В настоящей статье представлена краткая характеристика водорода как топливной альтернативы для использования в газотурбинных энергетических установках, что включает в себя общее описание водорода как топлива, а также необходимые конструкционные характеристики для его применения в качестве топливной структуры в газотурбинных энергетических установках.
Ключевые слова: судовые энергетические установки, газовая турбина, газотурбинная энергетическая установка, водород, судостроение.
В апреле 2018 года Международная морская организация [рус. ИМО] поставила амбициозные цели в резолюции MEPC.304(72) Комитета по защите морской среды [англ. MEPC] по обезуглероживанию мирового флота. Стратегия ИМО включает первоначальные цели по сокращению средних выбросов углекислого газа [CO 2 ] на одну транспортировку по сравнению с уровнями 2008 года как минимум на 40 % к 2030 году и на 70 % к 2050 году. Эти цели также направлены на сокращение общего годового количества выбросов парниковых газов от судоходства по крайней мере на 50 % к 2050 году, вследствие чего многие технологические инновации рассматриваются для сокращения выбросов углерода от судоходства, одной из которых является использование водорода в качестве топлива в судовых энергетических установках. Именно водород был определен как топливо с низким или нулевым содержанием углерода, которое может помочь достичь цели ИМО по сокращению выбросов парниковых газов к 2050 году, так как он предлагает судовладельцам и операторам вариант топлива с низким содержанием углерода и низким уровнем выбросов для потенциального использования в двигателях внутреннего сгорания и топливных элементах [2].
Водород характеризуется самым высоким содержанием энергии на массу среди всех видов химического топлива и составляет 120,2 МДж/кг по сравнению с другими видами судового топлива [метан — 48 МДж/кг, этан — 47,8 МДж/кг, метанол — 19,9 МДж/кг, флотский мазут — 42,7 МДж/кг]. По массовой энергии он превосходит флотский мазут [в настоящее время основной вид топлива в газотурбинных энергетических установках] в 2,8 раза, а спирты в пять-шесть раз. Следовательно, водородное топливо может повысить эффективность коэффициента полезного действия двигателя и помочь снизить удельный расход топлива. Однако в объемном отношении из-за более низкой объемной плотности энергии жидкому водороду может потребоваться в четыре раза больше места, чем флотскому мазуту, или примерно в два раза больше места, чем сжиженному природному газу [СПГ], для эквивалентного количества переносимой энергии. Также важно учитывать при сравнении энергии топлива и требуемых объемов энергоэффективность потребителя, или потери электроэнергии в топливных элементах [1]. Правда, для всех видов судового топлива могут потребоваться дополнительные объемы топлива, чтобы компенсировать потери эффективности между мощностью бака и мощностью выходного вала. Помимо этого, для сжижения водорода требуются низкие температуры ниже -253°, причем из-за этой очень низкой температуры требуемый объем для хранения жидкого водорода может быть даже выше, если учитывать необходимые слои материалов или вакуумную изоляцию для криогенного хранения и других структурных устройств [3].
Водород также может храниться в других материалах, таких как гидриды металлов, и этот метод хранения связывает водород с металлическими сплавами в пористой и рыхлой форме при умеренном давлении и нагреве. Затем водород извлекают путем снятия давления и тепла, но несмотря на технологическую осуществимость и безопасность, металлгидридные и другие методы хранения водорода в твердых материалах могут быть неэффективным решением для хранения водорода на борту судов. Также стоит отметить, что из-за проблем, связанных с хранением при низкой температуре или высоком давлении, водород можно альтернативно переносить с другими веществами, такими как аммиак или метанол — эти виды топлива могут потребовать меньше энергии, чем требуется для охлаждения сжиженного водорода или для сжатия газообразного водорода [2]. Некоторые топливные элементы могут потреблять аммиак, метанол или другое топливо-носитель водорода путем риформинга и извлечения водорода из топлива с использованием внутренних риформеров. Однако эти технологии могут потребовать более высоких затрат энергии на гидрирование и преобразование топлива и, следовательно, могут привести к менее эффективному производству электроэнергии, чем удержание и потребление чистого водорода в топливных элементах [3].
Водород и водородное топливо-носитель чаще всего потребляются в топливных элементах для выработки электроэнергии с нулевым уровнем выбросов, независимо от того, каким способом был произведен водород. Существует множество завершенных и продолжающихся исследований топливных элементов, в первую очередь для оценки и повышения энергоэффективности топливных элементов. Существует несколько типов топливных элементов с различными эксплуатационными и стоимостными компромиссами, включая щелочные или твердооксидные топливные элементы, но в целом они потребляют водород и кислород, вырабатывая тепло, воду и электричество.
Говоря о применении в газотурбинных энергетических установках, смеси водородного топлива могут состоять из водорода, смешанного с совместимым топливом. Наиболее распространенными являются смеси водорода и сжиженного природного газа, которые могут снизить выбросы выхлопных газов и выбросы парниковых газов. Смесь водорода и криогенного природного газа обычно может состоять из комбинации 20 % водорода и 80 % сжатого природного газа. Смеси водорода с природным газом, скорее всего, будут использоваться для выработки электроэнергии на суше в газовых турбинах, вследствие чего в судовых энергетических установках такое применение не может быть инициировано. Интересно отметить, что водород также может сжигаться совместно с дизельным топливом, и в зависимости от используемых пропорций для сокращения выбросов оксидов азота [NOx] может потребоваться использование технологий доочистки выхлопных газов. Помимо этого, для достижения оптимальных характеристик двигателя могут потребоваться другие незначительные изменения в системе синхронизации и управления двигателем [3].
Таким образом, хотя водород еще не получил широкого применения в качестве топлива в морской промышленности в судовых энергетических установках, с несколькими пилотными проектами он уже применяется в наземных целях. Также стоит отметить, что Международная морская организация пока что не установила международных требований для будущего использования водорода в качестве топлива на морских судах, однако некоторая информация, правила и нормы, касающиеся наземного его использования, уже упоминаются в резолюции MSC.420(97). К ним относятся меры безопасности, способы транспортировки и стандартные процедуры производства водорода. Помимо этого, существуют различные ссылочные нормы и правила для стандартов на водородные компоненты и конструкции оборудования, нормы пожарной безопасности и другие нормы безопасности, относящиеся к водороду, а также общие нормы или стандарты безопасности, включающие водород. Однако, в связи с отсутствием даже пилотных проектов по использованию водорода в судовых энергетических установках, международная регламентация данного процесса пока что приостановлена, хотя многие исследователи склоняются, что в будущем именно водород может стать топливом будущего для морских судов.
Литература:
- Злобин В. Г., Верхоланцев А. А. Газотурбинные установка. Часть 1. Тепловые схемы. Термодинамические циклы: учебное пособие / В. Г. Злобин. ВШТЭ СПбГУПТД. — СПб, 2020. — 114 с.
- Gohary ME, Seddiek IS. 2019. Utilization of alternative marine fuels for gas turbine power plant onboard ships. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering 5(1):21–32.
- 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).
