collapse

Для создания НОВОГО ПОСТА, необходимо выбрать нужный раздел ФОРУМА и создать в нем НОВУЮ ТЕМУ. Если вы новый пользователь, то вам нужно ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬСЯ на форуме


Автор Тема: Будущее яхтинга: лодки на водородном двигателе  (Прочитано 174 раз)

Оффлайн Craus

  • Ветеран
  • *****
  • Карма: +12/-0
    • Просмотр профиля


Знакомимся с концептами и действующими прототипами

Наземный транспорт на водородном двигателе постепенно перестаёт быть диковинкой. Американская аналитическая компания Allied Market Research в 2018 году оценивала мировой годовой оборот в соответствующем сегменте рынка в $651,9 миллионов.

Согласно прогнозу, с 2019 по 2026 год он вырастет до $42038,9 миллионов, а совокупный годовой прирост в отдельных регионах будет составлять до 71%. Норвегия планирует запретить использование бензиновых и дизельных двигателей в Осло с 2025 года, Великобритания — отказаться от их продажи по всей стране к 2040.

А что же в это время происходит с лодками? Рассказываем!

Как работает водородный двигатель

Судовые двигатели, конечно же, тоже могут работать на водороде (Н2). Наработки, связанные с Н2, есть, например, у MAN, General Motors (GM Marine Technology), Yanmar и Toyota.

В США, Норвегии и Шотландии уже ходят или в самом ближайшем будущем будут ходить паромы, оснащённые как раз таким мотором. Голландская верфь Feadship объявила, что к 2025 году хочет полностью отказаться от традиционных двигателей внутреннего сгорания в пользу водородных и электрических.

Сегодня существуют два типа водородных двигателей. Их оба можно встретить и на автомобилях, и на лодках.

Первый тип, использующий сжиженный Н2, очень похож на моторы на пропане. Когда Н2смешивается с воздухом, то начинает окисляться кислородом (О2). Проще говоря — горит. В результате реакции выделяется тепло, которое конвертируют в электричество и используют для работы двигателя. В выхлопе остаются только вода и испарения моторных масел.



Другой тип использует топливные элементы, которые похожи на свинцовые аккумуляторы. Камеры с электродом-анодом (проводником электричества с недостатком отрицательно заряженных электронов) и катодом (проводником с избытком электронов) такой батареи разделяет мембрана, через которую могут проходить положительно заряженные ионы. На анод подаётся Н2, а на катод — О2. На аноде в результате электрохимической реакции образуются положительно заряженные ионы Н+. Освободившиеся электроны, которые притягивает анод, в виде электричества идут на питание двигателя. Тем временем ионы Н+ проходят через мембрану к катоду, где, в свою очередь, соединяются с О2 и избыточными электронами с электрода и образуют воду, которую затем можно повторно использовать.



Откуда берётся водород для заправки двигателя?

Н2 в природе не встречается в чистом виде. В промышленных масштабах его получают несколькими методами: из природного газа и метана, из угля, с помощью атомной энергии и даже из биомассы.

Среди них стоит особенно выделить электролиз воды. Существование этого метода — настоящая удача для судостроения, ведь им можно пользоваться прямо на лодке. Благо, доступ к воде у судов не ограничен.

При электролизе под действием электричества молекулы воды (Н2О) расщепляются на катоде на О2, положительно заряженные ионы Н+ и свободные электроны. Ионы Н+ притягиваются к аноду, где избыток электронов позволяет восстановить их до полноценных молекул Н2.




Какие яхтенные проекты ориентируются на водородные двигатели?

Energy Observer



В Санкт-Петербурге летом 2019 года

На сегодняшний день главным «испытательным полигоном» технологий для судовых водородных двигателей является 30,5-метровый катамаран Energy Observer. Он был построен в 1983 году и более 30 лет использовался как спортивный гоночный парусник. В 1993 году новозеландский яхтсмен сэр Питер Блейк (sir Peter James Blake) даже установил на нем скоростной рекорд кругосветного путешествия. Новая страница в истории катамарана началась в 2016 году. Парусник капитально перестроили, и он стал плавучей лабораторией.

В 2017 году команда Energy Observer отправилась в шестилетнее кругосветного плавание.



В Париже летом 2017 года

До 2023 года экипаж будет тестировать и совершенствовать самое разнообразное оборудование, призванное снизить негативное влияние яхт на окружающую среду.

В 2019 году Energy Observer стал первым судном, которое совершило экспедицию в Арктику, на Шпицберген, используя только Н2 и возобновляемые источники энергии.



На Шпицбергене летом 2019 года

Сердце катамарана — водородные двигатели c топливными элементами и установка для электролиза морской воды, позволяющая автономно и бесперебойно обеспечивать Energy Observer топливом. С 2020 года двигатели катамарана заменили на судовые аналоги двигателей Toyota Mirai — одного из первых серийных водородных автомобилей.



Топливные элементы. Фото 2018 года.

Обычно установки для электролиза довольно объёмные, однако специалисты французского Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии (CEA) сумели специально для Energy Observer разработать компактный вариант такого устройства. Оно стало частью самой двигательной установки. За час на борту катамарана из 3,66 литра очищенной от примесей воды можно производить до 4 нормальных кубических метров (н.м³) чистого Н2.



Электролизер

Очищенную воду получают из морской тоже прямо на борту Energy Observer. Для опреснения 90 литров питьевой воды требуется затратить 250 Вт электричества. Из них 30 литров используются для электролиза и получения Н2, который поможет снова выработать электричество.



Опреснитель

За 2018 год установка для электролиза проработала около 1,5 тысяч часов и произвела 488 кг Н2. Выход продукта оказался на уровне 42%.

Одновременно на борту Energy Observer может храниться до 63 кг Н2.

Цитировать
На суше этого было бы достаточно, чтобы в течение 40 дней полностью обеспечивать электричеством быт семьи из 4 человек, живущей в доме площадью около 140 м².

Хватило бы даже на электрическое отопление. Тепло, которое выделяется во время работы двигателя, на Energy Observer используют для обогрева кают и нагрева воды.

Кроме водородного двигателя на борту Energy Observer также установлены солнечные батареи и пара автоматизированных поворотных жёстких парусов-крыльев Oceanwings от дизайн-студии VPLP. Общая площадь солнечных батарей превышает 200 м², а площадь каждого паруса — более 31 м². Также электричество на катамаране получают от гидрогенераторов, использующих силу океанского течения.



Вид из кокпита на солнечные панели до установки парусов

Мощность двух двигателей Energy Observer — 115 л.с. Оптимальная скорость для этого катамарана — 4,5 узла. При дальнейшем разгоне энергопотребление начинает расти экспоненциально. Максимальная скорость, которую развивало судно — 12,7 узла.

Planet Solar/Race for water



В Париже в 2015 году

Небольшой водородный двигатель также использует и самый большой в мире катамаран, работающий на солнечной энергии — 35-метровый Planet Solar.

В отличие от Energy Observer это судно сразу создали таким, каким его можно видеть сейчас. Ещё в 2004 году швейцарский путешественник Рафаэль Домжан (Raphaël Domjan) задумал кругосветное путешествие, во время которого он мог бы пропагандировать «зелёные» технологии.



Рафаэль Домжан

Четыре года спустя, в 2008 году, благодаря финансированию немецкого предпринимателя Иммо Штоэра (Immo Ströher) и новозеландскому морскому архитектору Крейгу Лумсу (Craig Loomes) в Киле началось строительство катамарана для этого проекта. На работы ушло 2 года, и весной 2010 года Домжан отправился двухлетний тур.



Race for water

Сейчас для команды катамарана близится к завершению вторая кругосветка под названием «Race for water» («Гонка за воду»). C 2015 года и само судно носит такое же название. Во время остановок экипаж рассказывает о способах использования пластика для получения электроэнергии. Экспедиция началась в 2017 и должна продлиться до 2021 года.



Команда отстаёт от графика. Катамаран до сих пор остаётся в Японии

Около 70% времени Planet Solar движется со средней скоростью 4 узла за счёт электромотора, аккумуляторы для которого заряжают солнечные батареи общей площадью более 500 м². Когда нужно разогнаться до 8 узлов или просто пополнить запасы энергии, Planet Solar тянет 40-метровый парус-кайт, который выпускают на высоту до 150 метров.



Солнечные панели занимают практически всю палубу

200 кг Н2 хранятся на борту в виде 25 баллонов с сжатым газом.

Их можно превратить в примерно 2600 кВт электричества — в 4 раза больше, чем хранят бортовые аккумуляторы.

Только на Н2 катамаран может непрерывно идти в течение 6–7 дней со скоростью 5 узлов, даже если нет солнца. Но это скорее вариант на крайний случай. С апреля 2017 года на передвижения за счёт Н2 пришлось менее 20% времени.

Как и на Energy Observer, пополнять запас Н2 команда может самостоятельно прямо из морской воды.

OceansLab Фила Шарпа (Phil Sharp)



Н2 в качестве топлива интересен не только владельцам и производителям моторных яхт, но и тем, кому по душе парусники.

Британский яхтсмен Фил Шарп — двукратный чемпион мира в Class 40, установивший с 2016 года уже три мировых рекорда скорости. Но кроме этого он ещё и профессиональный инженер-механик. С 2019 года эти две ипостаси Шарпа объединены в его проекте OceansLab, который призван внедрить передовые «зелёные» технологии даже на яхты-участницы сложнейших океанских гонок, вроде кругосветных регат The Ocean Race и Vendee Globe. Первопроходцем Шарп в ближайшие годы надеется стать лично.

Благодаря Ocean Lab уже разработан водородный энергомодуль Genevos, который может заменить на парусниках дизельные генераторы, необходимые для работы электроники. При серийном производстве модули будут иметь мощность от 8 до 200 кВт. Работа над хранилищем для Н2 всё ещё продолжается.

Будущее уже здесь. Или всё-таки нет?

Водородные двигатели — не идеальная технология. Как и у любого другого устройства, у него есть свои сильные и слабые стороны.

Преимущества

  • Водород — самый распространённый химический элемент во вселенной.
  • Высокий КПД.

Водород лёгкий, а его энергоёмкость в 3 раза выше, чем у традиционных видов топлива.

  • Экономичность.

Начальник отдела главного конструктора направления водородной энергетики российского ЦНИИ СЭТ (Центрального научно-исследовательского института судовой электротехники и технологии) Михаил Касаткин в одном из интервью в 2019 году сравнил затраты на эксплуатацию техники, работающей на бензине и на Н2:

Цитировать
«Водород производится из природного газа стоимостью 6 рублей за 1 м³, стоимость одного кВт*ч электроэнергии в энергоустановке выходит порядка 1,5 рубля <…> Если говорить о грузовом транспорте, с бензином по 40–50 рублей за литр. Выходит, что грузовик тратит с учётом его КПД в среднем 16 рублей на 1 кВт*ч электроэнергии <…> В судостроении такая же стоимость. На судах будет большая экономия, если использовать водородную энергоустановку на топливных элементах. По моим расчётам, для установки мощностью 4 МВт при месячном плавании судно сэкономит 200 тонн горючего».

  • Экологичность.

Водородное топливо позволяет владельцу двигателя не вносить вклад в усиление парникового эффекта на Земле, ведь после его сгорания не образуются ни метан (СН4), ни углекислый газ (СО2), ни оксиды азота (NOx). Это качество становится всё более важным, по мере того, как ужесточаются нормативы уровня выбросов от судовых двигателей.

  • Двигатели, работающие на Н2, практически бесшумны.
  • Срок службы водородной топливной ячейки ощутимо выше, чем у традиционного электроаккумулятора: не 3–5, а 8–10 лет.
  • Потенциально большая автономность, чем у электродвигателя.

Поскольку о дальности хода судов пока что судить сложно, сравним автомобильные параметры. Электрокар на одной зарядке может проехать максимум 610 км (Tesla Model S). В то же время, например,Toyota Mirai второго поколения с двигателем, работающем от водородных топливных элементов способна преодолеть уже до 650 км. И это значение не зависит от температуры окружающей среды.



Tesla Model S



Toyota Mirai

Впрочем, массово обычные электродвигатели (по крайней мере пока) превосходят водородные.

«На мой взгляд электроустановки имеют больший потенциал развития и эффективности. На данный момент у водородных двигателей нет преимуществ перед электродвигателями. Запас хода, цена заправки, безопасность, мощность и разгон — везде выигрывают электромоторы по сравнению с водородными машинами. Единственный плюс — это очень быстрая заправка. Да и когда изобретут более быстрый метод заправок электрических автомобилей, то водородные авто отойдут на 2 план», — считает дизайнер, руководитель «ANGSTROM BUREAU — дома на понтонах» Станислав Азаров, которого itBoat попросил оценить перспективы использования водородного топлива в яхтенной индустрии.

Сам Станислав также сделал ставку на разработку именно электрических, а не водородных двигателей для водного транспорта.

  • Двигатель на водородных топливных элементах весит меньше, чем аналогичный электродвигатель, позволяющий без подзарядки пройти такое же расстояние.

Ещё более ощутима разница между объёмами хранилищ энергии, которые необходимо иметь на борту. Насколько отличаются эти параметры показывает, например, сравнительная таблица из доклада президента компании H2Gen Innovations Сэнди Томас (Sandy Thomas), опубликованного на сайте Министерства энергетики США.



Сравнение характеристик автомобилей с электродвигателем (Battery EV) и двигателем на водородных топливных элементах (Fuel Cell EV).

Недостатки

  • Газообразный Н2 взрывоопасен.

Повреждение хранилища для сжиженного водорода и начало его испарения (для этого достаточно температуры +7°C) поставит судно под угрозу. Смесь Н2 и О2 не зря называют «гремучим газом». Она крайне взрывоопасна. Самовоспламениться гремучий газ даже при нормальном атмосферном давлении может от малейшей искры. Сгорает он мгновенно, с хлопком, как будто взрываясь.

Цитировать
«В случае маленькой утечки, можно остаться посреди океана без топлива моментально», — предупреждает Станислав Азаров

При этом Н2 не имеет ни цвета, ни запаха, да ещё и способен проникать прямо через стенки ёмкостей, в которых хранится. Обнаружить его утечку крайне сложно.

  • Инфраструктуры для заправки Н2, а тем более для заправки судов, развита пока что чрезвычайно слабо.

По данным на 2019 год в мире насчитывалось всего около 300 заправочных станций на 5000 единиц транспорта, работающего на Н2. К 2030 году число зарядок планируется увеличить примерно на порядок. Строительство каждой такой станции потребует в среднем $1 миллиона.

Цитировать
«Если мы говорим о береговой заправке, то нужна сеть таких заправок, что требует колоссальных инвестиций в самые разные страны и отдалённые регионы. И именно это является одним из главных столпов, почему водородная технология так медленно развивается в сфере автомобилестроения», — считает Станислав Азаров.

  • Промышленное производство Н2 — это либо дорого, либо неэкологично.

По мнению Станислава Азарова, самый важный фактор, мешающий широкому внедрению водородных технологий — это высокая стоимость получения Н2, а также комплектующих для его хранения и транспортировки.

Цитировать
«Транспортировка и хранение газа требуют использования дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов, а водная среда очень динамична и нестабильна», — говорит эксперт.

Нельзя сказать, что способов получения H2 в промышленных масштабах сегодня не существует. Он широко используется при производстве множества органических веществ, необходимых в самых разнообразных областях: от пищевой промышленности (маргарин) до космической отрасли (ракетное топливо).

Самый дешёвый и хорошо отработанный метод промышленного получения водорода — из метана, который в свою очередь получают из природного газа или угля. Так в мире выделяют более 68% H2, в то время как на электролиз приходится только 5%.

Однако трансформация метана связана со значительными выбросами СО2. «Углеродный след» (совокупность всех выбросов парниковых газов при производстве) Н2 на основе метана из природного газа сопоставим со следом природного газа. А для Н2, полученного из «угольного» метана, эта цифра в 2,5 раза больше.

В то же время себестоимость «зелёного» Н2, полученного посредством электролиза, в 2–5 раз выше, чем у того, который получен из природного газа. Электролиз с использованием электричества, полученного от возобновляемых источников энергии — пока что самая дорогая технология производства Н2. Сейчас максимальные затраты на получения таким методом 1 н.м3/ч составляют почти €9000.

Источник
« Последнее редактирование: 30.11.2020, 20:29:47 от bigbird »

 


* Интересно почитать

* Поиск по сайту


* Последние сообщения

topic «Такие дети могут и должны ходить в море!»
[Образ жизни]
Craus
27.01.2021, 21:14:22
topic Эксперты прогнозируют падение уровня Каспия на четверть до конца столетия
[География]
Craus
27.01.2021, 21:06:43
topic Почему путешествие на яхте — это всегда приключение
[Образ жизни]
Craus
26.01.2021, 21:45:38
topic УЦ «Парусная Академия» приглашает семинары по метеорологии, навигации и гонкам
[Машинный телеграф]
Craus
26.01.2021, 21:43:10
topic Крейсерство адмирала де Сюффрена
[История]
Craus
25.01.2021, 22:47:16
topic Новая верфь во Франции
[Техника]
Craus
24.01.2021, 18:15:45
topic Новый игрок на рынке «умных» электрических панелей для лодок
[Техника]
Craus
24.01.2021, 18:12:59
topic Что такое адаптивный спорт
[Регаты и Матч-рейсы]
Craus
24.01.2021, 18:10:18
topic The Longest Johns "Between Wind and Water"
[Машинный телеграф]
bigbird
24.01.2021, 16:54:57
topic В Польше планируется построить марину стоимостью 13,5 млн.долларов
[География]
Craus
22.01.2021, 20:16:05
topic Пиратский меч Востока
[История]
Craus
22.01.2021, 20:14:32
topic Марк Ван Петегем: «Мы – на переднем крае!»
[Техника]
Craus
21.01.2021, 18:34:55

* Двигатель торговли

* Активные авторы

Craus Craus
3205 Сообщений
bigbird bigbird
2335 Сообщений
Grumete Grumete
389 Сообщений
root root
269 Сообщений
Xollms Xollms
66 Сообщений

* Кто онлайн

  • Точка Гостей: 39
  • Точка Скрытых: 0
  • Точка Пользователей: 0

Нет пользователей онлайн.

* Календарь

Январь 2021
Вс. Пн. Вт. Ср. Чт. Пт. Сб.
1 2
3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 [28] 29 30
31

Нет ближайших событий.

* Ваша Реклама

Здесь может быть Ваша реклама!

* Мы на Pinterest

SMF spam blocked by CleanTalk
Защита SMF от спама от CleanTalk
SimplePortal 2.3.6 © 2008-2014, SimplePortal