В настоящей статье представлена краткая характеристика инноваций в исследованиях по внедрению в практическое использование водородных двигателей в газотурбинных энергетических установках. Автор привел примеры трех коммерческих проектов, нацеленных на популяризацию водорода в качестве топливного элемента в судовых энергетических установках.
Ключевые слова: судовые энергетические установки, газовая турбина, газотурбинная энергетическая установка, водород, судостроение.
Еще одним ресурсом, который, как считается, станет топливом будущего на десятилетия, в особенности для отрасли мореплавания, является газообразный водород. Научные исследования по использованию водорода на транспорте начались вскоре после первого нефтяного кризиса во второй половине XX века. Многие производители приступили к разработке программ по выпуску автомобилей, которые могли бы работать на водородном топливе в двигателях внутреннего сгорания. В настоящее время в США действуют национальные программы по разработке водородных систем, особенно для топливных элементов, для преодоления любых проблем, связанных со сгоранием [3]. Сгорание водорода в двигателях внутреннего сгорания было и остается предметом многих исследовательских программ во многих странах. Как и в случае с природным газом, основные проблемы, связанные с применением водорода в двигателях внутреннего сгорания, включают детонацию двигателя. Однако многие исследования сейчас «ушли» в сферу применения водорода в качестве топлива и в морских энергетических установках.
Так, успешные результаты пилотных проектов по внедрению водорода, как топлива будущего для судовых энергетических установок, необходимы, чтобы доказать морской отрасли, что можно управлять работой систем транспортировки, доступности, использования и заправки водородного топлива. В связи с этим ниже будут рассмотрены различные текущие или предстоящие отраслевые пилотные проекты, а разнообразие механизмов и типов суден является результатом компромисса между требуемой мощностью судна, дальностью хода, выполняемыми технологическими операциями, размером, эффективностью, наличием топлива и общим знакомством с различными новыми или гибридными технологиями:
1. Морское судно с нулевыми выборами Golden Gate на водородных топливных элементах, США.
Первое судно в США, работающее на водородных топливных элементах, должно быть спущено на воду в конце 2022 года в США в районе залива Сан-Франциско для работы в качестве пассажирского парома. Проект был инициирован компанией Golden Gate Zero Emission Marine [англ. GGZEM], ныне известной как Zero Emission Industries после технико-экономического обоснования водородного парома модели SF-BREEZE 2018 года, прототип которого лег в основу рассматриваемого судна [1]. 21-метровый катамаран Water-Go-Round, переименованный в Switch, будет работать с использованием протонообменных мембранных топливных элементов с 242-килограммовыми баками со сжатым водородом, хранящимися на верхней части надстройки, и использовать батареи емкостью 100 кВт∙ч для работы с пиковыми и переменными нагрузками. Ожидается, что топлива хватит на два полных дня паромной переправы с расчетной скоростью 22 узла. Данный проект призван показать, что технология создания и экономичность морского судна, работающего на водороде, осуществимы, поскольку в районе залива растет доступность промышленного водорода для заправки бортовых баков. Гибридный электрический паром будет способствовать нулевому уровню выбросов и бесшумной работе, что приведет к повышенной экономической эффективности и снижению вреда окружающей среде [1].
2. BeHydro Englines и Hydroville CMB Tech, Бельгия.
В 2017 году в Бельгии был спущен на воду паром Hydroville как первое в мире пассажирское судно, работающее на водороде, принадлежащее CMB Tech. Hydroville оснащен двухтопливным водородно-дизельным двигателем. Двигатель BeHydro, разработанный совместным предприятием CMB Tech, доступен с 6, 8 [рядным расположением], 12 или 16 цилиндрами для обеспечения диапазона выходной мощности от 1000 до 2670 кВт. Выбросы оксидов азота [NOx], производимые этой системой сгорания, снижаются до требуемых пределов с помощью технологии селективного каталитического восстановления. В связи с этим комбинация системы сжигания водорода и технологии доочистки позволяют судну достичь почти нулевых выбросов, что благоприятно для нивелирования атмосферного загрязнения. Однако одним из ограничивающих факторов для применения на борту судна является необходимая емкость топливного бака [2]. Помимо этого, CMB Tech работает над развитием других малых судов с двухтопливным водородно-дизельным двигателем, в том числе паром Hydrobingo на 80 человек, который был спущен на воду в Японии в 2021 году, судно для обслуживания ветряных электростанций Hydrocat, которое тоже было спущено на воду в середине 2021 года, и Hydrotug, который будет спущен на воду в середине 2022 года для обслуживания порта Антверпена в Бельгии.
3. Морское вспомогательное судно Ulstein SX190 с нулевыми выбросами.
В 2019 году компания Ulstein Design & Solutions опубликовала проект морского судна с использованием технологии топливных элементов Nedstack. В проекте утверждается, что судно нового поколения может быть построено к 2024 году. Данное судно спроектировано на топливных элементах с возможностью работы на нем до двух недель, ведением технологических операций с нулевым уровнем выбросов, достигнутые за счет реализации в ближайшем будущем передовых разработок для хранения водорода и технологии топливных элементов. Для более дальних рейсов конструкция судна включает дизель-электрические энергетические установки, работающие на дизельном топливе с низким содержанием серы [4].
Блоки топливных элементов Nedstack с протонообменной мембраной, расположенные в отдельном машинном отделении на борту, должны обеспечивать 2 МВт из общей установленной бортовой мощности 7,5 МВт. Водородное топливо на борту должно храниться в герметичных контейнерах, которые перемещаются с помощью обычных кранов, и которые могут быть дозаправлены уже в пути при необходимости. Ожидается, что модульные топливные контейнеры можно будет заправлять на любом объекте производства водорода, что обеспечит глобальные возможности обслуживания, где бы ни находились промышленные предприятия. Когда сама технология и береговая бункерная инфраструктура станут доступными, модульные решения для хранения водорода под давлением могут быть заменены интегрированными резервуарами для сжиженного водорода, что позволит не только хранить примерно в три раза больше водородного топлива на борту, но и увеличить рабочий диапазон рейсов с нулевым уровнем выбросов. Данная технология заправки топлива с нулевым уровнем выбросов дополняется другими решениями по повышению эффективности судов Ulstein, включая конструкционное решение X-Bow® для хранения бортовых аккумуляторов, а также методы управления и восстановления энергии, что позволит в будущем способствовать развитию применения водорода в качестве топлива в газотурбинных энергетических установках [4].
Таким образом, ожидается, что по мере накопления опыта в пилотных проектах по внедрению топлива на водороде в газотурбинные энергетические установки, водород будет использоваться в морской промышленности в качестве предпочтительного экологически чистого топлива. В отличие от судового топлива на основе ископаемых источников, которое экспортируется из богатых ресурсами стран в другие страны мира, производство водорода в любой стране может обеспечить энергонезависимую экосистему. По этой причине многие национальные правительства, как, например, Австралии, Японии и США разрабатывают планы по включению его в стратегии энергетического развития, что, в свою очередь, может помочь ускорить темпы глобального производства водорода, включая доступный водород для судового топлива. Подобное позволит не только создать энергетическую независимость морской отрасли, но также и благоприятно отразится на общеглобальной экологии.
Литература:
- AAM+ Switch — world’s first commercial vessel powered 100 % by hydrogen fuel cells [Электронный ресурс]. URL: https://www.allamericanmarine.com/hydrogen-vessel-launch/ (дата обращения: 24.06.2022).
- Chambers S. 2020. CMB debuts latest hydrogen-powered engine [Электронный ресурс]. URL: https://splash247.com/cmb-debuts-latest-hydrogen-powered-engine/ (дата обращения: 24.06.2022).
- Hydrogen as a marine fuel. 2021. American Bureau of Shipping [Электронный ресурс]. URL: https://maritimecyprus.com/wp-content/uploads/2021/06/ABS-hydrogen-as-marine-fuel.pdf (дата обращения: 24.06.2022).
- Zero emission operations in offshore construction market [Электронный ресурс]. URL: https://ulstein.com/news/zero-emission-operations-in-offshore-construction-market (дата обращения: 24.06.2022).
