Судовая энергетическая установка для «водородных» танкеров с установкой повторного сжижения

Предметом предлагаемого исследования является возможность использования водорода в качестве топлива для танкеров, перевозящих сжиженный водород. Отмечается, что вариантом решения проблемы декарбонизации мировой промышленности является возможность конкурентоспособного использования водорода в качестве топлива на морских танкерах, перевозящих сжиженный водород на значительные расстояния. Указаны основные факторы, способствующие изучению проблем совершенствования нергетических установок судов с учетом ужесточения национальных и международных требований по предотвращению загрязнения окружающей среды. Выполнен краткий обзор направлений развития водородной энергетики на примере ведущих проектов в Европе и Азии, наиболее перспективным из которых является транспортировка сжатого водорода опытным танкером японской компании Кавасаки Suiso Frontier из Австралии в Японию. Приведена стратегия выбора оптимальной пропульсивной установки сжиженного водородного танкера. В качестве методов исследования используется анализ данных, полученных в аналогичных исследованиях, а также термодинамических характеристик перспективных систем. Предлагаются интегрированные компоновочные варианты энергетических систем с учетом повторного сжижения испаряющейся части груза для танкеров, перевозящих водород. Приведены данные о существующих проектах с двигателями при подаче газа низкого и высокого давления твердооксидными топливными элементами. Рассмотрены пять перспективных энергетических систем и система повторного сжижения с циклом Клода, использующие в качестве топлива и хладагента водород и сжиженный природный газ. В результате выполненной оценки их технологической реализуемости и воздействия на окружающую среду диапазоны эксергетического КПД и удельного энергопотребления систем повторного сжижения составили 26,79–46,27 % и 3–7,45 кВтч/кг соответственно. Определена оптимальная система с двигателем низкого давления, твердооксидными топливными элементами и системой повторного сжижения.

1. Darby M. IMF calls for carbon tax on ships and planes //The Guardian [Электронный ресурс] / M. Darby. — Режим доступа: https://www.theguardian.com/environment/2016/jan/13/imf-calls-for-carbon-tax-on-shipsand-planes (дата обращения: 22.12.2022).

2. Joung T. H. The IMO initial strategy for reducing Greenhouse Gas (GHG) emissions, and its follow-up actions towards 2050 / T. H. Joung, S. G. Kang, J. K. Lee, J. Ahn // Journal of International Maritime Safety, Environmental Affairs, and Shipping. — 2020. — Vol. 4. — Is. 1. — Pp. 1–7. DOI: 10.1080/25725084.2019.1707938.

3. Nishimura M. Activities for Realization of International Liquefied Hydrogen Energy Supply Chain / M. Nishimura, K. Shindo, K. Yoshimura, Ya. Yoshino // Kawasaki Technical Review. — 2021. — No.182 — Pp. 9–16.

4. Pekic S. Suiso Frontier brings world’s 1st LH2 shipment to Japan [Электронный ресурс] / S. Pekic. — Режим доступа: https://www.offshore-energy.biz/suiso-frontier-brings-worlds 1st-lh2 shipment-to-japan (дата обращения: 22.12.2022).

5. Hydrogen roadmap Korea [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://elecseed.com.au/wp-content/ uploads/2022/05/Hydrogen-Road-Map_Korea.pdf (дата обращения: 22.12.2022).

6. Распоряжение Правительства РФ от 5 августа 2021 года № 2162 р. «Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://government.ru/ news/42971/ (дата обращения: 22.12.2022).

7. Ahn J. Strategy for selecting an optimal propulsion system of a liquefied hydrogen tanker / J. Ahn, H. You, J. Ryu, D. Chang // International journal of hydrogen energy. — 2017. — Vol. 42. — Is. 8. — Pp. 5366–5380. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.01.037.

8. Sekkesæter Ø. Evaluation of Concepts and Systems for Marine Transportation of Hydrogen: Master’s thesis / Ø. Sekkesæter. — Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2019. — 192 p.

9. Mizuno Y. Economic analysis on international hydrogen energy carrier supply chains / Y. Mizuno, Y. Ishimoto, S. Sakai, K. Sakata // Journal of Japan Society of Energy and Resources. — 2017. — Vol. 38. — Is. 3. — Pp. 11–17. DOI: 10.24778/jjser.38.3_11.

10. Raab M. Comparative techno-economic assessment of a large-scale hydrogen transport via liquid transport media / M. Raab, S. Maier, R. U. Dietrich // International Journal of Hydrogen Energy. — 2021. — Vol. 46. — Is. 21. — Pp. 11956–11968. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.12.213

11. Hiraoka K. Energy analysis and CO2 emission evaluation of a solar hydrogen energy system for the transportation system in Japan — I. Conceptual design of the system / K. Hiraoka, K. Watanabe, T. Morishita, M. Nomura, S. Kan, M. Ikame, T. Senda // International journal of hydrogen energy. — 1991. — Vol. 16. — Is. 9. — Pp. 631–638. DOI: 10.1016/0360–3199(91)90088-Z.

12. Lee J. Integrated design evaluation of propulsion, electric power, and re-liquefaction system for largescale liquefied hydrogen tanker / J. Lee, Y. Choi, S. Che, M. Choi, D. Chang // International Journal of Hydrogen Energy. — 2022. — Vol. 47. — Is. 6. — Pp. 4120–4135. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.11.004.

13. Gianni M. Outlook of future implementation of PEMFC and SOFC onboard cruise ships / M. Gianni, A. Pietra, R. Taccani // E3S Web of Conferences. — EDP Sciences, 2021. — Vol. 238. — Pp. 04004. DOI: 10.1051/e3sconf/202123804004.

14. Программа CEAS (Computerized engine application system) / MAN [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.man-es.com/marine/products/planning-tools-and-downloads/ceas-engine-calculations (дата обращения: 22.12.2022).

15. Программа Winterthur Gas & Diesel (WinGD). General Technical Data (GTD) n. d. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.wingd.com/en/media/general-technical-data/ (дата обращения: 22.12.2022).

16. Wärtsilä 20DF. Product Guide. — Wärtsilä Finland Oy, 2021. — 186 p.

17. Qd100 gas-steam combined — cycle 15MW power set proposal. — China aviation gas turbine company, Ltd., 2006. — 50 p.

18. Hydrogen fueled gas turbines. General Electric. GE 10–1 Gas turbine [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.ge.com/gas-power/future-of-energy/hydrogen-fueled-gas-turbines (дата обращения: 22.12.2022).

19. Borglum B. P. Development of solid oxide fuel cells at versa power systems and fuel cell energy / B. P. Borglum, H. Ghezel-Ayagh // ECS Transactions. — 2013. — Vol. 57. — No. 1. — Pp. 61. DOI: 10.1149/05701.0061ecst.

20. Kim K. Case study on boil-off gas (BOG) minimization for lng bunkering vessel using energy storage system (ESS) / K. Kim, K. Park, G. Roh, K. Chun // Journal of Marine Science and Engineering. — 2019. — Vol. 7. — Is. 5. — Pp. 130. DOI: 10.3390/jmse7050130.

21. Su C. L. Ship electrical load analysis considering power generation efficiency / C. L. Su, C. H. Liao // 015 IEEE/IAS 51st Industrial & Commercial Power Systems Technical Conference (I&CPS). — IEEE, 2015. — Pp. 1–11. DOI: 10.1109/ICPS.2015.7266439.

22. NSMV phase 3 design. Basis of Design [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.maritime.dot.gov/sites/marad.dot.gov/files/docs/national-defense/office-ship-operations/rrf/2606/nsmv-phase 3 basisdesign-r1.pdf (дата обращения: 22.12.2022).

23. Ishimoto Y. Large-scale production and transport of hydrogen from Norway to Europe and Japan: Value chain analysis and comparison of liquid hydrogen and ammonia as energy carriers / Y. Ishimoto, M. Voldsund, P. Nekså, S. Roussanaly, D. Berstad, S. O. Gardarsdottir // International journal of hydrogen energy. — 2020. — Vol. 45. — Is. 58. — Pp. 32865–32883. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.09.017.

24. Jang E. K. Prediction method of the BOG for the membrane type LNGC in Middle East route / E. K. Jang, Y. C. Jung // Journal of Navigation and Port Research. — 2004. — Vol. 28. — Is. 5. — Pp. 365–372. DOI: 10.5394/ KINPR.2004.28.5.365.

25. Lee H. Analysis and assessment of partial re-liquefaction system for liquefied hydrogen tankers using liquefied natural gas (LNG) and H2 hybrid propulsion / H. Lee, Y. Shao, S. Lee, G. Roh, K. Chun, H. Kang // International Journal of Hydrogen Energy. — 2019. — Vol. 44. — Is. 29. — Pp. 15056–15071. DOI: 10.5394/ KINPR.2004.28.5.365.

26. Groznik J. Boil-off gas handling from liquefied hydrogen storage: Master Thesis in Mechanical Engineering / J. Groznik. — Trondheim, Norwegen: Norwegian University of Science and Technology, 2020. — 115 p.

27. Faramarzi S. A novel hydrogen liquefaction process based on LNG cold energy and mixed refrigerant cycle / S. Faramarzi, S. M. M. Nainiyan, M. Mafi, R. Ghasemiasl // International Journal of Refrigeration. — 2021. — Vol. 131. — Pp. 263–274. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2021.07.022.

28. Cardella U. Process optimization for large-scale hydrogen liquefaction / U. Cardella, L. Decker, J. Sundberg, H. Klein // International Journal of Hydrogen Energy. — 2017. — Vol. 42. — Is. 17. — Pp. 12339–12354. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.03.167.

29. Choi M. Thermal Efficiency and Economics of a Boil-Off Hydrogen Re-Liquefaction System Considering the Energy Efficiency Design Index for Liquid Hydrogen Carriers / M. Choi, W. Jung, S. Lee, T. Joung, D. Chang // Energies. — 2021. — Vol. 14. — Is. 15. — Pp. 4566. DOI: 10.3390/en14154566.