В настоящей статье представлена краткая характеристика конструктивной конфигурации газотурбинных энергетических установок на водородном топливе. Автор проанализировал основные характеристики и параметры строения морских судов, которые будут отличительными от уже имеющихся, если в их судовых энергетических установках будет использоваться водород в качестве превалирующего топливного источника.
Ключевые слова: судовые энергетические установки, газовая турбина, газотурбинная энергетическая установка, водород, судостроение.
Использование газотурбинных двигателей в мореплавании началось только в 70-х годах XX века. В целом, основным «потребителем» морских газотурбинных энергетических установок являются военно-морские подразделения, где многие военно-морские силы по всему миру используют их в качестве основных или вспомогательных генераторов энергии для своих кораблей. Однако стоит отметить, что в последнее время данная типология судовой энергетической установки начала медленно проникать на коммерческий рынок в качестве вспомогательных энергетических установок, особенно на больших круизных лайнерах, таких как Queen Mary II [2]. Причем ожидается, что они будет все больше и больше проникать в другие коммерческие сектора, поскольку многие благоприятные условия убеждают судовладельцев использовать именно газовые турбины, а не дизельные двигатели в новых построенных кораблях. В последнее десятилетие газовые турбины добились успеха в двух категориях коммерческих судов, обе из которых рассчитаны на пассажиров — быстрые паромы и круизные лайнеры. С начала XXI века многие суда приводятся в движение газовыми турбинами, но большинство из них используют их в комбинированной конфигурации для достижения более осуществимого и гибкого решения по энергетической установке из-за высокого расхода топлива газовых турбин. В связи с этим инженеры постоянно пытаются усовершенствовать практику применения газотурбинных двигателей для повышения их эффективности, и одним из решений является использование водорода в качестве топлива, что предполагает изменение конструктивной конфигурации газотурбинных энергетических установок, поскольку его применение накладывает определенные специфические характеристики.
Различные проблемы, связанные с водородом в качестве судового топлива, должны быть решены, прежде чем он станет коммерчески доступным для использования в широком значении, поскольку он, как топливо, все еще находится на ранних стадиях разработки для применения в судовых энергетических установках. Требования к хранению водорода в сжиженной или газообразной форме необходимо учитывать на этапе разработки концепции, так как это будет зависеть от типа судна и потребует установки соответствующих резервуаров для хранения высокого давления или низкотемпературных защитных устройств. Так, в таблице 1 приведены некоторые относительные преимущества и проблемы использования водорода в качестве топлива для судовых энергетических установок [1].
Таблица 1
Водород в качестве топлива для судовых энергетических установок
|
Преимущества использования |
Проблемы использования |
|
Свобода от углерода и серы |
Топливная инфраструктура и бункеровка требуют значительных инвестиций |
|
Может производиться возобновляемыми источниками энергии |
Новые системы производства электроэнергии потребуют большого количества технологических инноваций |
|
Хранение и транспортировка в жидком или газообразном состоянии |
Возможно высокая стоимость топлива |
|
Факт коммерческого применения на суше |
Отсутствие опыта морских перевозок |
|
Отсутствие выборов газов, твердых частиц и парниковых газов при использовании топливных элементов |
Высокий риск взрыва в замкнутом пространстве |
|
Обладает высокой плавучестью и рассеивается при утечке даже при температуре жидкого водорода |
Проблемы с материалами [проницаемость, водородное охрупчивание и др.] |
Учитывая проблемы использования, фактор применения водородного топлива в судовых энергетических установках требует изменения конфигурации самого судна. Так, к примеру, будущим судам могут потребоваться интегрированные конструкции, основанные на эксплуатационном профиле, выбранной топливной системе, выработке электроэнергии и выбранных энергетических установках. Системы выработки электроэнергии, такие как водород, интегрированный с системами хранения топливных элементов и аккумуляторов, могут изменить архитектуру текущего дизайна машинного отделения. Например, установки на топливных элементах могут быть большими, но им может не требоваться столько доступного пространства для обслуживания, как для типичных судовых двигателей, поэтому они могут более эффективно использовать объем машинного отделения. Однако следует учитывать вес больших установок топливных элементов. Топливные элементы и электрические гибридные системы могут обеспечить более эффективное использование пространства на судах, поскольку они позволяют распределять электрооборудование по всему судну [3].
Поскольку водород имеет низкое содержание энергии на единицу объема, для эквивалентного хранения энергии потребуются резервуары большего размера, и их расположение на борту будет критическим фактором конструкции. Многие небольшие резервуары с водородом устанавливаются на палубах или надстройках, чтобы использовать естественную вентиляцию в случае небольших утечек. Другие, более крупные приложения могут рассматривать возможность хранения водорода в резервуарах в качестве независимых или интегрированных конструкций.
Также стоит отметить, что могут потребоваться значительные технические достижения в судостроении, чтобы водород считался жизнеспособным крупномасштабным коммерческим топливом, особенно для судов с большими объемами водородного топлива, которые могут потребовать увеличения места на борту, особенно для дальних маршрутов. Водород, хранящийся в качестве груза, может храниться в самой плотной криогенной жидкой форме для увеличения объема торговли и хранения на борту. Однако большие объемы топлива и условия хранения газообразного и жидкого водорода на борту могут потребовать компромисса между некоторым грузовым пространством, в зависимости от плотности водорода, работы судна, бортовых энергетических систем и маршрута. Суда, работающие на водородном топливе, проходящие вблизи или работающие рядом с бункеровочными сооружениями, с возможностью частой бункеровки, могут испытывать минимальные проблемы с нехваткой топлива или потерей грузового пространства [3].
Для сжиженного водорода при низких давлениях потери энергии при хранении и образование выпарного газа могут быть проблемой для резервуаров длительного хранения в зависимости от номинального давления криогенного резервуара и продолжительности времени, в течение которого топливо остается «бездействующим», поскольку скорость испарения составляет от одного до пяти процентов в день для стандартных наземных резервуаров для хранения жидкого водорода. Улучшенная изоляция и несколько более высокие затраты на хранение могут снизить испарения жидкого водорода до 0,02 % объема в день. Чтобы избежать потерь, выпарной газ из баков со сжиженным газом можно использовать в двигателе или топливном элементе, и стоит подчеркнуть, что резервуары с газообразным водородом под давлением не испытывают проблем с испарением газа [3].
Таким образом, можно сделать вывод, что водород как топливо для судовых энергетических установок, может стать реальностью для использования в газотурбинных двигателях. Использование данного вида топлива может быть полезным, поскольку водород обладает многими свойствами, которые способствуют его использованию в качестве горючего топлива. Так, например, Низкая энергия воспламенения важна при горении, поскольку количество энергии, необходимое для воспламенения водорода, составляет на порядок меньше, чем требуется от флотского мазута, а высокая температура самовоспламенения водорода играет ключевую роль в определении степень сжатия двигателя, положительно влияя на максимальную выходную мощность. Однако, наряду с положительными аспектами применения данного вида топлива, потребуется изменение конструкционных характеристик морских судов, что должно быть заложено на этапе их проектирования.
Литература:
- Elgohary MM, Seddiek IS. 2012. Comparison between Natural Gas and Diesel Fuel Oil Onboard Gas Turbine Powered Ships. JKAU Marine Science 23(2):109–127.
- Elgohary MM. 2013. Overview of past, present and future marine power plants. Journal of Marine Science and Application 12(2):219–227.
- 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).
