Łodzie elektryczne z własną elektrownią? Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych w jachtingu

3 lutego 2020 | Biuletyn Techniki Jachtowej nr 4, Technika jachtowa

Wodorowe ogniwa paliwowe na przestrzeni ostatnich lat potwierdziły swoją użyteczność w różnych środkach motoryzacji. Są one obecnie stosowane w autobusach, pojazdach ciężarowych, wózkach widłowych i w pojazdach osobowych. Ich udział nieustannie rośnie od 2016 roku[1,2], kiedy to został zaprezentowany pierwszy seryjnie produkowany pojazd osobowy Toyota Mirai z napędem wykorzystującym ogniwa paliwowe jako źródło pierwotne energii w pojeździe (rys. 1). Dzisiaj ogniwa paliwowe znajdują coraz większe zastosowanie również w napędach jednostek pływających.

Rys. 1. Szacowana sprzedaż pojazdów z napędem wodorowym [1,2,3,4]

Wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem na Ziemi, jednak jego zastosowanie w celach energetycznych nie jest łatwe. Spowodowane jest to głównie przez to, że rzadko występuje on jako wolny pierwiastek. W większości spotykany jest w związkach chemicznych, połączony np. z tlenem (woda) lub z węglem (węglowodory). Obecnie produkowany wodór, mimo wzrostu zainteresowania sektora transportu, stosowany jest na niewielką skalę, a omawiane technologie stanowić będą prawdopodobnie przyszłe technologie stosowane w transporcie.

Dzięki rosnącemu sukcesowi stosowania ogniw paliwowych w motoryzacji lądowej, ogniwa paliwowe są obecnie implementowane również w napędach statków morskich. Zastosowanie tej technologii znacząco przyczyni się do eliminowania emisji gazów cieplarnianych do wody i otoczenia.

Obecna infrastruktura stacji tankowania wodoru w Polsce nie umożliwia stosowania tego rodzaju napędu, jednak już w 2021 roku planowane są pierwsze stacje tankowania, które firma Lotos wybuduje w Warszawie i Gdańsku[5]. Stacje te będą przeznaczone do tankowania autobusów, w które oba miasta chcą inwestować. Jak widać jednak z rysunku 2, poza granicami Polski stacje tankowania wodoru są liczniejsze i znajdują się często w okolicach portów. Istnieje jednak wiele możliwości alternatywnej produkcji wodoru, wybrane z nich zostaną przedstawione w dalszej części artykułu.

Rys. 2. Dostępne i planowane staje tankowania wodoru na obszarze Europy[6]

Rosnące zapotrzebowanie na energię cieplną i elektryczną jest związane ze wzrostem emisji wielu substancji szkodliwych dla środowiska. Ustalone do tej pory normy emisji spalin dotyczące głównie transportu drogowego zaczynają również obowiązywać transport wodny. Stosowane dotychczas technologie wytwarzania energii charakteryzują się dość niskimi wskaźnikami sprawności (rys. 3), osiągając zaledwie około 30-40% sprawności konwersji energii pierwotnej. Omawiane w artykule ogniwa paliwowe parametrem tym przewyższają obecnie eksploatowane silniki spalinowe.

Rys. 3. Porównanie sprawności systemów wytwarzania energii oraz typowe zakresy zastosowań różnych ogniw paliwowych[7,8]

Aby stosowanie wodoru stało się opłacalne konieczne jest opracowanie taniej, wydajnej i szybkiej metody jego produkcji – jest to podstawowy warunek, by wodór jako paliwo mógł zastąpić bieżące nośniki energii[9]. Istnieją różne metody produkcji wodoru, do najpopularniejszych z nich należą:

• Wykorzystanie źródła energii odnawialnej:
– elektroliza wody,
– termoliza (rozkład termiczny wody),
– fotoliza (fotoelektrochemiczne i fotokatalityczne metody rozkładu wody),
– metody biologiczne,
– gazyfikacja biomasy.

• Wykorzystujące paliwa kopalne:
– reforming metanu parą wodną,
– reforming benzyny,
– zgazowanie węgla.

Metodą, której potencjał może być najbardziej wykorzystany w technice jachtowej, jest elektroliza wody. To właśnie ta metoda zostanie szerzej omówiona w prezentowanej publikacji. Pozostałe sposoby wytwarzania wodoru wymagają budowy specjalistycznych rafinerii, a następnie wymagane jest zapewnienie transportu i odpowiedniej metody składowania wodoru do późniejszego jednostkowego tankowania w pojazdach. Możliwe jest również produkowanie wodoru przy użyciu małych i mobilnych systemów, jednak ich sprawność produkcji gazu będzie znacznie niższa. Należy pamiętać o tym, by wytwarzanie wodoru do celów energetycznych miało uzasadnienie ekonomiczne, które jest wtedy, gdy do jego produkcji wykorzystuje się energię odpadową (utylizacja odpadów) lub odnawialne źródła energii (słońce, wiatr, fale morskie). Wykorzystanie paliw kopalnych w procesie produkcji wodoru powoduje zużycie większej ilości energii, niż możliwe jest uzyskanie z wyprodukowanego wodoru, co skutkuje takim samym globalnym zanieczyszczeniem środowiska. Dla wszystkich produkowanych paliw (nośników energii) możliwe jest zdefiniowanie współczynnika ERoEI (Energy Returned on Energy Invested – zwrot energii wobec energii zainwestowanej), który definiowany jest jako różnica między nakładem energii koniecznej do wytworzenia innego źródła energii, a energią, którą możemy uzyskać z nowo otrzymanego źródła. W większości przypadków produkcji wodoru bez wykorzystania energii odnawialnej współczynnik ten wynosi około 0,8, tak więc z termodynamicznego sensu nie wykazuje on korzyści energetycznej. Jeżeli jednak produkcja wodoru odbywać się będzie z wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii, współczynnik ten wyniesie ponad 1.

Metoda elektrolizy wody może zostać zaimplementowana w technice jachtowej praktycznie na każdej jednostce pływającej. Elektroliza wody pozwala na otrzymanie wodoru o czystości przekraczającej 99,9%. W procesie elektrolizy wykorzystuje się energię elektryczną do rozbicia wody na jej podstawowe składniki: wodór i tlen. Sam proces jest nieskomplikowany i stosunkowo tani do przeprowadzenia, jego sprawność odznacza się na poziomie 60-70%. Pewne straty w układzie powstają wskutek wydzielania ciepła w układzie podczas przepływu prądu. W procesie produkcji wodoru (H2) wykorzystuje się elektrolizery (rys. 4).

Rys. 4. Schemat budowy pojedynczej komórki elektrolizera[10]

Pojedyncza komórka elektrolityczna składa się z: dwóch elektrod, oddzielającej je membrany oraz elektrolitu. W celu zwiększenia wydajności pojedyncze komórki łączy się w tzw. stosy. Najbardziej powszechne elektrolizery, różniące się rodzajem stosowanego elektrolitu to elektrolizery alkaiczne i PEM (Proton Exchange Membrane – z membraną polimerową wymiany protonów). Jako źródło wodoru należy stosować wodę o wysokiej czystości.

Wykorzystanie elektrolizerów na statkach, które energię elektryczną mogą pozyskiwać ze źródeł odnawialnych (panele solarne) może być metodą na „darmową” energię zarówno krótko- jak i długoterminową. W sytuacji, kiedy na statku mamy już zgromadzony lub wytworzony wodór, może on zostać wykorzystany do produkcji energii elektrycznej na potrzeby zarówno systemów pokładowych, jak i napędu. W celu ponownej przemiany wodoru w energię elektryczną należy użyć ogniw paliwowych.

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które zamienia energię chemiczną paliwa (wodoru) i utleniacza (tlenu) bezpośrednio w energię elektryczną. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych umożliwiają generację energii elektrycznej bez spalania paliwa i utleniacza, dzięki czemu proces wytwarzania energii pozwala na uniknięcie emisji szkodliwych związków. Ogólna zasada działania ogniwa paliwowego schematycznie została przedstawiona na rys. 5. Wodór ze zbiornika doprowadzany jest do anody, a tlen z otoczenia do katody ogniwa paliwowego[7,11–13]. Katalizator znajdujący się na anodzie powoduje rozbicie wodoru na protony (+) oraz elektrony (-). Elektrolit znajdujący się pomiędzy anodą i katodą przepuszcza do katody jedynie protony, natomiast elektrony przemieszczające się do katody zewnętrznym obwodem wytwarzają prąd. W procesie tym na katodzie elektrony i protony łączą się z tlenem, tworząc jedynie wodę, która wydostaje się specjalnymi kanalikami z ogniwa. Wraz z generowanym ciepłem jest to jedyny produkt uboczny zachodzących reakcji. W ten sposób wytworzony prąd może zostać zakumulowany w akumulatorach lub bezpośrednio przekazany do odbiornika, którym w przypadku napędu łodzi będzie silnik elektryczny połączony ze śrubą napędową.

Rys. 5. Uproszczony schemat działania ogniwa paliwowego[11–13]

Pierwszym statkiem „samowystarczalnym” energetycznie, który opłynął świat jest Energy Observer (rys. 6). Ta 30,5-metrowa jednostka to katamaran, którego prędkość maksymalna wynosi około 10 węzłów. Na pokładzie tego statku znajdują się między innymi: panele solarne, turbiny wiatrowe i generator pływowy, które w czasie postoju bądź pływania mają wytwarzać energię elektryczną, która następnie używana jest w celach produkcji wodoru lub składowana w akumulatorach. Zapas wyprodukowanego wodoru składowanego w butlach (62 kg) pozwala na dalszą produkcję energii elektrycznej w sytuacji, kiedy generatory energii alternatywnej nie mają możliwości jej produkcji.

Rys. 6. Energy Observer – pierwszy statek wykorzystujący energię wodorową[14]

Projekt statku powstał w celu oszacowania możliwości autonomicznej pracy układu, prowadzenia analiz współpracy różnych źródeł energii, które docelowo mogą być zastosowane w różnych gałęziach transportu i budownictwa. Przedstawiony na rys. 7 cykl przepływu energii na statku wskazuje na cykliczność jej produkcji z różnych źródeł, umożliwiającą ciągłą pracę układu.

Rys. 7. Przepływ energii w katamaranie Energy Observer oraz widok stosu ogniw paliwowych o łącznej mocy 22kW[14]

Wodór to prawdopodobnie paliwo przyszłości. W technice jachtowej coraz więcej powstaje jednostek elektrycznych, jednak ich podstawową wadą jest ograniczony dystans i czas pływania. W przypadku zastosowania ogniw paliwowych czas korzystania ze statku może się znacznie wydłużyć[15]. Idealnym rozwiązaniem w jachtingu rekreacyjnym (weekendowym) byłoby rozwiązanie podobne do przedstawionego we francuskim katamaranie. W czasie postoju jednostki w porcie generowałaby ona zapas energi w postaci wodoru, który następnie podczas weekendowych wodnych podróży zapewniłby zapas energetyczny zarówno do napędu statku, jak i urządzeń pokładowych. Taki statek nie wymagałby tankowania, byłby „samowystarczalny”. Droga do takich jednostek jest jednak jeszcze długa, dlatego środkiem pośrednim są obecnie stosowane jednostki napędowe, pozwalające na ekologiczne (zero emisyjne lokalnie) pływanie z wykorzystaniem ogniw paliwowych jako źródła energii napędu. Takie napędy są coraz częściej stosowane w łodziach turystycznych. Przykładem może być 20-metrowa jednostka turystyczna z napędem o mocy 50kW używana w Korei (rys. 8).

Rys. 8. Statek turystyczny z napędem wodorowym[16]

Przedstawione w artykule technologie alternatywnych napędów jednostek pływających mają za zadanie polepszenie jakości wody i powietrza w rejonach żeglugi zarówno śródlądowej, jak i morskiej oraz oceanicznej[17]. W większości przypadków zarówno jachtingu rekreacyjnego, jak i komercyjnego możliwa jest konwersja dotychczasowych konwencjonalnych napędów, a poniesione inwestycje powinny zwrócić się zarówno w bilansie ekonomicznym (dotyczącym armatora statku) jak i ekologicznym (dotyczącym akwenów, w których porusza się statek).

Dr inż. Wojciech Cieślik
Politechnika Poznańska

Symbole i skróty:
DMFC – Direct Methanol Fuel Cell – ogniwo paliwowe bezpośrednio zasilane metanolem
AFC – Alkaline Fuel Cell – ogniwo z elektrolitem zasadowym
MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell – ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stopionych węglanów
SOFC – Solid Oxide Fuel Cell – ogniwo paliwowe z elektrolitem stałym tlenkowym
PEMFC – Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell – ogniwo paliwowe z elektrolitem polimerowym
PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell – ogniwo paliwowe z elektrolitem z kwasu fosforowego
Li-Ion – Lithium-ion battery – akumulator litowo-jonowy
DC-DC – Direct Current to Direct Current – przetwornica napięcia stałego na stałe
PEM – Proton Exchange Membrane – ogniwo paliwowe z polimerową membraną elektrolityczną

Bibliografia:
[1] Fuel cell electric vehicles https://www.openaccessgovernment.org/vehicle-technology
[2] Toyota Mirai Fuel-Cell Sedan https://www.greencarreports.com
[3] Hyundai iX35 & Nexo Hydrogen https://www.hyundai.co.uk/new-cars/nexo
[4] Honda Clarity Hydrogen https://automobiles.honda.com/clarity-fuel-cell
[5] Droga do samochodów wodorowych w Polsce https://wysokienapiecie.pl
[6] Hydrogen Refuelling Stations Worldwide https://www.netinform.net/h2/h2stations
[7] European Fuel-Cell Technology Features Road Diesel https://www.automationworld.com
[8] Ogniwa paliwowe http://www.instsani.pl/385/ogniwa-paliwowe
[9] Węcel D. Generator wodoru / elektorlizer. Politechnika Śląska http://www.imiue.polsl.pl
[10] PEM technology https://www.hydropathy.com
[11] Zasada działania ogniwa paliwowego http://www.ogniwa-paliwowe.info
[12] Hydrogen a fuel of the future https://www.scania.com
[13] GreenStar 36D electric motors for boats http://greenstarmarine.se
[14] Energy Observer – The first hydrogen vessel around the world http://www.energy-observer.org/en/
[15] Tronstad T., Høgmoen Åstrand H., Haugom G., Langfeldt L.. Study on the use of fuel cells in shipping. DNV GL – Maritime, 2017
[16] Choeng Hoon Choi i in. Development and demonstration of PEM fuel-cell-battery hybrid system for propulsion of tourist boat. International Journal of Hydrogen Energy. Volume 41, Issue 5, 9 February 2016, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.186
[17] Cieślik W. Alternatywne napędy jednostek pływających – przegląd. Biuletyn Techniki Jachtowej. 2019, 3/2019.