11 октября 2021

В Крыловском центре рассказали о первом российском судне на водороде

Яндекс Яндекс

В ближайшие месяцы Крыловский государственный научный центр (КГНЦ) должен представить Минпромторгу РФ технический проект первого российского судна с энергоустановкой на водороде.

Об особенностях водородной судовой энергетики, некоторых характеристиках и участниках инновационного проекта рассказал изданию Sudostroenie.info в ходе международной выставки "Нева-2021" начальник отдела главного конструктора направления водородной энергетики филиала ЦНИИ СЭТ Крыловского центра Михаил Касаткин.

Он напомнил, что в Крыловском центре накоплен значительный научно-технический задел по технологиям водородной энергетики. Во-первых, это производство водорода из углеводородного топлива (газа, дизельного топлива и других топлив).  
Во-вторых, хранение топлива. Это традиционно используемый компримированный водород в баллонах, хранение в связанном состоянии  в интерметаллидных накопителях, и другие перспективные технологии хранения, например в составе жидкостей и растворов, в криогенном состоянии. В-третьих, и это самое главное, чем владеет предприятие – технологии топливных элементов и энергоустановок на их основе. Мы занимаемся в основном твердополимерными топливными элементами (ТПТЭ), хотя владеем технологиями разработки других типов топливных элементов, например, твердооксидными ТЭ (ТОТЭ), по которым у нас также есть собственные разработки. Опытный образец стационарной  энергоустановки на основе ТОТЭ был создан в соавторстве с ИВТТ РАН (Черноголовка) в 2014 году.

Для транспортных применений наиболее предпочтительны твердополимерные топливные элементы в силу их эксплуатационных преимуществ, позволяющих работать при низких температурах (600С внутри топливных элементов) и высокой скорости изменения мощности (маневренности) в процессе работы (доли секунды). Транспортные энергоустановки на основе ТПТЭ просты и удобны в эксплуатации и наиболее распространены в мире.

– Судостроение является одним из направлений использования водородной энергетики на транспорте. Около двух лет назад в наш город заходило французское судно (катамаран Energy Observer – прим. ред.), в котором использовались последние "зеленые" технологии и технологии водородной энергетики. Там стоял электролизер, который позволял получать из воды водород на борту судна, запасать его в баки и использовать в качестве топлива в судовой энергоустановке на основе ТПТЭ, когда отсутствует ветер и солнце, которые в основном используются для выработки электроэнергии  для движения судна. Я беседовал с капитаном судна об опыте работы и эксплуатационным характеристикам энергоустановки на топливных элементах и понял, что надо продвигать водородные технологии на транспорт. Сразу мы не решились использовать водородные технологии на воде и решили попробовать на более традиционных видах транспорта, выбрали трамвай, - рассказал учёный.

С этой целью в 2019 году был заключен договор с СПб ГУП "Горэлектротранс" о порядке разработки действующего макетного образца трамвая с электропитанием от энергоустановки на топливных элементах для популяризации технологий водородной энергетики на транспорте. Макетный образец водородной энергоустановки сделали за счет средств предприятия,  интеграцию в трамвай выполнили совместно с партнерами. В результате получили представление о работе водородного трамвая, характеристики работы ЭУТЭ при эксплуатационных динамических нагрузках.

Проект водородного трамвая на насирящий момент завершён. Макет ЭУТЭ прошел стендовые испытания и в составе трамвая, на его базе планировалось организовать ОКР по созданию транспортных ЭУТЭ для трамвая или маневрового тепловоза, интерес к которым есть со стороны РЖД, речного прогулочного судна, грузовых автомобилей. После демонстрации в сентябре 2019 года, энергоустановку демонтировали и передали в Крыловский центр, а трамвай восстановили и пустили на линии Санкт-Петербурга как обычный трамвай с токосъемником.

Поскольку Крыловский центр все-таки научный центр судостроения, мы должны трансформировать водородные технологии на суда. Мы пошли следующим путем. Решили, что есть судно, есть энергетическая составляющая. Допустим, судно с электродвижением. Оно работает либо от аккумуляторов, либо от традиционных генераторов, которые работают на дизельном топливе или на сжиженном газе. Чтобы внедрить водородную технологию, надо убрать дизельный генератор и вместо него поставить универсальный функциональный модуль энергоустановки на топливных элементах.

Казалось бы, все просто. Разработай такой блок, вытащи традиционный генератор и поставь вместо него блок. И проблем нет. Но проблем очень много, потому что это новый вид топлива и новая энергетика. Водород как топливо и судовая установка на топливных элементах не сертифицированы для использования в России, хотя "водородные" суда широко применяется за рубежом. Преодолеть технические, административные и экономические трудности этого проекта – задача коллектива Крыловского центра.
 
Мы верим, что водородный транспорт на топливных элементах будет востребован в России, чтобы можно было не только производить водород и отправлять его за границу, но и развивать внутренний рынок потребления водорода. Это в первую очередь транспорт, работающий на топливных элементах: электробусы, трамваи, суда, автомобили, погрузочная техника на топливных элементах, а также автономная стационарная энергетика. Целый кластер техники можно перевести на водородное топливо, - отметил Михаил Касаткин

Он напомнил, что у техники на основе водородных технологий есть два серьезных отличия от аккумуляторов. Во-первых, отсутствие технологии утилизации аккумуляторов, в то время как с топливными элементами такие технологии есть, поскольку в ТПТЭ безопасно и экологически чисто утилизируются твердополимерные электролиты. Драгметаллы в виде платины легко трансформируется и перерабатывается. Весь металл (биполярные холодильные камеры, крышки) переплавляется, а сами мембранно-электронные блоки, сердце топливных батарей, могут сжигаться в замкнутом объеме, пепел уже химическим путем разваливается на драгметаллы и какие-то остатки, которые тоже можно связать и использовать в химической промышленности. Повторно, конечно, электролит из них не сделаешь, но драгметаллы на 90% можно сохранить. Это к вопросу, хватит ли на всех платины.

Во-вторых, емкость аккумуляторов пропорциональна их объему и весу. Чтобы набрать большую емкость аккумуляторов, аккумуляторная батарея приобретает очень большие размеры. С водородом совсем другая ситуация. Здесь генерация и хранение разделены, поэтому 10-тонный блок генерации для судна водоизмещением несколько тысяч тонн мало влияет на запас топлива в 200-300 тонн. В аккумуляторах это просто невозможно сделать. Водородная генерация сопоставима с обычным двигателем на жидком топливе.

Плюс, для больших судов - водородное топливо можно получать прямо на борту паровой конверсией тех же углеводородов. Выбросы пр этом будут, но они в десятки раз меньше чем при работе обычного дизельного двигателя.
 
Немаловажно также, что поскольку при работе топливных элементов существует саморегулирование нагрузки (на долевых и на номинальных режимах), то потребление водорода на киловатт мощности примерно одинаковое. Это тоже привлекательно. Не надо регулировать нагрузку и генерацию. Саморегулирование системы происходит за счет активности химической реакции самих топливных элементов.

Проектированием судна занимается ЦКБ "Балтсудопроект", входящее в качестве филиала в Крыловский центр. Проектированием универсального функционального модуля на топливных элементах занимается специально созданное в Крыловском центре подразделение, которое называется научно-производственный комплекс (НПК) "Водородная энергетика". Это отдельное подразделение Крыловского центра, трансформированное из направления водородной энергетики филиала "ЦНИИ СЭТ", а филиал "ЦНИИ СЭТ" выступает как проектант системы электродвижения, системы автоматики и преобразования тока для универсального функционального модуля. Поскольку все эти подразделения одного предприятия, то вопросы решаются быстро и оперативно. Эксплуатант судна пока не определен, возможно, это будет компания "Нева Тревел", с которой Крыловский центр два года назад заключил соглашение о взаимодействии при продвижении технологий водородной энергетики для водного транспорта.

В ноябре 2021 года должен быть сдан технический проект. В 2023 году судно должно быть на воде. К этому же времени должна быть береговая заправочная инфраструктура, должны быть решены все вопросы сертификации и разрешительной документации для эксплуатации судна.

– Сейчас ведутся переговоры с "Трансмашхолдингом" по оснащению железнодорожной техники для Сахалина. Также мы сотрудничаем с Уфимским троллейбусным заводом, с которым у нас есть предварительный договор. В рамках договора этот модуль может быть использован и на троллейбусе. Так что возможности применения модуля на транспорте достаточно широкие, - сообщил Михаил Касаткин.