этом капитальные затраты на киловатт оцениваются в 3-5 раз выше, чем у сопоставимого дизельного генератора. Высокое содержание платины в катализаторах PEM способствует этой стоимости, хотя исследования катализаторов с низким содержанием платины и платины прогрессируют. Между тем, зеленый водород в настоящее время стоит 4-8 долларов за килограмм, что примерно в 2-4 раза превышает энергетическую эквивалентную стоимость морского дизельного топлива (при 0,50-0,70 доллара за литр). До тех пор, пока шкала мощности электролиза и возобновляемая электроэнергия не станут дешевле, эксплуатационные расходы судов с водородным двигателем будут выше, чем обычные суда. Однако, поскольку цены на углерод и правила выбросов ужесточаются, экономический баланс может измениться в пользу водорода.

Долговечность системы и морская среда

Со временем стеки топливных элементов разрушаются из-за отравления катализаторами (особенно от серы и CO2 в воздухе), механического напряжения мембран и управления водой побочного продукта. В морской среде воздух соленый, а вибрации от работы двигателя могут быть серьезными. Производители топливных элементов разрабатывают коррозионностойкие материалы, поддерживают системы фильтрации воздуха и разрабатывают надежные стеки, которые могут выдерживать суровую морскую среду. Текущие стеки PEM обычно длятся 5000-20000 часов, прежде чем требуют замены; для непрерывно работающего основного двигателя это короче, чем срок службы дизельного двигателя (30,000-50,000 часов). Достижения необходимы для достижения сопоставимой долговечности.

Реальные проекты и новые приложения

Энергонаблюдатель и суда с водородным двигателем

Energy Observer, бывший гоночный катамаран, преобразованный в плавучую лабораторию, с 2017 года тестирует водородные топливные элементы в сочетании с солнечными, ветровыми и аккумуляторными системами. Судно использует бортовой электролиз для производства водорода из морской воды, когда возобновляемая энергия в изобилии, а затем хранит газ для последующего использования в топливных элементах для питания своих электрических двигателей. Несмотря на то, что Energy Observer не является коммерческим судном, Energy Observer продемонстрировала техническую осуществимость морской водородной силовой установки и помогла добиться нормативного признания.

Планы по перевозке водорода викингами

Судостроитель Viking разрабатывает большие круизные суда, работающие на жидких водородных топливных элементах. В 2025 году компания объявила о планах переоборудовать судно, чтобы оно работало полностью на водороде, причем топливные элементы обеспечивают как двигательную установку, так и гостиничные нагрузки. Хотя детали остаются скудными, проект сигнализирует о том, что крупные круизные операторы видят водород в качестве жизнеспособного долгосрочного решения для круизов с нулевым уровнем выбросов. Разрешения классификационного общества продолжаются, и первое такое судно может поступить на вооружение к концу 2020-х годов.

Норвежские гидрогенные паромы и грузовые суда

Норвегия, лидер в области морской декарбонизации, запустила первый в мире автомобильный паром на водороде, MF Hydra, в 2023 году. Паром работает на коротком маршруте в Рогаленде, используя сжатый водород и топливные элементы PEM для управления своими двигателями. Аналогичным образом, Yara Birkeland (батарейно-электрический автономный грузовой корабль) вдохновил планы водородно-электрических версий, которые могут расширить диапазон. Норвежское правительство поддерживает эти проекты посредством финансирования и развития национальной сети бункеровки водорода.