Топливные элементы: промышленность рассматривает варианты в гонке с нулевым уровнем выбросов

Имиджевый кредит: Elliott Bay Design Group

Доменик Карлуччи, менеджер АБС по машиностроению, электротехнике и технологии управления

Изображение предоставлено: (ABS) © Полина Красникова / Shutterstock

Имиджевый кредит (ABS): © Студия БКК / Shutterstock

Previous Next

Морской консорциум, в том числе ABS и Национальные лаборатории Sandia, недавно доказал жизнеспособность парома на водородных топливных элементах, предназначенного для работы в экологически чувствительном районе залива Сан-Франциско.

Мандат ИМО ограничить содержание серы в морском топливе в начале следующего года, возможно, станет самым большим нормативным изменением в судоходстве с момента введения требования о двойном корпусе, но проблема будет решена по сравнению с его будущими целями по сокращению выбросов парниковых газов ( выбросов парниковых газов).

Год назад (апрель 2018 г.) ИМО согласилась с предварительной стратегией, которая нацелена на сокращение выбросов CO2 минимум на 40% к грузо-тонной миле к 2030 году и на 50% сокращение выбросов ПГ от судоходства к 2050 году. и информировать эту цель, обязательный сбор данных о выбросах с судов начался в январе. Окончательная стратегия ИМО будет обнародована в 2023 году. Тем временем она намерена выпустить свое четвертое исследование по ПГ, а также проанализировать и сообщить о результатах трехлетнего сбора данных о выбросах в отрасли.

Обязательные глобальные цели по сокращению выбросов от судоходства являются наиболее амбициозными: они потребуют мер, которые сочетают в себе усовершенствования конструкции судна; создание новых видов топлива и альтернативных форм движения; операционные изменения; и применение цифровых технологий. Поскольку эти цели вряд ли будут достигнуты без развития новых технологий, промышленности и правительствам потребуется увеличить ресурсы, которые они предоставляют для исследований и разработок.

Технология с потенциалом
Одной из областей, перспективных для выработки энергии на борту судов, являются топливные элементы. Топливные элементы в настоящее время используются в различных наземных применениях, например, для подачи энергии в отдаленные районы, а также для промышленных, жилых и коммерческих зданий. В частности, энергия от водородных топливных элементов уже используется в наземных транспортных средствах, таких как городские автобусы, поезда и грузовики большой грузоподъемности, а также для промышленного оборудования, такого как вилочные погрузчики.

Хотя недавно были построены подводные лодки с гибридными силовыми установками, использующими элементы на водородном топливе, их использование в коммерческом судоходном секторе в основном было ограничено вспомогательными целями: топливные элементы могут обеспечивать тепло и мощность на судне, включая энергию «отеля», такую, которая требуется для круизные лайнеры - и «холодная глажка», обеспечивающая альтернативный источник энергии на берегу, который позволяет судам выключать свои двигатели, находясь в доке, уменьшая выбросы.

Кроме того, было проведено много исследований и прототипов в морском секторе для изучения применений на небольших пассажирских паромах и других коротких морских судах. ABS в партнерстве с Sandia National Laboratories недавно подтвердила возможность использования высокоскоростных паромов на водороде для использования в районе залива Сан-Франциско. Отдельно Норвегия в конце прошлого года предоставила финансирование для строительства высокоскоростного парома на водородном топливе и морского грузового судна.

Потенциал и проблемы
Технология водородных топливных элементов имеет потенциал для обеспечения надежной, большой дальности в промышленном масштабе, с относительно быстрой заправкой по сравнению с новыми вариантами с батарейным питанием. Водород сам по себе имеет более высокую плотность энергии, чем батареи, что потенциально делает системы топливных элементов более практичными для операторов, желающих заменить или дополнить традиционные двигательные установки на бункерном топливе.

Однако источники водорода могут быть энергоемкими. Без включения водорода, генерируемого из возобновляемых источников, суммарное воздействие на газ ПГ для водорода, получаемого метаном или подобными процессами, незначительно. Кроме того, принятие водорода в качестве глубоководного морского топлива не обходится без проблем, даже до того, как будут учтены факторы безопасности.

Важно сравнить плотность энергии разных источников энергии - включая топливные элементы - чтобы лучше понять, как они должны созреть, прежде чем они будут пригодны для глобальных перевозок, где основной задачей является перевозка грузов. В целом, системы топливных элементов требуют меньшего обслуживания (потенциально предлагая более низкие затраты на обслуживание) и длительного срока службы. Они также генерируют меньше шума, чем нынешние электростанции на тяжелой нефти, способствуя созданию более комфортных условий труда для экипажа и меньшему ущербу для окружающей морской жизни.

Пригодность систем топливных элементов для гибридных двигательных установок в сочетании с дизельным топливом имеет большой опыт работы. Но, пожалуй, самое главное для владельцев инициативных компаний, которые ищут пути к соблюдению норм выбросов IMO в 2030 и 2050 годах, системы водородных топливных элементов будут генерировать нулевые ПГ; их единственный побочный продукт производства энергии - вода. Еще одной ключевой задачей для морской промышленности будет разработка системы распределения водорода, способной производить и распределять значительные количества, необходимые для глобальной сети больших судов.

Нефтеперерабатывающие заводы корректируют свои производственные процессы, чтобы учесть увеличение спроса, поскольку альтернативные виды топлива приобретают популярность, но сети снабжения должны будут развиваться, прежде чем морская отрасль будет чувствовать себя достаточно уверенно, чтобы широко внедрять энергосистемы, использующие топливные элементы. Как технология производства электроэнергии, топливные элементы сравнительно зрелые. Судовладельцы могут захотеть рассматривать технологию как нечто большее, чем «будущее топливо», и вместо этого признать ее нынешние преимущества для морской промышленности, поскольку они действуют, чтобы уменьшить углеродные следы своего флота и направиться к более устойчивому будущему.

Как работают системы топливных элементов
Топливный элемент - это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электричество посредством электрохимической реакции топлива с кислородом или другими окислителями. Они отличаются от батарей тем, что топливным элементам требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха) для поддержания химической реакции, в то время как доступность энергии от батареи определяется количеством накопленной энергии. Топливные элементы могут непрерывно вырабатывать электроэнергию, пока к ним подаются топливо и кислород.

Существует много типов конструкций для топливных элементов. Большинство состоит из анода, катода и электролита, который позволяет положительно заряженным ионам водорода (известным как протоны) перемещаться от анода к катодной стороне топливного элемента.

Безопасность и новые правила
В настоящее время нет правил ИМО, которые бы предусматривали предписывающие требования для установок на топливных элементах; они находятся в процессе разработки. Эти разработки рассматриваются как расширение требований к топливу с низкой температурой вспышки. Вопросы безопасности, связанные с газообразным топливом, таким как водород, метан и другие виды топлива «легче воздуха», или пропан (который тяжелее воздуха), требуют специальных мер для вентиляции, чтобы предотвратить образование опасных зон, подверженных взрыву. ,

Для многих топливных элементов неводородная подача извне преобразуется в водород и другие побочные продукты перед введением в топливный элемент. Поэтому водородная часть топливной системы - от риформера до топливного элемента - нуждается в тщательном рассмотрении и особенностях конструкции.
Обзоры безопасности и эксплуатации установок топливных элементов для морских и морских активов в первую очередь основаны на исследованиях, основанных на оценке риска, в сочетании с правилами судов IMO, требованиями IACS, применимыми промышленными стандартами и правилами или руководствами, основанными на конкретной конструкции и конфигурации системы топливных элементов. ,

Международный кодекс безопасности для судов, использующих газы или другое топливо с низкой температурой вспышки, известный как Код IGF, в настоящее время пересматривается с учетом требований к системам топливных элементов; промышленность ожидает, что это поможет решить текущие проблемы безопасности.
Чтобы поддержать и продвигать более безопасную и более устойчивую практику по мере того, как в отрасли все шире внедряются системы топливных элементов, ABS вскоре опубликует Руководство по топливным элементам по морским применениям для этой технологии, включая двигательные установки и другие вспомогательные применения. Он предложит структурированный подход к применению систем топливных элементов в формате, который достаточно гибок, чтобы включать другие газообразные виды топлива и любые будущие технологические обновления.

Судовладельцы сталкиваются с некоторыми сложными экологическими решениями, так как более строгие нормативные акты смещают курс их промышленности в сторону более устойчивого будущего: к концу этого года 0,5-процентный предел содержания серы в топливе; минимальное сокращение выбросов CO2 с судов к 2030 году на 40%; сокращение выбросов ПГ на 50% к 2050 году; и потенциально даже более амбициозные цели, поставленные региональными и национальными правительствами.

Возможно, им пора начать задумываться о том, что, если какую-либо роль топливные элементы могут сыграть в обеспечении решения.

Г-н Карлуччи в настоящее время является руководителем АБС в области машиностроения, электротехники и технологий управления. С момента прихода в ABS в 2008 году Карлуччи занимал несколько руководящих должностей в области управления целостностью активов, риска и надежности жизненного цикла, анализа дизайна и планов, а также разработки продуктов и услуг. Имея большой опыт работы в морской и оффшорной отраслях, в компетенцию Carlucci входят: применение гибридной энергии, эксплуатация и обслуживание судовых систем, проектирование систем, анализ рисков и надежности (FMEA, RCM) и мониторинг состояния / производительности. Он служил в военно-морском флоте США в качестве офицера по наземной войне, подготовленного в ядерной области. Г-н Карлуччи получил степень бакалавра наук в области машиностроения в Университете Дьюка и степень магистра делового администрирования в Университете Хьюстона.

Эта статья впервые появилась в мартовском печатном издании журнала MarineNews в 2019 году .