Αρθρωτή ισχύς υδρογόνου
Ο Phil Sharp, CTO της Genevos, εφευρέτης της κυψέλης καυσίμου για θαλάσσιες εφαρμογές Hydrogen Power Module, συνεργάτης της εταιρείας μας και της Transfluid SpA, συζητά πώς η τεχνολογία μπορεί να απελευθερώσει τα πλοία από τον άνθρακα.
Τι είναι το Hydrogen Power Module (HPM) και ποια θα ήταν μια τυπική εφαρμογή;
Το HPM είναι ένα πλήρως ενσωματωμένο και αρθρωτό πακέτο κυψελών καυσίμου θαλάσσης που παρέχει μια λύση μηδενικών εκπομπών ρύπων για την απανθρακοποίηση των σκαφών. Οι μονάδες διατίθενται σε μεγέθη 15 kW, 30 KW και 40 kW, τα οποία μπορούν να στοιβάζονται σε συστήματα, συνήθως έως 500 kW. Αυτά τα συστήματα υψηλότερης ισχύος μπορούν να τοποθετηθούν σε κοντέινερ για εγκατάσταση στο κατάστρωμα ή να εγκατασταθούν απευθείας στο μηχανοστάσιο και να συνδυαστούν για να παρέχουν υψηλότερη απόδοση ισχύος ανάλογα με τις προσαρμοσμένες ανάγκες του σκάφους. Η σειρά HPM έχει λάβει πιστοποίηση AiP marine από το Lloyd’s Register και βρίσκεται σε διαδικασία έγκρισης τύπου. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν μικρά έως μεγάλα πλοία όπως γιοτ, πορθμεία, πλοία εξυπηρέτησης, εσωτερικές μεταφορές και ναυτιλία. Αυτή η τεχνολογία μηδενικών εκπομπών μπορεί να εφαρμοστεί σε ολόκληρο τον τομέα για την απανθρακοποίηση σκαφών μέσω πρωτογενούς, υβριδικής ή βοηθητικής ενοποίησης. |
Γιατί αναπτύχθηκε το HPM;
Το πράσινο υδρογόνο προβλέπεται να υποβαθμίσει άλλα ανανεώσιμα καύσιμα καθώς και το ντίζελ έως το 2030, και με την ταχεία ανάπτυξη των ρυθμίσεων, οι κυψέλες καυσίμου παρέχουν μια επεκτάσιμη, χαμηλού βάρους, πρακτική λύση για πλοία μηδενικών εκπομπών επόμενης γενιάς. Για να μπορέσει αυτή η τεχνολογία να είναι προσβάσιμη σε σκάφη πολλών μεγεθών, δυνάμεων και σκοπών, η Genevos ανέπτυξε την ιδέα μιας πιστοποιημένης ναυτικής μονάδας, μιας αρθρωτής μονάδας που φιλοξενεί τη στοίβα κυψελών καυσίμου, την ισορροπία της μονάδας και τη μετατροπή ισχύος – για να το κάνει όσο το δυνατόν πιο απλό για εγκατάσταση σε σκάφος στη θέση του κινητήρα ή της γεννήτριας, με εύκαμπτη ισχύ συμβατή με μια ποικιλία συστημάτων ηλεκτρικής πρόωσης.
Γιατί οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου είναι κατάλληλες για πλοία εξυπηρέτησης;
Έχουν μεγάλη διακύμανση στις απαιτήσεις ισχύος κατά τη διάρκεια μιας ημέρας εργασίας, επομένως οι υβριδικοί ηλεκτρικοί κινητήρες μπορούν να προσφέρουν σημαντικά κέρδη απόδοσης σε σχέση με μια συμβατική απευθείας μετάδοση κίνησης ντίζελ. Αυτά τα σκάφη συχνά περνούν μεγάλο μέρος του χρόνου τους σε αδράνεια, αλλά πρέπει επίσης να διέρχονται με μεγάλη ταχύτητα. Ένα ηλεκτρικό σύστημα μετάδοσης κίνησης που τροφοδοτείται από HPM μπορεί να προσφέρει περίπου διπλάσια απόδοση από ένα πετρελαιοηλεκτρικό σύστημα, λόγω της υψηλότερης απόδοσης των κυψελών καυσίμου, που λειτουργούν στο 50-55% – αντί του 20-30% για έναν κινητήρα ντίζελ.
Πώς συγκρίνεται το βάρος ενός συστήματος υδρογόνου με την τεχνολογία ντίζελ και μπαταρίας;
Το βάρος ενός πλήρους συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας υδρογόνου μπορεί να είναι πολύ κοντά σε αυτό ενός παραδοσιακού συστήματος ντίζελ και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να είναι ακόμη πιο ελαφρύ από ένα υβριδικό σύστημα ντίζελ-ηλεκτρικού που χρησιμοποιεί γεννήτριες. Τα HPM της Genevos είναι βελτιστοποιημένα για χαμηλό βάρος και είναι τρεις φορές ελαφρύτερα από την αντίστοιχη γεννήτρια ντίζελ. Ωστόσο, η αποθήκευση συμπιεσμένου υδρογόνου, σε πίεση 250-350 bar, συνοδεύεται από μια «ποινή» διπλού βάρους σε σχέση με το καύσιμο ντίζελ και έτσι, ανάλογα με την αναλογία ενέργειας προς ισχύ ενός σκάφους, μπορεί φυσιολογικά να είναι αρκετά κοντά ως προς το συνολικό βάρος του σκάφους.
Τα πλοία εξυπηρέτησης συνδέονται συνήθως με μεγάλες εργάσιμες ημέρες, με μεγάλες ποσότητες αποθήκευσης ενέργειας που απαιτούνται. Εδώ τα συστήματα με πλήρη μπαταρία γίνονται πρακτικά βαριά και ακριβά, με συνολικό βάρος ενεργειακού συστήματος που πιθανότατα θα είναι μεταξύ τριών και πέντε φορές μεγαλύτερο από αυτό του υδρογόνου και των κυψελών καυσίμου. Ένα σύστημα με όλες τις μπαταρίες προσθέτει σημαντικά στο capex του σκάφους και αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας λαμβάνοντας υπόψη το πρόσθετο βάρος – το οποίο μπορεί να είναι 20% βαρύτερο συνολικά.
Σε ποιους τύπους σκάφους εξυπηρέτησης είναι προσαρμοσμένο το HPM;
Υπάρχουν τεράστιες δυνατότητες για τα πλοία μεταφοράς πληρώματος να μετατραπούν σε πλοία υδρογόνου λόγω της σημαντικής χρήσης ενέργειας τους, όπου η εξοικονόμηση άνθρακα και το περιβαλλοντικό όφελος μπορεί να είναι σημαντικά. Ένα σκάφος που τροφοδοτείται από πράσινο υδρογόνο θα έχει αποτύπωμα μικρότερο από 10% ετησίως από το αποτύπωμα ενός ισοδύναμου ντίζελ, και έτσι οι πιστώσεις άνθρακα αρχίζουν να κάνουν μεγάλη διαφορά στη μείωση του λειτουργικού κόστους, το οποίο θα γίνει πιο σημαντικό με τον καιρό. Ειδικά για τα αιολικά πάρκα, δεν είναι διαισθητικό να καίμε περισσότερο ντίζελ, καθώς περισσότεροι στρόβιλοι εγκαθίστανται στην ανοικτή θάλασσα..
Υπάρχει όφελος από τη χρήση κυψελών καυσίμου σε υβριδικά πλοία ντίζελ-ηλεκτρισμού;
Η χρήση κυψελών καυσίμου για την τροφοδοσία ενός σκάφους σε χαμηλή ταχύτητα ή σε αδράνεια μπορεί να είναι μια πολύ αποτελεσματική επιλογή μετάβασης στη μείωση των συνολικών εκπομπών άνθρακα ενός σκάφους. Για ένα υβριδικό σκάφος με μπαταρίες ντίζελ, υπάρχει πάντα μια ποινή βάρους σε σχέση με την άμεση οδήγηση. Συχνά, για τα ταχύπλοα πλοία, η πρόσθετη ενέργεια που αποβάλλεται από το πρόσθετο βάρος των μπαταριών μπορεί να αντισταθμίσει την αυξημένη απόδοση, καθιστώντας το περιβαλλοντικό όφελος ενός τέτοιου σκάφους αμελητέο.
Η αντικατάσταση του ντίζελ με μια λύση καθαρού καυσίμου που περιλαμβάνει HPM και αποθήκευση υδρογόνου επιτρέπει ένα σύστημα πολύ υψηλότερης απόδοσης σε χαμηλές ταχύτητες, και έτσι η εξοικονόμηση εκπομπών είναι σημαντική. Για ένα σκάφος εξυπηρέτησης αιολικού πάρκου, η εξοικονόμηση εκπομπών μπορεί να είναι τυπικά 30-35%. Έχοντας κατά νου ότι οι ποσότητες πράσινου υδρογόνου είναι επί του παρόντος περιορισμένες, ο αρχικός υβριδισμός των πλοίων εξυπηρέτησης με χρήση μονάδων ισχύος της Genevos αποτελεί μια πρακτική βραχυπρόθεσμη λύση για πολλά σκάφη, είτε για μετασκευές, είτε για νέα σκάφη.
Πώς μετράτε τις κυψέλες καυσίμου για τη λειτουργία ενός σκάφους;
Ένα εργαλείο βελτιστοποίησης καθορίζει τις απαιτήσεις ισχύος, το μέγεθος της μπαταρίας και την απαιτούμενη ενέργεια αποθήκευση υδρογόνου. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό από το TCO, το οποίο εγγενώς σημαίνει συμβιβασμό μεταξύ του κόστους, της απόδοσης και του βάρους του εξοπλισμού.
Με βάση τα στατιστικά στοιχεία στο Σχήμα 3 (παρακάτω), υπάρχει ένα παράδειγμα CTV που λειτουργεί με υδρογόνο και που έχει εγκατασταθει φαίνεται στο σκάφος της φωτογραφίας 1 (παραπάνω). Αυτό δείχνει την απαίτηση ισχύος του σκάφους (με πράσινο) κατά τη διάρκεια μιας ολόκληρης ημέρας σέρβις σε ένα αιολικό πάρκο και πώς αυτή παρέχεται μέσω κυψελών καυσίμου (μπλε) και ισχύος μπαταρίας (κίτρινο).
Το σχεδόν πλήρες φορτίο χρησιμοποιείται για μία ώρα τόσο στην αρχή όσο και στο τέλος της ημέρας για τη μετάβαση από και προς το αιολικό πάρκο, με αποτέλεσμα η μπαταρία να εξαντλείται σε μεγάλο βαθμό για να συμπληρώσει την ισχύ και την ενέργεια των κυψελών καυσίμου Διάγραμμα 2 (παρακάτω).
Καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας του σέρβις σε χαμηλές ταχύτητες, η μπαταρία λειτουργεί περισσότερο ως ενδιάμεση μνήμη για να παρέχει δυναμικά φορτία για ελιγμούς, ενώ επιτρέπει στην κυψέλη καυσίμου να λειτουργεί με πιο σταθερό φορτίο για μεγιστοποίηση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής της στοίβας κυψελών καυσίμου.
Σε αυτό το παράδειγμα, χρησιμοποιούνται τρία συστήματα των 500 kW για την κάλυψη των συνολικών απαιτήσεων ισχύος κυψελών καυσίμου. Εδώ, 350 κιλά ημερήσιας κατανάλωσης καυσίμου υδρογόνου παρέχουν τις συνολικές απαιτήσεις πρόωσης και βοηθητικού σκάφους, αποθηκευμένες σε κυλίνδρους τύπου IV 48 x 350 λίτρων στα 350 bar. Αυτά μπορούν να ανεφοδιαστούν απευθείας με καύσιμα ή να παραδοθούν σε ένα κοντέινερ 20 ποδιών το οποίο μπορεί να ανταλλάσσεται εντός και εκτός του σκάφους.
Όλη αυτή η τεχνολογία είναι πλέον διαθέσιμη περιμένοντας την αξιοποίηση της και η βελτίωση προχωρά σταθερά για να επιτρέψει στα συστήματα υδρογόνου-ηλεκτρικής ενέργειας να γίνουν το σημείο αναφοράς για πλοία εξυπηρέτησης στο εγγύς μέλλον.
*Μια συνέντευξη που έδωσε ο κ. Phil Sharp, CTO της Genevos στον TRISTAN SMITH του Electric & Hybrid Marine Technology International Magazine και μπορείτε να τη βρείτε εδώ .