ИМО 2020: будущее водорода в море

Джозеф ДиРензо, ЧП • 17 июля 2019

Команда GGZM на церемонии закладки киля Water-Go-Round. Слева направо на изображении: капитан Джо Бургард, соучредитель); Джон Мотлоу, вице-президент по маркетингу и стратегии; Чарли Вальтер; Тайлер Фостер; Роуз Давидьяк-Рапаньяни; Томас Эшер, соучредитель); и Дэн Джонсон. Фото предоставлено ГГЗМ.

3D-рендеринг Water-Go-Round. Фото предоставлено Incat Crowther

Церемония закладки килинга Water-Go-Round. Фото кредит ГГЗМ

Технология водородных топливных элементов удовлетворяет будущим требованиям IMO
В связи с тем, что морское сообщество продолжает настаивать на сокращении выбросов с судов в соответствии с правилами Приложения VI IMO MARPOL и ограничении содержания серы на судах с 1 января 2020 года до 0,5 процента во всем мире, многие судовладельцы начинают рассматривать технологию водородных топливных элементов для удовлетворения развивающиеся нормы выбросов. На сегодняшний день сотни миллионов долларов были потрачены на исследовательские программы по использованию водородных топливных элементов для транспортировки. Некоторые морские державы, в том числе Европейский союз, Соединенные Штаты и Япония, инициировали экспериментальные программы для оценки целесообразности использования морского водорода для сокращения выбросов при сохранении паритета затрат с традиционной двигательной технологией.

Лидером в этой области является д-р Джозеф Пратт, генеральный директор и технический директор компании Golden Gate Zero Emission Marine (GGZM), которая является международно признанным экспертом по морскому водороду. GGZM - одна из нескольких компаний, переходящих от технико-экономического обоснования к строительству и эксплуатации судов.

Первый коммерческий сосуд на водородных топливных элементах в Северной Америке
После завершения церемонии закладки киля для водного раунда в ноябре прошлого года и ожидаемого запуска в сентябре этого года, GGZM готовится стать первым коммерческим судном на водородных топливных элементах в Северной Америке. Water-Go-Round будет 70-футовым катамараном, построенным Bay Ship & Yacht Co., способным перевозить до 84 пассажиров в районе залива.

По словам доктора Пратта, после запуска судно будет работать в бухте Сан-Франциско в течение трех месяцев, в то время как Национальная лаборатория Sandia, национальная лаборатория, занимающая передовые позиции в области водородных топливных элементов, проводит тестирование производительности судна и собирает данные. Судно будет перевозить резервуар массой до 242 кг сжатого водорода при давлении 250 бар (приблизительно 3600 фунтов на квадратный дюйм), что обеспечит достаточное количество топлива для работы в течение до 2 полных дней. Water-Go-Round будет приводиться в движение двумя валовыми двигателями мощностью 300 кВт (400 лошадиных сил) с аккумуляторной батареей мощностью 100 киловатт-часов, чтобы обеспечить скорость до 22 узлов.

Часть первоначального финансирования проекта Water-Go-Round поступила от California Climate Investments, которая представляет собой программу ограничения и торговли, направленную на сокращение выбросов парниковых газов в штате Калифорния.

Д-р Пратт прокомментировал, что успешное начало его бизнеса и создание Водного раунда «было долгое время в процессе становления», органически развивающегося из партнерств, которые он развивал, управляя SF-BREEZE и другими исследованиями в Sandia National. Labs.

«ТЭО показало, что это можно сделать, но мы хотели это доказать. Рассматривая деловую сторону [компании], мы увидели действительно большой спрос на сосуды с водородными топливными элементами ».

Когда проект Water-Go-Round будет завершен, GGZM сосредоточит свои усилия на извлечении уроков, извлеченных из проекта, для разработки «готовых к эксплуатации» систем на водородных топливных элементах, которые могут быть использованы для постройки новых судов и модернизации во всем мире. ,

Доктор Джозеф Пратт, генеральный директор / технический директор GGZM. Фото предоставлено ГГЗМ «Курица на первом месте»
Одной из часто упоминаемых проблем является дилемма «курица и яйцо», когда прорывные двигательные установки выходят на морской рынок. Критики будут утверждать, что судовладельцы неохотно используют новые технологии в строительстве новых судов, таких как водородные топливные элементы, до тех пор, пока не будет создана инфраструктура порта. Они также будут утверждать, что портовая инфраструктура не будет развиваться до тех пор, пока судовладельцы не будут испытывать острый спрос, создавая дилемму «курица и яйцо».

Для доктора Пратта ответ таков: «ясно, что курица должна быть на первом месте… курица - это доказательство».

Отмечая, что США производят более 10 миллионов метрических тонн водорода в год (Министерство энергетики США), доктор Пратт считает, что необходимые ингредиенты для быстрого расширения технологии морских водородных топливных элементов уже существуют во многих промышленно развитых странах по всему миру.

Он заметил, что вместо того, чтобы производить бесконечное количество технико-экономических обоснований, необходимо было «поставить лодки на воду», чтобы доказать международному морскому сообществу, что водородные технологии могут быть экономически целесообразными.

Д-р Пратт утверждает, что самый важный фактор, определяющий, какие части мира примут эту технологию, - это «могут ли [владельцы судов] получать водород». В настоящее время не все страны мира имеют легкий доступ к водороду. Кроме того, большинству сосудов потребуется жидкий водород, исходя из их требуемой выносливости, поскольку жидкий водород имеет значительно более высокую плотность энергии, чем сжатый газообразный водород. Доктор Пратт считает, что благодаря развитой сети поставщиков водорода в Северной Америке Северная Америка будет и впредь оставаться сильным рынком для этого типа морских технологий.
3D-рендеринг Water-Go-Round. Фото предоставлено Incat Crowther Откуда берется водород?
Одним из важных отличий при обсуждении потенциала снижения выбросов в технологии водородных топливных элементов является способ производства водорода. Методы, такие как парометановое риформинг и частичное окисление, производят водород с использованием метана в качестве сырья, как правило, из природного газа. По данным Министерства энергетики США (DOE), риформинг с водяным паром и частичное окисление производят водород путем объединения высокотемпературного пара (от 700 до 1000 ° C) с метаном в присутствии катализатора. В отчете DNV GL под названием «Оценка выбранных альтернативных видов топлива и технологий» указывается, что добываемый таким образом водород имеет выброс в CO2, эквивалентный 90 граммам на мегаджоул (МДж), что превышает как ГФО, так и МГО. На момент написания этой статьи большинство водорода в мире производится с использованием этих методов.
Другим методом, который привлекает внимание, является использование электролиза для получения водорода. В процессе электролиза электричество используется для разделения воды на водород и кислород.

Это достигается с помощью ряда различных электролизеров, включая полимерные электролитные мембраны (PEM), щелочные и твердооксидные электролизеры, которые различаются по материалу, температуре производства и тому, как протекают реакции в процессе. Электролиз считается «зеленым», когда электричество, используемое для питания оборудования, поступает из возобновляемых источников энергии, таких как ветер, солнечная энергия, атомная энергия или биогаз.
Хотя проект Water-Go-Round все еще не определился с поставщиком водорода и связанным с ним методом производства водорода, доктор Пратт считает, что принятие 100% возобновляемого водорода «должно произойти поэтапно». Для того чтобы он получил широкое распространение, он считает, что «решение должно быть экономически жизнеспособным… оно должно быть ориентировано на рынок, а не поддерживаться инициативами государственного финансирования. В настоящее время возобновляемый водород дороже обычного водорода ».

«В то время как возобновляемый водород является целью, сегодня он не обеспечивает экономически жизнеспособного решения». Нынешняя стратегия доктора Пратта «состоит в том, чтобы начать с резервуара и обычного водорода, который может быть экономически выгодным, а затем перейти к более высокому возобновляемому содержанию, так как это достигает уровня затрат, делающего его также жизнеспособным. Если мы попытаемся сделать то и другое сегодня, общий эффект может быть задержкой в принятии технологии в целом ».

Может ли водород быть экономичным?
Обсуждая экономическую целесообразность технологии водородных топливных элементов в контексте проекта Water-Go-Round, д-р Пратт отмечает, что «основное ценностное предложение для сосудов с водородными топливными элементами заключается в общем снижении стоимости судна. Владельцам судов больше никогда не понадобится делать полное «повторное включение». Сначала вы переходите от механического двигателя с сотнями движущихся частей к твердотельной системе топливного элемента. Во-вторых, в конце жизни вам не нужно менять двигатели; скорее вам просто нужно заменить отдельные топливные элементы, как только они превысят свой жизненный цикл. В целом это может привести к сокращению технического обслуживания и сокращению времени простоя », что в конечном итоге приведет к снижению общих операций и затрат на техническое обслуживание судна.

Д-р Пратт также отметил, что второстепенное значение перехода на систему водородных топливных элементов заключается в том, что судно намного тише, чем сопоставимые дизельные двигатели, и не имеет загрязнения на борту. Это открывает много возможностей, например, владельцы судов могут использовать нетрадиционные чартеры для пассажирских судов, такие как «совместные встречи» и «экскурсии на природе» из-за снижения уровня шума и загрязнения воздуха.

Будущее
Поскольку проект Water-Go-Round близок к его первому рейсу, а другие проекты, такие как проект HYSEAS III в Великобритании или проект HYBRIDskip в Норвегии, находятся на разных этапах реализации, становится очевидным, что технология производства водорода на водороде быстро продвигается от концепции к создание в глобальном масштабе. Подобно общепринятому принятию сжиженного природного газа (СПГ) в качестве морского топлива, водород, вероятно, достигнет такого же широкого распространения. Д-р Пратт утверждает, что суда на водородных топливных элементах первоначально будут группироваться в районах с более строгим контролем выбросов, таких как зона контроля выбросов, установленная в Приложении VI к МАРПОЛ, среди судов с фиксированным маршрутом, таких как паромы, буксиры и прибрежные торговцы. Поскольку производство водорода распространяется по всему миру, более крупные суда с более изменчивыми маршрутами, такие как контейнеровозы, могут начать применять эту технологию. Отмечая экономию от масштаба контейнеровоза, доктор Пратт быстро отмечает, что «один контейнеровоз может оправдать создание нового объекта по производству водорода» в порту, предполагая, что глобальное внедрение этой технологии может быть только на горизонте.

Об авторе

Джозеф ДиРензо - технический менеджер проектов и профессиональный инженер с почти 10-летним опытом работы в морской береговой охране США. Его последний тур был в Центре исследований и разработок Береговой охраны в Нью-Лондоне, Коннектикут, где, помимо других проектов, он руководил технико-экономическим обоснованием использования сжиженного природного газа (СПГ) для нового флота Береговой охраны внутренних тендеров на реке. С большим интересом к возобновляемым морским технологиям, он получил стипендию Фулбрайта в 2012 году для изучения технологии морского природного газа в Норвежском университете науки и технологий в Тронхейме, Норвегия. Он написал ряд статей в торговых изданиях и научных журналах об использовании СПГ в морском секторе. За свою карьеру береговой охраны он служил на двух разных судах, в том числе в качестве начальника отдела в качестве оперативного сотрудника, выполняя множество морских миссий на обоих побережьях Соединенных Штатов.