На пирсе возле центрального железнодорожного вокзала Амстердама пассажиры садятся на борт IJveer 61 . Приземистый паром пересекает набережную, доставляя пассажиров из исторического центра города в район Норд. Под их ногами два электродвигателя перемещают паром через серо-зеленые воды, питаемые 26 литий-ионными полимерными батареями и парой дизельных генераторов.

Гибридные суда, такие как IJveer 61, становятся все более распространенными в Нидерландах, где официальные лица настаивают на ограничении токсичного загрязнения воздуха и сокращении выбросов парниковых газов в морском секторе. Патрульные суда и рабочие суда все больше переходят на батареи и используют меньше топлива на нефтяной основе; то же самое можно сказать о лодках с подъемными кранами, которые собирают велосипеды со знаменитых каналов Амстердама.

Некоторые из этих судов перезаряжаются в нерабочее время за счет подключения к электросети порта. На других лодках дизельные генераторы подзаряжают батареи во время работы. По словам Вальтера ван дер Пеннена из EST-Floattech , голландской компании по хранению энергии, которая наблюдала за установкой гибридной системы серии IJveer 61 , по мере расширения инфраструктуры порта все больше судов смогут полностью отказаться от дизельного топлива .

«Следующий шаг - отказаться от гибридов», - сказал он мне в один дождливый полдень из кафе с видом на водный путь. «Для всех судов здесь идеально подходит переход на полностью электрический».

Тем временем на соседней верфи другая компания строит то, что она называет «кораблем Tesla» - полностью электрическую речную баржу, похожую на Model 3 для мореплавания. Его производители из голландского производителя Port-Liner планируют завершить в этом году пять небольших барж и две большие баржи, чтобы избавиться от дизельных и извергающих сажу версий в этом районе.

Эти голландские суда знаменуют собой начало гораздо более масштабной трансформации энергии, охватившей мировую морскую судоходную отрасль. По мере роста выбросов и усиления экологической политики судоходные компании и инженеры ускоряют разработку так называемых технологий с нулевым уровнем выбросов - категории, которая включает массивные аккумуляторные блоки и топливные элементы, работающие на водороде или аммиаке. Сотни крупных грузовых судов также переходят на сжиженный природный газ, который производит менее токсичное загрязнение воздуха, чем типичное морское «бункерное топливо», и широко считается ступенькой на пути к полной декарбонизации.

«Это был путь для судоходной отрасли, но сейчас существует широкое понимание и согласие с тем, что необходимо что-то делать» в отношении изменения климата, - говорит Кэтрин Палмер , менеджер по глобальному устойчивому развитию компании Lloyd's Register . «Теперь нужно выяснить, что это за« что-то »».

В отличие от транспортных средств и электростанций, грузовые корабли остаются вне поля зрения большинства из нас. Тем не менее, морские перевозки являются стержнем нашей современной экономики, перевозя около 90 процентов всех товаров, продаваемых в мире, включая футболки, бананы и смартфоны, а также лекарства, топливо и даже домашний скот. По данным торговой статистики Организации Объединенных Наций, около 93000 контейнеровозов, нефтеналивных танкеров, балкеров и других судов сейчас курсируют по мировым водным путям, доставив в 2016 году около 10,3 миллиарда метрических тонн товаров. Это в четыре раза больше, чем в 1970 году.


Создано лондонской студией визуализации данных Kiln и UCL Energy Institute.
Товары со всего мира : Самый загруженный морской торговый путь в мире - это путь из Азии в Северную Америку. Другие популярные маршруты соединяют Азию с Северной Европой, Средиземным морем и Ближним Востоком.
Почти все грузовые суда используют дизельные двигатели внутреннего сгорания для вращения гребных винтов, а также дизельные генераторы, питающие бортовые системы освещения и оборудование связи. Многие суда до сих пор используют тяжелое бункерное топливо - вязкий углеродоемкий нефтепродукт, оставшийся в процессе переработки сырой нефти.

В результате, по данным Международной морской организации (IMO), органа ООН, регулирующего отрасль , на морское судоходство приходится значительная доля - около 2–3 процентов - ежегодных выбросов углекислого газа . Однако без контроля эта доля может вырасти до 17 процентов глобальных выбросов углерода к 2050 году, поскольку торговля увеличивается, а другие отрасли сокращают свои углеродные следы,  сообщил Европейский парламент [PDF] в отчете за 2015 год.

В условиях возрастающего давления на борьбу с изменением климата ИМО предприняла шаги по ограничению выбросов, в том числе потребовала от вновь построенных судов соответствовать руководящим принципам энергоэффективности. В апреле регулирующие органы приняли историческое соглашение о сокращении выбросов парниковых газов от судоходства как минимум на 50 процентов к 2050 году по сравнению с уровнями 2008 года. Тем не менее, чтобы соответствовать целям Парижского климатического соглашения по удержанию глобального потепления на уровне «значительно ниже» 2 ° C по сравнению с доиндустриальными уровнями, отрасль должна пойти еще дальше, сократив свои выбросы до нуля к середине века. Это означает, что все суда, от небольших паромов до морских грузовых судов, должны принять системы с нулевым уровнем выбросов в ближайшие десятилетия, согласно исследовательскому консорциуму, состоящему из крупных судоходных компаний и академических институтов.

Многие судостроители и судовладельцы до сих пор не уверены в возможности такого ремонта. Но Палмер и другие исследователи говорят, что уже существуют технологии для достижения этой трансформации чистой доставки. По ее словам, сейчас задача состоит в том, чтобы «сделать эти технологии экономически целесообразными, а также иметь возможность масштабировать их».

Чтобы заглянуть в будущее судоходства, я посетил Hydrogenics , одного из крупнейших мировых производителей водорода и производителей топливных элементов, в его штаб-квартире недалеко от Торонто.

Эксперты в области судоходства считают водородные топливные элементы лидером в области технологий с нулевым уровнем выбросов на более крупных судах дальнего плавания. Вкратце, топливные элементы получают свой заряд не за счет подключения к стене, как батареи, а за счет водорода. Имея бортовое хранилище водорода, топливные элементы могут вырабатывать электроэнергию во время большинства поездок. Сегодняшние батареи, напротив, не могут проехать очень далеко, не остановившись для зарядки - а это невозможно, если корабль находится посреди океана.

Грузовые суда «просто слишком энергоемкие, а время работы слишком велико» , - говорит мне Райан Сукху , директор по развитию бизнеса Hydrogenics. «Когда мы смотрим на морское пространство, мы видим в нем естественного приспособления [топливных элементов]. Есть только определенные технологии, которые могут быть реализованы ».

Hydrogenics установила свои топливные элементы в автобусах, поездах, автомобилях, четырехместном самолете, скоростных катерах и исследовательском судне в Турции. В последние годы компания установила партнерские отношения с департаментами энергетики и транспорта США и Sandia National Laboratories, чтобы построить и испытать систему топливных элементов, которая в конечном итоге может привести в движение грузовое судно.

Сукху ведет меня через обширное крыло исследований и разработок компании, через черный ход и прямо под дождь. Ярко-синий 20-футовый транспортный контейнер стоит на стоянке с надписью «Clean Power» белыми печатными буквами.

imgimg 
Фото: вверху: гидрогенизация; Внизу: ABB
Топливный ящик: Hydrogenics надеется, что его топливный элемент, который находится внутри транспортного контейнера [вверху], сможет обеспечить движение грузовых судов. Когда водородный газ поступает в ячейку, анод разбивает молекулы газа на ионы и электроны. Ионы проходят прямо на катод, но электроны блокируются мембраной и должны сначала пройти через цепь, производя электричество. Когда электроны, наконец, достигают катода, они воссоединяются с ионами, образуя воду [внизу].
Мы заходим внутрь. В дальнем углу четыре модуля топливных элементов мощностью 30 киловатт уложены на выдвижных полках, как компьютерные серверы на стойке. В другом месте контейнера находятся 15 цилиндрических резервуаров, заполненных сжатым газообразным водородом.

В том виде, в каком он настроен сейчас, синий контейнер работает как генератор. Но в отличие от своих дизельных аналогов, он не выделяет диоксида серы, оксидов азота или углекислого газа - только небольшое количество тепла и воды, которые выходят за борт контейнера, как туман в парной.

Топливные элементы состоят из трех основных компонентов: отрицательной стойки или анода; положительный столб или катод; и мембрана из полимерного электролита, чрезвычайно тонкий материал, напоминающий пластиковую кухонную пленку. Газообразный водород поступает на анод, где молекулы распадаются на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Мембрана позволяет положительным ионам проходить через нее в электролит, а оттуда на катод; электроны текут от анода через внешнюю цепь, производя ток. Наконец, на катоде электроны, возвращающиеся из цепи, воссоединяются с ионами водорода, выходящими из анода, и вместе с кислородом воздуха образуют воду.

В контейнере электричество, произведенное топливным элементом, перетекает в отдельную стойку силовых инверторов, которые изменяют мощность постоянного тока на переменный ток. Затем это электричество поступает в трансформатор, имеющий форму морозильного ларя, а затем к дюжине розеток на внешней стене. Батарея размером с чемодан, заряжаемая топливным элементом, запускает вентиляторы, которые охлаждают контейнер и выпускают водород, который вытекает из резервуаров.

Перед возвращением в Канаду, где был построен блок, эта система топливных элементов была испытана в порту Гонолулу. Гавайская судоходная компания Young Brothers использовала его для питания рефрижераторных контейнеров на берегу. В конце концов, говорит Сукху, Hydrogenics и Sandia планируют собрать эти компоненты в машинном отделении корабля для работы электродвигателей, приводящих в движение гребные винты.

Около двух десятков ранних проектов показали, что топливные элементы технически способны приводить в действие и приводить в движение суда. Самым известным из них является судно снабжения морских буровых установок Viking Lady , спущенное на воду в Копенгагене в 2009 году. Его топливный элемент с расплавленным карбонатом мощностью 330 кВт использует сжиженный природный газ вместо водорода.

Wärtsilä Corp., финский производитель, установивший гибридную систему Viking Lady , заявила, что ее основной задачей является установление одобренных в отрасли технических стандартов и процедур безопасности для первой в своем роде установки. (Отдельно ExxonMobil проверяет, могут ли топливные элементы с расплавленным карбонатом вырабатывать электроэнергию из выбросов электростанции.)

Хотя морские топливные элементы еще не были развернуты в больших коммерческих масштабах, недавнее исследование Sandia [PDF] предполагает, что морские суда могут реально работать с использованием существующих технологий водородных топливных элементов. Например, исследователи изучили Emma Maersk , мегаконтейнеровоз с дизельным двигателем мощностью 81 МВт, который обычно преодолевает около 5 000 морских миль (около 9 000 километров) из Малайзии в Египет. Основываясь на доступном объеме и массе двигателя и топливных отделений корабля, они обнаружили, что судно может поддерживать достаточное количество модулей топливных элементов и водородных баков для выполнения одного из этих дальних путешествий до необходимости дозаправки - по крайней мере, на бумаге.

Джозеф У. Пратт , соавтор исследования, говорит, что ожидал обнаружить, что системы топливных элементов просто не будут работать на больших судах или в более длительных путешествиях. Он думал, что по мере увеличения размера корабля количество требуемых топливных элементов, баков и оборудования для хранения станет слишком тяжелым или слишком большим, чтобы поместиться внутри судна.

«Самым большим сюрпризом было отсутствие предела», - вспоминает Пратт из Сан-Франциско, где он недавно основал Golden Gate Zero Emission Marine для обеспечения энергосистем на топливных элементах и ​​логистики заправки топливом.

Его команда также изучала батареи, которые оказались лучшим вариантом для мощных судов, совершающих короткие рейсы, таких как паромы или яхты. Если корабли могут перезаряжаться в точке A и снова в точке B, им не нужно нести резервуары для хранения водорода, что экономит место и вес. А батареи дешевле топливных элементов.

нулевой1/5
Гибридный IJveer 60 перевозит пассажиров и автомобили по Амстердаму вместе со своим паромом IJveer 61 . Фотография: EST-Floattach

Предыдущий
Следующий
Сукху говорит, что будущие грузовые суда с нулевым уровнем выбросов, вероятно, будут использовать обе технологии. Батареи могут обеспечить начальный всплеск электричества, который запускает электродвигатель и приводит корабль в движение - так же, как и автомобильный аккумулятор, - в то время как топливные элементы будут служить «расширителем диапазона», который вступает во владение, когда батарея разряжается.

Учитывая потенциал, почему больше строителей грузовых судов не отказываются от дизельного топлива и не переходят на топливные элементы?

Технология по-прежнему непомерно дорога, потому что топливные элементы еще не производятся серийно. По оценке Sookhoo, в пересчете на доллар за киловатт-час стоимость электроэнергии от топливного элемента примерно вдвое или втрое больше, чем от дизельного генератора.

Во-вторых, водородных заправочных станций мало и они неравномерно распределены по всему миру, в то время как бункерное топливо остается дешевым и повсеместным. Для успеха грузовых судов на топливных элементах портам необходимо будет подавать и хранить больше водорода, а производство водорода должно резко возрасти.

Почти весь водород, производимый сегодня, производится с использованием промышленного процесса, называемого паровым риформингом метана, который заставляет метан в природном газе реагировать с паром с образованием водорода и диоксида углерода. Однако, поскольку производство и использование природного газа приводит к образованию парниковых газов - таким газом является сам метан, - лучший способ получения водорода для экологически чистого транспорта - это электролиз.

Этот процесс включает в себя расщепление воды на водород и кислород с использованием электричества, в идеале из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца. Число электролизных установок растет, особенно в Европе, богатой возобновляемыми источниками энергии, но еще не такими темпами, которые необходимы для снабжения десятков тысяч судов.

Наконец, морские власти только сейчас приступают к окончательной доработке кодексов безопасности и стандартов проектирования, которые будут регулировать строительство судов на топливных элементах и ​​заправочных станций. Пилотные проекты могут быстро адаптироваться к изменениям правил, но большие многомиллионные конструкции - нет. Эта нормативная неопределенность также усиливает осторожность, которую многие судоходные компании и портовые операторы относятся к водороду как источнику топлива.

иллюстрация Smil
Иллюстрация: MCKIBILLO
Улыбка говорит…
Бестопливным мегакораблям потребуется то, чего у нас пока нет: мегабатареи или мегатопливные элементы.
Щелкните здесь, чтобы увидеть комментарий Вацлава Смила ко всему специальному репортажу «Чертежи для чуда».
У многих людей слово «водород» до сих пор вызывает видение « Гинденбурга» , водородного дирижабля, который загорелся в 1937 году, когда водородные технологии были еще в зачаточном состоянии. «Все ссылаются на это», - говорит Сукху с намеком на разочарование. Однако современные водородные системы оснащены вентиляторами, датчиками и режимами автоматического отключения для предотвращения скопления и взрыва горючего газа.

Однако один сегмент судоходства охотно использует топливные элементы: круизные линии, которые сталкиваются с более жесткими ограничениями по качеству воздуха, чем другие морские компании. Многие круизные лайнеры и паромы не используют дизельные двигатели внутреннего сгорания. Вместо этого у них есть «дизель-электрические» силовые агрегаты. Дизельный двигатель приводит в действие электрогенератор, который, в свою очередь, приводит в действие большие электродвигатели. Поскольку и эта платформа, и топливные элементы основаны на электричестве, а не на сгорании, новую технологию легче интегрировать в существующие конструкции круизных лайнеров.

Осенью прошлого года компания Viking Cruises объявила о планах построить в Норвегии пассажирское судно вместимостью 900 футов, которое будет использовать топливные элементы, работающие на жидком водороде, в качестве основной силовой установки. Конкурент, компания Royal Caribbean Cruises , устанавливает топливный элемент на новом судне для подачи электроэнергии на борт, находясь в портах, с долгосрочной перспективой использования топливных элементов в качестве двигателя.

В то время как топливные элементы находятся на ранней стадии внедрения, количество судов с батарейным питанием неуклонно растет, особенно в Норвегии.

Скандинавская страна имеет большие карманы для инвестиций в новые морские технологии благодаря как ее суверенному нефтяному фонду, который в прошлом году превысил 1 триллион долларов США, так и налогу на выбросы с судов оксидов азота, которые являются мощными парниковыми газами и ключевыми ингредиентами кислоты. дождь. В регионе также имеется изобилие гидроэнергетики, которая может поддерживать большее количество станций зарядки аккумуляторов и предприятий по производству водорода.

Правительство Норвегии планирует иметь 60 полностью электрических паромов во фьордах в течение трех лет, цель, которую оно поставило после запуска в 2015 году MS  Ampere , первого коммерческого парома среднего размера, полностью работающего от батареи.

Ампер несет 10 метрических тонн литий-ионных батарей для питания двух электродвигателей, каждый мощностью 450 кВт. Паром полностью заряжает свои батареи за ночь, но заряжается каждый раз при стыковке в течение примерно 10 минут.

Во время испытаний эта система быстрой зарядки неоднократно нарушала работу небольшой местной электросети. Компания Siemens, разработавшая инфраструктуру зарядки, устранила проблему, разместив литий-ионную батарею большой емкости на каждом пирсе, что позволило Ampere быстро перезаряжаться от батареи, в то время как батарея постепенно заряжалась от сети.

Ампер был поворотным моментом для батареек судоходства, говорит Jostein Боген , глобальный менеджер по продукции для систем хранения энергии в морских порты и делении АББА . «Большой старт был дан в Норвегии, но теперь мы видим, что это происходит во всем мире», - говорит он из своего офиса в Осло, ссылаясь на проекты ABB по производству электрических кораблей в Китае, Турции и по всей Европе.

АББ недавно переоборудовала два дизельных парома, Tycho Brahe и Aurora , в крупнейшие в мире паромы с батарейным питанием. Суда, которые соединяют Данию и Швецию через пролив Эресунн, оснащены аккумуляторами мощностью 4,16 МВт и общей емкостью 8 320 кВтч, что эквивалентно 10 700 автомобильным аккумуляторам. Паромы быстро перезаряжаются на автоматизированных береговых станциях.

Этот проект оказался неудачным в середине 2017 года, когда возникла техническая проблема при подключении и отключении зарядных кабелей от судна при определенных условиях. По заявлению ABB, автоматизированная система была успешно протестирована в смоделированной заводской среде, но потребовалось дополнительное тестирование, чтобы убедиться, что она может надежно работать в реальных условиях.

После переноса спуска на воду Tycho Brahe судовой оператор HH Ferries в конце 2017 года начал работу на пароме как в полностью аккумуляторном, так и в гибридном режимах. ABB заявила, что продолжает вносить изменения в процедуры взимания платы.

Что касается контейнеровозов, танкеров и балкеров, которые вносят наибольший вклад в углеродный след судоходной отрасли, то до технологий с нулевым уровнем выбросов могут потребоваться годы. Но первые проекты с паромами и круизными лайнерами могут помочь убедить судостроителей и операторов в том, что топливные элементы, батареи и другие технологии являются жизнеспособными альтернативами, особенно там, где есть доступ к недорогим источникам энергии или когда операторы судов могут нести дополнительные расходы, связанные с каждый рейс к их цепочке поставок.

«У нишевых секторов есть возможность делать это и стимулировать инновации», - говорит Палмер из Lloyd's Register.