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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
Acionna
Самый масштабный концепт мегаяхты, использующей Н2 в качестве топлива — 175-метровый восьмипалубный проект Acionna. В сентябре 2018 года его во время Monaco Yacht Show представил британский дизайнер Энди Во (Andy Waugh). Но пока что проект не получил продолжения.
Energy Observer и Planet Solar уже доказали, что водородные двигатели позволяют путешествовать по воде даже вокруг света. Acciona тоже будет рассчитана на длительные круизы.
Главное препятствие для реализации проекта -отсутствие в мире инфраструктуры для заправки такого судна.
«Планируется строительство всего нескольких морских водородных заправок. Но пока суда, подобные этому, не строят, спрос на водород и не будет повышаться. Выхода из тупика с курицей и яйцом не будет. Строительство водородных заправок экономически невыгодно, пока на них нет спроса от множества лодок, работающих на водороде», — говорит Во.
О том, будут ли Н2 хотя бы частично генерировать прямо на борту, пока что ничего не говорится.
Aqua
Ровно через год после презентации Acciona, во время выставки Monaco Yacht Show 2019 публике представили ещё один концепт мегаяхты на Н2. 112-метровая Aqua уступает Acciona по длине, зато обладает ещё более впечатляющим дизайном экстерьера. Его лодке подарила голландская студия Sinot Yacht Design & Architecture.
За морскую архитектуру и инженерные расчёты в команде проекта отвечает студия Lateral Naval Architects. Для питания как двигателя, так и всех электросистем на судне будут использоваться и топливные элементы, и сжиженный Н2. Храниться он будет при температуре -253 градуса по Цельсию в двух 28-тонных вакуумных резервуарах. На продумывание всех деталей у специалистов ушло 5 месяцев.
Ожидается, что без дозаправки Aqua сможет проходить до 3750 морских миль со средней скоростью 10–12 узлов. Максимальная скорость составит 17 узлов — почти 5 узлов больше, чем сейчас может показать Energy Observer, который в 3,7 раза меньше чем Aqua.
Практически сразу после презентации проекта поползли слухи, что строительство яхты заказал основатель Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates).
Говорили, что он якобы выделили на строительство $650 миллионов. Однако Sinot опровергла все эти сведения, заявив, что Aqua остаётся концептом в стадии разработки и не была продана ни Гейтсу, ни кому либо ещё.
Waterecho
Знаменитый норвежский дизайнер и морской архитектор Эспен Ойно (Espen Øino) за последние пару лет спроектировал как минимум две яхты на Н2. Обе они, безусловно, достойны упоминания в этой подборке.
Начнём с лодки побольше — 65-метровой Waterecho, которую мастер разработал совместно с итальянской верфью VSY и дизайн-студией Dante O. Benini & Partners Architects. Проект представили осенью 2018 года.
От Aqua и Acciona эту Waterecho отличают не только размеры, но и более реалистичный подход к возможности реализации проекта. VSY делает серьёзный упор на экологичность, но водородный двигатель на топливных элементах на этой яхте скорее приятное дополнение, чем ключевая характеристика. Хотя у верфи заключён договор с Siemens и Регистром Ллойда, который позволит адаптировать Waterecho под Н2, в спецификации яхты, опубликованной на сайте VSY, он не упоминается.
Вместо водородных двигателей в соответствующей графе указана пара обычных дизельных Caterpillar 3512 °C мощностью 2400 л.с. каждый, а для обеспечения электропитания планируется поставить дизельные генераторы (пусть и последнего поколения). На то, что дизель для Waterecho — основной вариант, указывает и упоминание системы очистки выхлопов для двигателей и генераторов.
Максимальная скорость (16 узлов) и запас хода (5000 морских миль на 12 узлах) также указываются для дизеля.
H2-Yachts
Швейцарская компания H2-Industries AG создала собственную систему выработки и хранения сжиженного Н2 — LOHC (liquid organic hydrogen carrier). В 2014 году студия H2-Yachts, являющаяся подразделением H2-Industries, представила концепт автономной 62,2-метровой яхты-эксплорера с вертикальным форштевнем, которая могла бы использовать эту технологию. Проект в течение четырёх лет разрабатывали совместно с испанским морским архитектором Михаэлем Стушем (Michael Stusch) и австрийской студией Motion Code: Blue, которая разработала яхту-субмарину Migaloo.
В качестве основной движущей силы предлагалось использовать пару валов с циклоидальной передачей Voith-Schneider (VSP) мощностью 500 кВт каждый. Предполагаемый объем резервуаров для генерации из воды и последующего хранения Н2 и заправки топливных элементов должен был достигать 250 тысяч литров.
По расчётам, этого яхте должно было хватить, чтобы без захода в порт проходить свыше 5000 морских миль.
Максимальная скорость судна достигала бы 13 узлов.
На крыше яхты планировалось установить выдвижные солнечные панели общей площадью 850 м², которые одновременно играли бы роль навесов от солнца. Энергия от них хранилась бы на шести аккумуляторах с общей ёмкостью 1 МВт.
Blue Angel
Ещё одним концептом яхты на Н2, представленным в 2019 году, стала 36-метровая Blue Angel от голландской студии Diana Yacht Design и бельгийской компании Exmar Yachting.
Предполагается, что исключительно водородные топливные элементы будут питать лодку во время коротких путешествий. Так Blue Angel может непрерывно идти со скоростью до 12 узлов до 18 часов.
А на более длинных дистанциях яхта будет гибридом, дополненным дизельными генераторами.
Hynova 40
В то время как остальные лодки по большей части остаются концептами, этот 12,2-метровый открытый катер от французской верфи Hynova Yachts готов открыть новую страницу в истории развития яхт на Н2 и стать первой серийной моделью такого типа. Действующий прототип планировалось представить на отменённой из-за COVID-19 выставке Cannes Yachting Festival 2020 года.
В общем-то этот проект — прямое следствие исследований, который последние годы вели на борту Energy Observer. Команда катамарана принимала в разработке Hynova 40 самое непосредственное участие.
Пара двигателей от Toyota, работающий за счёт топливных элементов, будут разгонять катер, рассчитанный на 12 человек, до 25–30 узлов.
Круизная скорость при этом составит 15–20 узлов. Предполагается, что у владельцев будет выбор между двигателями мощностью 150 и 210 кВт (203 или 285 л.с.) Одновременно на борту будет храниться до 30 кг Н2.
Судейская лодка для яхт-клуба Монако от Эспена Ойно
В 2019 году к Эспену Ойно обратились с просьбой разработать для Yacht Club de Monaco экологичную лодку для судей парусных соревнований. Инженерные расчёты для проекта провёл Дарио Кальзавара (Dario Calzavara).
В результате получился 12-местный алюминиевый 11,5-метровый катамаран, который можно будет использовать не только для регат, но и для выходов в море для наблюдения за морскими животными.
Основными двигателями будет пара электромоторов YASA мощностью 100 кВт (134 л.с.) каждый, которые будут получать энергию от солнечных батарей на крыше. За счёт них лодка сможет разгоняться до 17 узлов. При скорости 15 узлов заряда аккумуляторов хватит на 3 часа непрерывного движения. Дополнять электродвигатель будут паруса и система генерации Н2.
Предполагалось, что на воду катамаран спустят в 2020 году. Но, по-видимому, пандемия COVID-19 внесла свои коррективы. О том готовности лодки до сих пор нет никаких новостей.
Катамаран от Cheetah Marine
А вот другой, 9,95-метровый водородный катамаран от британской верфи Cheetah Marine прошёл ходовые испытания ещё в 2016 году. Работа над проектом шла три года. В окончательном варианте на борту были установлены подвесные двигатели Honda мощностью 135 л.с., которые работали не от топливных элементов, а на сжиженном газе. На тот момент это был один из первых, если не самый первый пример использования двигателя такого типа для лодки.
Во время ходовых испытаний катамаран прошёл 56 морских миль со средней скоростью 7–8 узлов. На максимуме лодка разгонялась до 12 узлов. На финиш катамаран пришёл даже на 3 часа раньше, чем ожидалось: вместо 12 часов путь занял 8. Из 15 кг Н2, которые были на борту, израсходовали только 6,6 кг, так что остатков хватило бы на ещё одно подобное плавание.
Для того, чтобы пройти такое же расстояние, используя двигатель, работающий на ископаемом топливе, потребовалось бы 32 литра топлива. 6,6 кг Н2 при этом соответствовали 25 литрам топлива.
Н2 для катера производили из морской воды на базе Cheetah Marine на острове Уайт. Для питания установки приспособили солнечные батареи.
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:
«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.
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.
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.
«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.
«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.
«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.
