Κύτταρα καυσίμου: η βιομηχανία εξετάζει τις επιλογές σε αγώνες με μηδενικές εκπομπές

Πιστωτική εικόνα: Elliott Bay Design Group

Domenic Carlucci, Διευθυντής ABS για Μηχανήματα, Ηλεκτρολογία και Τεχνολογία Ελέγχου

Πίστωση εικόνας: (ABS) © Polina Krasnikova / Shutterstock

Πιστωτική εικόνα (ABS): © Studio BKK / Shutterstock

Previous Next

Μια ναυτιλιακή κοινοπραξία, περιλαμβανομένων των συστημάτων ABS και Sandia National Laboratories, απέδειξε πρόσφατα τη βιωσιμότητα ενός οχηματαγωγού υδρογόνου με κυψέλες καυσίμου σχεδιασμένου για δραστηριότητες στην ευαίσθητη από περιβαλλοντική άποψη περιοχή του San Francisco Bay.

Η εντολή του ΙΜΟ να περιορίσει την περιεκτικότητα σε θείο στα καύσιμα πλοίων στις αρχές του επόμενου έτους μπορεί να είναι η μεγαλύτερη κανονιστική αλλαγή στη ναυτιλία από την απαίτηση για διπλό κύτος αλλά η πρόκληση θα εξασθενίσει σε σύγκριση με τους μελλοντικούς στόχους της για τη μείωση των αερίων του θερμοκηπίου GHG).

Πριν από ένα χρόνο (Απρίλιος 2018), ο ΔΝΟ συμφώνησε σε μια προκαταρκτική στρατηγική που στοχεύει σε μείωση κατά 40% των εκπομπών CO2 με βάση το φορτίο ανά τόνο έως το 2030 και μείωση κατά 50% των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου από τη ναυτιλία έως το 2050. και για την ενημέρωση του στόχου αυτού, η υποχρεωτική συλλογή δεδομένων για τις εκπομπές από τα πλοία ξεκίνησε τον Ιανουάριο. Η τελική στρατηγική του ΙΜΟ θα αποκαλυφθεί το 2023. Εν τω μεταξύ, δεσμεύεται να απελευθερώσει την τέταρτη μελέτη για τα αέρια θερμοκηπίου και να αναλύσει και να αναφέρει τα πορίσματα από τρία χρόνια που συγκέντρωσαν στοιχεία για τις εκπομπές του κλάδου.

Οι υποχρεωτικοί παγκόσμιοι στόχοι για τη μείωση των εκπομπών από τη ναυτιλία είναι οι πλέον φιλόδοξοι: απαιτούν μέτρα που συνδυάζουν βελτιώσεις στον σχεδιασμό των πλοίων. τη δημιουργία νέων καυσίμων και εναλλακτικών μορφών πρόωσης · επιχειρησιακές αλλαγές · και την εφαρμογή της ψηφιακής τεχνολογίας. Επειδή οι στόχοι αυτοί είναι απίθανο να επιτευχθούν χωρίς την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών, η βιομηχανία και οι κυβερνήσεις θα πρέπει να επεκτείνουν τους πόρους που διαθέτουν για έρευνα και ανάπτυξη.

Μια τεχνολογία με δυνατότητες
Ένας τομέας υπόσχεσης για την παραγωγή ενέργειας στα πλοία είναι τα κυψέλες καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται σήμερα σε ποικίλες εφαρμογές γης, όπως για την παροχή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές, καθώς και για βιομηχανικά, οικιστικά και εμπορικά κτίρια. Ειδικότερα, η ενέργεια από κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χρησιμοποιείται ήδη σε χερσαία οχήματα μεταφοράς, όπως τα δημοτικά λεωφορεία, τα τρένα και τα βαρέα φορτηγά οχήματα, καθώς και για τον βιομηχανικό εξοπλισμό όπως τα περονοφόρα ανυψωτικά οχήματα.

Ενώ τα υποβρύχια κατασκευάστηκαν πρόσφατα με υβριδικές μονάδες προώθησης που χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, η χρήση τους στον τομέα της εμπορικής ναυτιλίας περιορίστηκε σε μεγάλο βαθμό σε βοηθητικούς σκοπούς: τα κυψέλες καυσίμου μπορούν να παράσχουν θερμότητα και ισχύ στο πλοίο - συμπεριλαμβανομένης της ισχύος του ξενοδοχείου κρουαζιερόπλοια - και «ψυχρό σιδέρωμα», παρέχοντας μια εναλλακτική πηγή τροφοδοσίας που επιτρέπει στα πλοία να κλείνουν τους κινητήρες τους ενώ βρίσκονται σε αποβάθρα, μειώνοντας την εκπομπή τους.

Επιπλέον, έχουν γίνει πολλές έρευνες και πρωτότυπα στον ναυτιλιακό τομέα για τη διερεύνηση αιτήσεων σχετικά με μικρά επιβατηγά οχηματαγωγά πλοία και άλλα σκάφη μικρών αποστάσεων. Η ABS, σε συνεργασία με την Sandia National Laboratories, επιβεβαίωσε πρόσφατα τη σκοπιμότητα της χρήσης υψηλής ταχύτητας υδροηλεκτρικών πορθμείων για χρήση στην περιοχή του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο. Ξεχωριστά, η Νορβηγία στα τέλη του περασμένου έτους παρείχε τη χρηματοδότηση για την κατασκευή ενός οχήματος με υδρογόνο υψηλής ταχύτητας και ενός φορτηγού μικρών αποστάσεων.

Δυναμικό και Προκλήσεις
Η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου υδρογόνου έχει τη δυνατότητα να προσφέρει αξιόπιστη, μεγάλης εμβέλειας ισχύ σε βιομηχανική κλίμακα, με σχετικά γρήγορο ανεφοδιασμό σε σύγκριση με τις αναδυόμενες επιλογές με μπαταρίες. Το ίδιο το υδρογόνο έχει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τις μπαταρίες, καθιστώντας πιθανότατα τα συστήματα κυψελών καυσίμου πιο πρακτικά για τους χειριστές που επιθυμούν να αντικαταστήσουν ή να συμπληρώσουν τις παραδοσιακές μονάδες προώθησης με καύσιμα.

Ωστόσο, η προμήθεια υδρογόνου μπορεί να είναι εντατική σε ενέργεια. Χωρίς την ενσωμάτωση ανανεώσιμων υδρογονανθράκων, η καθαρή επίπτωση στο αέριο GHG για το υδρογόνο που παράγεται με μεθάνιο ή παρόμοιες διεργασίες είναι αμελητέα. Επίσης, η υιοθέτηση του υδρογόνου ως καυσίμου πλοίων deepsea δεν είναι χωρίς προκλήσεις, ακόμη και πριν ληφθούν υπόψη οι παράγοντες ασφάλειας.

Είναι σημαντικό να συγκρίνουμε την ενεργειακή πυκνότητα των διαφόρων πηγών ενέργειας - συμπεριλαμβανομένων των κυψελών καυσίμου - για να κατανοήσουμε καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να ωριμάσουν, προτού να είναι κατάλληλοι για παγκόσμια ναυτιλία, όπου η μεταφορά φορτίων είναι η κύρια εστίαση. Σε γενικές γραμμές, τα συστήματα κυψελών καυσίμου απαιτούν λιγότερη συντήρηση (ενδεχομένως με χαμηλότερο κόστος συντήρησης) και μεγάλη διάρκεια ζωής. Παράγουν επίσης λιγότερους θορύβους από τους σημερινούς σταθμούς παραγωγής πετρελαίου, συμβάλλοντας έτσι σε ένα πιο άνετο εργασιακό περιβάλλον για το πλήρωμα και σε λιγότερες διακοπές στη γύρω θαλάσσια ζωή.

Η καταλληλότητα συστημάτων κυψελών καυσίμου για υβριδικά προωστικά διαλύματα - σε συνδυασμό με το πετρέλαιο κίνησης - έχει ένα εκτεταμένο ιστορικό. Αλλά ίσως το σημαντικότερο για τους ενεργούς ιδιοκτήτες που αναζητούν μια πορεία προς τη συμμόρφωση των εκπομπών του ΙΜΟ προς τα έτη 2030 και 2050, τα συστήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου θα δημιουργούσαν μηδενικά GHG. το μόνο παραπροϊόν τους από την παραγωγή ενέργειας είναι το νερό. Μια άλλη βασική πρόκληση θα είναι για τη ναυτιλιακή βιομηχανία να αναπτύξει ένα σύστημα διανομής υδρογόνου ικανό να παράγει και να διανέμει τις σημαντικές ποσότητες που απαιτούνται για ένα παγκόσμιο δίκτυο μεγάλων πλοίων.

Τα διυλιστήρια προσαρμόζουν τις παραγωγικές τους διαδικασίες για να ικανοποιήσουν την αύξηση της ζήτησης, καθώς τα εναλλακτικά καύσιμα κερδίζουν δημοτικότητα, αλλά τα δίκτυα παροχής θα πρέπει να ωριμάσουν πριν η ναυτιλιακή βιομηχανία αισθάνεται αρκετά βέβαιη ώστε να υιοθετήσει ευρέως συστήματα ισχύος που χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου. Ως τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, τα στοιχεία καυσίμου είναι συγκριτικά ώριμα. Οι εφοπλιστές ίσως θελήσουν να εξετάσουν την τεχνολογία ως κάτι περισσότερο από ένα «μελλοντικό καύσιμο» και, αντίθετα, να αναγνωρίσουν τα σημερινά οφέλη της στη ναυτιλιακή βιομηχανία, καθώς ενεργούν για να μειώσουν τα αποτυπώματα άνθρακα των στόλων τους και να στραφούν προς ένα πιο βιώσιμο μέλλον.

Πώς λειτουργούν τα συστήματα κυψελών καυσίμου
Μια κυψέλη καυσίμου είναι μια συσκευή που μετατρέπει τη χημική ενέργεια από ένα καύσιμο σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης του καυσίμου με οξυγόνο ή άλλους οξειδωτικούς παράγοντες. Διαφέρουν από τις μπαταρίες στο ότι τα στοιχεία καυσίμου απαιτούν μια συνεχή πηγή καυσίμου και οξυγόνου (συνήθως από τον αέρα) για να διατηρήσουν τη χημική αντίδραση, ενώ η διαθεσιμότητα ενέργειας από μια μπαταρία καθορίζεται από την ποσότητα ενέργειας που έχει αποθηκευτεί. Τα κυψέλες καυσίμου μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό συνεχώς, όσο τα καύσιμα και το οξυγόνο παρέχονται σε αυτά.

Υπάρχουν πολλοί τύποι σχεδιασμών για κυψέλες καυσίμου. Τα περισσότερα αποτελούνται από μια άνοδο, κάθοδο και έναν ηλεκτρολύτη που επιτρέπει στα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (γνωστά ως πρωτόνια) να μετακινούνται από την άνοδο στην πλευρά καθόδου της κυψέλης καυσίμου.

Ασφάλεια και αναδυόμενες ρυθμίσεις
Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν κανονισμοί του ΔΝΟ για την παροχή κανονιστικών απαιτήσεων για εγκαταστάσεις κυψελών καυσίμου. βρίσκονται σε εξέλιξη. Αυτές οι εξελίξεις αναθεωρούνται ως επέκταση των απαιτήσεων καυσίμου χαμηλού σημείου ανάφλεξης. Τα θέματα ασφάλειας που αφορούν τα αέρια καύσιμα όπως το υδρογόνο, το μεθάνιο και άλλα καύσιμα ελαφρύτερα από το αέριο ή το προπάνιο (που είναι βαρύτερα από τον αέρα) απαιτούν ειδικές ρυθμίσεις για τον εξαερισμό ώστε να αποφευχθεί ο σχηματισμός επικίνδυνων περιοχών που είναι επιρρεπείς σε έκρηξη .

Για πολλές κυψέλες καυσίμου, η προμήθεια εκτός υδρογόνου μετατρέπεται εξωτερικά σε υδρογόνο και άλλα υποπροϊόντα πριν από την εισαγωγή τους στο κύτταρο καυσίμου. Έτσι, το τμήμα υδρογόνου του συστήματος καυσίμου - από το μετασχηματιστή έως το κυψέλη καυσίμου - χρειάζεται προσεκτικό σχεδιασμό και χαρακτηριστικά.
Οι έλεγχοι ασφάλειας και λειτουργίας των εγκαταστάσεων κυψελών καυσίμου για θαλάσσια και υπεράκτια περιουσιακά στοιχεία στηρίζονται κατά κύριο λόγο σε μελέτες βασισμένες στον κίνδυνο σε συνδυασμό με κανονισμούς του σκάφους του IMO, απαιτήσεις IACS, ισχύοντα βιομηχανικά πρότυπα και κανόνες ή οδηγοί βάσει του ιδιαίτερου σχεδιασμού και διαμόρφωσης του συστήματος κυψελών καυσίμου .

Ο διεθνής κώδικας ασφάλειας για τα πλοία που χρησιμοποιούν αέρια ή άλλα καύσιμα χαμηλής ανάφλεξης, γνωστός ως κώδικας IGF, αναθεωρείται προς το παρόν για την αντιμετώπιση των απαιτήσεων για συστήματα κυψελών καυσίμου. η βιομηχανία αναμένει ότι αυτό θα συμβάλει στην αντιμετώπιση των σημερινών προκλήσεων στον τομέα της ασφάλειας.
Προκειμένου να υποστηριχθεί και να προωθηθεί μια ασφαλέστερη και πιο βιώσιμη πρακτική, καθώς η βιομηχανία υιοθετεί ολοένα και περισσότερο συστήματα κυψελών καυσίμου, η ABS θα δημοσιεύσει σύντομα έναν οδηγό κυψελών καυσίμου για τις θαλάσσιες εφαρμογές της τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένης της πρόωσης και άλλων βοηθητικών χρήσεων. Θα προσφέρει μια δομημένη προσέγγιση στην εφαρμογή συστημάτων κυψελών καυσίμου σε μορφή αρκετά εύκαμπτη ώστε να περιλαμβάνει και άλλα αέρια καύσιμα και τυχόν μελλοντικές τεχνολογικές αναβαθμίσεις.

Οι πλοιοκτήτες αντιμετωπίζουν μερικές δύσκολες περιβαλλοντικές αποφάσεις, καθώς οι αυστηρότεροι κανονισμοί μεταθέτουν την πορεία της βιομηχανίας τους προς ένα πιο βιώσιμο μέλλον: ένα ανώτατο όριο πετρελαίου καυσίμου 0,5% μέχρι το τέλος του τρέχοντος έτους. μείωση κατά 40% των εκπομπών CO2 από πλοία έως το 2030 · μείωση κατά 50% της παραγωγής αερίων του θερμοκηπίου μέχρι το 2050 · και ενδεχομένως ακόμη πιο φιλόδοξους στόχους που θέτουν οι περιφερειακές και εθνικές κυβερνήσεις.

Μπορεί να είναι καιρός για αυτούς να αρχίσουν να εξετάζουν το τι θα έπαιρνε εάν κάποιο ρόλο τα κυψέλες καυσίμου θα μπορούσαν να παίξουν στην παροχή μιας λύσης.

Ο κ. Carlucci είναι σήμερα ο Διευθυντής ABS για Μηχανήματα, Ηλεκτρολογικό και Τεχνολογικό Έλεγχο. Από τότε που προσχώρησε στην ABS το 2008, η Carlucci έχει διαδραματίσει αρκετούς ανώτερους ρόλους στη διαχείριση της ακεραιότητας περιουσιακών στοιχείων, τον κίνδυνο κύκλου ζωής και την αξιοπιστία, το σχεδιασμό και την αναθεώρηση του σχεδίου, καθώς και την ανάπτυξη προϊόντων και υπηρεσιών. Με μεγάλη εμπειρία στη ναυτιλία και τις υπεράκτιες βιομηχανίες, η εμπειρία της Carlucci περιλαμβάνει: εφαρμογές υβριδικών ισχύος, λειτουργίες και συντήρηση συστημάτων πλοίων, σχεδιασμό συστημάτων, ανάλυση κινδύνου και αξιοπιστίας (FMEA, RCM) και παρακολούθηση της κατάστασης / απόδοσης. Υπηρέτησε στο Πολεμικό Ναυτικό των Ηνωμένων Πολιτειών ως Υπεύθυνος Πυροσβεστικού Πυροβολικού. Ο κ. Carlucci έλαβε το Bachelors of Science στη Μηχανολογία από το Πανεπιστήμιο Duke και το Master στη Διοίκηση Επιχειρήσεων από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον.

Το άρθρο αυτό εμφανίστηκε για πρώτη φορά στην εκδοτική έκδοση του περιοδικού MarineNews τον Μάρτιο του 2019.