В Крыловском центре рассказали о первом российском судне на водороде

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 порталу Sudostroenie.info рассказал в ходе международной выставки "Нева-2021" начальник отдела главного конструктора направления водородной энергетики филиала ЦНИИ СЭТ Крыловского центра Михаил Касаткин.

– Михаил Алексеевич, какими наработками обладает КГНЦ в области водородной тематики?

– 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 наше 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.

– Как водородная энергетика может применяться в судостроении?
 
– 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.

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. Да, это больше была рекламная акция, чтобы обратить внимание на водородные технологии, которые могут быть применены безо всякого экологического ущерба, да еще и с прибылью для города.

– На каком этапе сейчас находится проект водородного трамвая?

– Проект завершен. По договору мы должны были сделать макетный образец ЭУТЭ в составе типового трамвая ЛМ68М2, а фактически лабораторию на колесах, проверить технические требования, которые мы закладывали в этот проект и получить результаты. 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.

– Изначально так и предполагалось?

– Да, так и планировалось. Потому что мы понимаем, что никакого продолжения при переоборудовании старых трамваев новейшей водородной энергетикой не получится. Для этого нужна специальная конструкция трамвая, полностью отвечающая требованиям по безопасности пассажиров, технологичности и красоте дизайна. Все должно быть продумано, сертифицировано, дешево и, самое главное, окупаемо для города. Тогда это будет полезно.

– После трамвая дело дошло до судна..

– 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.
 
– Какие преимущества дает переход на водород?

– Прежде всего, экологичность и экономичность эксплуатации.  При работе топливных элементов нет никаких выбросов, а выделяется только дистилирвоанная вода, которую тоже можно использовать в цикле.

Далее – высокая эффективность. Нет передаточных звеньев при преобразовании химической энергии топлива в электроэнергию, как в традиционных двигателях внутреннего сгорания. Нет механических движущихся частей. Эффективность водородной генерации составляет 50-60%, в то время как из дизеля можно получить на номинальном режиме КПД не более 35%. На выработку одного кВт*ч электроэнергии тратится не более 50 – 60 г водорода при КПД 45-60% (для ТПТЭ).
 
– Схожие задачи выполняют аккумуляторы. В чем отличия?

– 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 там будут, конечно, 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.

Вот основные преимущества водородной энергетики.
 
– А что касается недостатков?

– Они, разумеется, тоже есть. Водород с воздухом – это взрывоопасная субстанция. Сам водород не взрывается, просто горит. К тому же, водород, как любой сжиженный газ, представляет опасность и подлежит технадзору, специальной сертификации. В зависимости от класса судна нужно получать разрешение морского или речного регистра. Эти вопросы пока у нас не решены.

– Когда появится первое российское водородное судно?

– В этом году мы заключили контракт с Минпромторгом на выполнение ОКР. По нему мы должны спроектировать и изготовить судно, оснащенное универсальным функциональным модулем на топливных элементах, системой электродвижения, системой хранения водорода и всеми системами безопасности, позволяющими классифицировать это судно для использования в акваториях Санкт-Петербурга.
 
– Это будет речное судно?

– Да, это будет прогулочно-экскурсионное судно пассажировместимостью порядка 12-15 человек. Номинальная электрическая мощность универсального функционального модуля УФМ-ЭУТЭ, включая мощность на собственные нужды, выдаваемая от БТЭ блока энергетического должна быть не менее 70 кВт (будет уточнена при разработке технического проекта). Это будет небольшой катер с двумя винтами. Точные характеристики пока не определены.

– Какие организации привлекаются для выполнения ОКР? Как будут распределяться между ними обязанности?

– 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.

– Когда должен быть представлен какой-то результат?

– 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.
 
– Вы уже взаимодействуете с Российским Речным Регистром?

– С Речным Регистром мы уже провели первые переговоры и поняли, что для сопровождения проекта ничего нет, поэтому будем учится вместе по ходу выполнения проекта. Мы подготовили технические требования для разработки технических условий. Думаю, что эту работу РРРС поручат нашим специалистам, и где-то в течение двух лет  мы сможем  подготовить технические условия для надзора и сопровождения строительства прогулочно-экскурсионного судна с энергоустановкой на топливных элементах.
 
– На этом судне предполагается дизель-генератор в качестве аварийного источника?

– Нет, будут использоваться аккумуляторы увеличенной емкости. Аккумуляторы и так требуются для работы универсального модуля, но их емкость будет увеличена до того объема, который позволит причалить к берегу и эвакуировать пассажиров в случае непредвиденных обстоятельств.
 
– Как будет храниться водород на борту?

– В компримированном виде в композитных баллонах под давлением 400 или 700 атмосфер. Запас водорода в этих баллонах будет рассчитываться из условий эксплуатации, после того, как будет определен маршрут и акватория, где будет эксплуатироваться судно.
 
– Техпроект означает, что уже известны поставщики ключевого оборудования. Что можно о них сказать?

– В проекте будет использоваться главным образом продукция отечественных производителей. Это касается и судна и электродвигателей, и движителей и прочего оборудования. Вся импортная продукция, без которой мы не можем обойтись, должна быть обоснована и использоваться только с разрешения заказчика. Это касается и состава батарей топливных элементов и оборудования универсального функционального модуля.
 
– У первого российского водородного судна будут принципиальные отличия от тех решений, которые применяются за рубежом?

– Пока что мы планируем максимально использовать опыт зарубежной постройки, чтобы не двигаться по ложному пути. У коллег есть как положительный, так и отрицательный опыт. Все это будет учитываться. Для этого сейчас мы проводим аналитику.
 
– Где будете брать водород?

–Оборудование для водородной заправочной станции будем закупать у партнеров. Скорее всего, водород будет производиться электролизом из воды.
 
– Новое судно будет представлять собой демонстратор технологий или уже просчитывается коммерческая составляющая?

– Давайте начнем с демонстратора. На данном этапе экономической отдачи никак не получится: окупить 634 миллиона рублей на 12 пассажирах очень сложно. В технико-экономическом обосновании будет проанализирована стоимость и продолжительность подготовки и освоения серийного производства, ориентировочная полная стоимость жизненного цикла образца, сравнительные технико-экономические показатели разрабатываемого образца и лучших образцов аналогичного типа (российских и зарубежных), намечены мероприятия по улучшению характеристик и удешевления продукции до уровня мирового рынка.
 
– Судовая энергоустановка на водороде будет масштабируемой? Из 70 кВт можно сделать 70 МВт?

– Как раз для этого и создается такой демонстратор технологий. Универсальный функциональный модуль, во-первых, сам масштабируется как единица. Во-вторых, эту единицу в перспективе можно сделать более мощной.
 
В свое время мы предлагали для "Маринета" сделать модуль на 450 кВт и уже набирать далее необходимую мощность судовой энергоустановки. Такими модулями можно оснащать средние суда, а затем выйти на более мощные объекты, но это определяется экономической целесообразностью и политической ситуацией текущего момента. Если в порты европейских стран перестанут пускать суда с дизельными двигателями, то жизнь заставит перейти на технологии, либо аккумулятор, либо топливный элемент. Никуда не денешься.

– У водородной энергоустановки есть какие-то ограничения? Например, по температурному режиму эксплуатации?

– Сейчас в мире выпускаются энергоустановки, для которых заявляется рабочий диапазон от минус 30 до плюс 50 градусов.
 
При этом есть вопрос, который надо решить и продумать – это присутствие влаги в топливных элементах. Для этого после каждой эксплуатации батарея тщательно продувается азотом. Это еще одна дополнительная система, которая обязательно должна присутствовать в составе установки. Для этого на борт берется один баллон азота.

– Универсальный функциональный модуль может использоваться в корабельной энергетике?

– Несомненно. Энергетика корабля и судна принципиально не отличаются. Просто требования к корабельному модулю будут совершенно другие, более жесткие и более специализированные.

– На каких других видах транспорта может использоваться водородный модуль?

– 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.
 
Беседовал Александр Полунин