Чему мы научились в ходе кругосветного путешествия Energy Observer по возобновляемым источникам энергии?

В 14 Июнь 2024, Наблюдатель за энергией завершила свое кругосветное путешествие и прибыла домой в Сен-Мало через семь лет после отплытия. Наблюдатель за энергией Лабораторное судно — первое в мире автономное судно, способное перемещаться по океанам, используя сочетание возобновляемых источников энергии и водорода, производимого на борту из морской воды.

Основанная Викторьеном Эруссаром, офицером торгового флота и моряком, Наблюдатель за энергией обогнул земной шар с целью пропаганды обмена знаниями и устойчивыми решениями ради будущего нашей планеты. Эруссард собрал команду моряков, ученых, инженеров и журналистов, которые отправились на борт во время плавания и испытаний. 

В течение Energy Observer's В ходе плавания протяженностью 68,000 XNUMX морских миль новейшие передовые технологии — водород, аккумуляторы, солнечная и ветровая энергия — были испытаны до предела и оптимизированы при поддержке нескольких партнеров-производителей.

Эруссард беседует с MIN об этом новаторском проекте и о том, как Наблюдатель за энергией заложил основу для устойчивой морской и экологически чистой энергетики во всем мире. 

Какие устойчивые технологии сработали на борту, а какие не оправдали ожиданий?

OceanWings 

VE: Как первый прототип этой технологии в таком масштабе, OceanWings принес мало проблем с точки зрения интеграции и внедрения. Однако сама концепция была проверена с большим успехом. 

При использовании только парусов в качестве движителя, Наблюдатель за энергией достиг пиковой скорости 16.6 узлов и часто стабильно поддерживал 8-9 узлов при 25 узлах вымпельного ветра с правильными углами. Для 62 м2 парусов и для 34-тонной лодки это очень хороший результат, даже выше ожиданий. Небольшая площадь парусов и их вертикальное положение обеспечивали очень ограниченное затенение фотоэлектрической системы лодки, которая оставалась основным источником энергии для управления и жизни на борту.

Вертикальные ветровые турбины и система воздушного змея 

VE: До установки OceanWings в 2019 году были испытаны две другие технологии ветроэнергетики:

• вертикальные ветровые турбины, преобразуя энергию ветра в электроэнергию

• Система воздушного змея для прямого движения, преобразующая энергию ветра непосредственно в движение лодки.

Эти две системы не были сохранены на судне. В случае вертикальных ветровых турбин энергетический баланс турбины не был положительным. Когда вымпельный ветер дул спереди судна, ветровые турбины вращались хорошо, но электрическая мощность, необходимая для питания электродвигателя для преодоления потери скорости, вызванной сопротивлением, превосходила электрическую мощность, преобразуемую ветровой турбиной. Когда ветер дул сзади, они фактически работали почти как парусные, что вызывало сопротивление в другую сторону и толкало судно. Но вымпельная скорость ветра была вследствие этого низкой, и выработка электроэнергии была не такой хорошей, как ожидалось.

Что касается системы воздушного змея, то после нескольких испытаний техническая группа пришла к выводу, что прототип не готов к автономному использованию. 

Пропеллеры изменяемого шага 

VE: В 2019 году после установки OceanWings винты с изменяемым шагом заменили наши классические винты, чтобы ограничить сопротивление при использовании только парусов. Они на самом деле стали очень хорошим решением для этой цели. Однако они снизили мощность гидрогенерации с использованием винтов в качестве гидротурбин. Это был компромисс, чтобы предпочесть парусный спорт гидрогенерации.

топливный элемент Тойота 

VE: Топливный элемент был установлен в 2019 году и является результатом сотрудничества команд Toyota Motor Europe и EODev. Эта работа привела к разработке электроводородного генератора GEH2, флагманского продукта Energy Observer Developments | EODev, которая сейчас является одним из мировых лидеров в этой области. 

Оптимизация интеграции была сделана за эти годы в ответ на первоначальные отзывы. При выходной мощности, установленной на 30 кВт, электрическая эффективность системы составляет 58 процентов. Этот топливный элемент очень надежен и показывает хорошую эффективность и поведение даже в бурном море. Интерфейс теплообмена, разработанный технической группой Наблюдатель за энергией также допускается использование ячейки для получения тепла на борту (воздуха и воды) в качестве побочного продукта электроснабжения от водорода.

Производство и хранение водорода 

VE: Что касается системы, производящей водород, электролизер был очень надежным и не требовал никакого профилактического обслуживания. Однако два компрессора, используемые для повышения давления водорода с 30 бар (давление водорода на выходе электролизера) до 350 бар (давление водорода в заполненных резервуарах), были самым слабым звеном в цепи. Они требовали множества регулировок в первые годы проекта после многочисленных отказов мембран. Эти отказы так и не были полностью устранены, но выполненные регулировки позволили решить меньше проблем. Это не было опасным, но ограничило время производства водорода.

Каким образом инновации, испытанные на борту, будут использоваться в секторах прогулочного судоходства и коммерческого судоходства? 

VE: Обратная связь с Solbian, нашим техническим партнером по фотоэлектрическим солнечным панелям, позволила эволюционировать его продукцию. Мы протестировали различные типы панелей в разнообразных и суровых условиях (высокая температура, высокая влажность, много людей ходят по панелям и т. д.), 

Будучи первым судном, использующим OceanWings в таком масштабе, Наблюдатель за энергией доказывает, что данная концепция эффективна и, следовательно, является перспективной технологией для ветроэнергетики в морском секторе. 

Отзывы об использовании и данные были переданы поставщику OceanWings, компании Ayro, и с тех пор технология была адаптирована для коммерческого морского судна. Ла Канопе, и для другого проекта в секторе морского отдыха с Zen50 судно.

Использование топливных элементов Toyota Fuel Cell на борту судна стало отправной точкой для разработки Energy Observer Developments | EODev REXH2 — интегрированной системы топливных элементов, соответствующей требованиям морского судоходства, использующей технологию топливных элементов Toyota Fuel Cell. 

Несколько судов уже оснащены REXH2 в секторе отдыха и соревнований на море (Hynova, Fastboat America's Cup, Fontaine Pajot), и ожидается, что больше проектов будут реализованы в секторе коммерческого судоходства в качестве вспомогательного источника электроэнергии на основе водорода или даже в качестве основного источника энергии в случае Энергетический наблюдатель 2 грузовой проект.

Мы бы не советовали иметь на борту полную производственную водородную цепочку, поскольку это слишком сложно и не является самым эффективным способом производства и использования водорода. Но для Наблюдатель за энергией это было фактически необходимо, поскольку водород не был доступен для дозаправки на стоянке.

Почему водородная энергетика поляризует дебаты о возобновляемых источниках энергии?

VE: Дебаты между возобновляемая энергия (или лучше сказать электрификация) и водород происходит, когда мы ошибочно и упрощенно думаем об этих двух людях как о соперниках. 

С одной стороны, водород в последние годы набирает обороты как чистый вектор энергии: он чисто горит, невероятно универсален и имеет лучшую плотность энергии с точки зрения массы. Но, как и любая энергия, он имеет некоторые проблемы:

• Около 95 процентов в настоящее время производится путем паровой конверсии метана – очень загрязняющего процесса.

• Преобразование водорода в электричество менее эффективно, чем использование электричества напрямую через батареи (эффективность производства зеленого водорода и его повторного преобразования в электричество составляет около 25 процентов по сравнению с более чем 95 процентами для литий-ионных батарей)

• Инфраструктура производства, хранения и распределения по-прежнему отсутствует, что сдерживает широкомасштабное внедрение и делает его намного более дорогим, чем батареи.

С другой стороны, с электрификацией батареи стали очевидным решением для хранения энергии. Их цена значительно снизилась, а емкость увеличилась. 

Однако есть и некоторые препятствия, которые необходимо преодолеть: их производительность со временем ухудшается (что ограничивает их возможность долгосрочного хранения), процессы переработки все еще находятся в стадии разработки, а также возникают этические проблемы в отношении добычи кобальта — ключевого компонента, особенно в Демократической Республике Конго, где в горнодобывающей промышленности практикуется использование детского труда.

Электрификация действительно уже хорошо зарекомендовала себя и эффективна, но электрификация не является панацеей. Быстрое расширение возобновляемой энергетики и электрификация как можно большего числа секторов — это самый быстрый и экономически эффективный путь к декарбонизации. 

Электричество — очевидный выбор для большинства применений, особенно для легковых автомобилей и низкотемпературного отопления в зданиях и промышленности. Однако секторы, которые трудно ослабить и трудно электрифицировать, такие как авиация, судоходство, производство удобрений и долгосрочное хранение, непрактичны и слишком дороги для электрификации. 

Вот где нам нужен водород. Следовательно, электрификация и водород не являются конкурентами, а во многом дополняют друг друга. Вместо того чтобы сосредотачиваться на одной технологии вместо другой, мы должны принять обе, потому что поляризация между ними только замедляет темпы, с которыми мы можем решить климатический кризис.

Что имеет Наблюдатель за энергией проект оправдал себя в плане водородной энергетики?

VE: Основной целью нашего проекта было продемонстрировать возможность использования смеси возобновляемых источников энергии на борту судна для самообеспечения. Хотя водород является очень важной частью смеси, предлагая долгосрочное хранение энергии, это не единственный фокус.

Наше путешествие стало настоящим полигоном для испытаний водородных технологий в море. Подвергнув их суровым условиям, мы продемонстрировали техническую жизнеспособность и экологические преимущества водорода как морского топлива. 

Потенциал водорода выходит за рамки использования в качестве топлива для небольших судов: его масштабируемость и универсальность делают его привлекательным вариантом для широкого спектра морских применений — от паромов до грузовых судов, яхт и прогулочных судов, — а также для наземных применений.

На самом деле, преимущества использования этой молекулы в топливном элементе, а именно в электрохимическом устройстве, которое использует водород в качестве топлива для выработки электроэнергии посредством химических реакций, разнообразны:

• Не производится никаких парниковых газов, NOx, Sox или PM. Единственным продуктом этой реакции является вода, а если сам водород производится из возобновляемого электролиза воды (как мы делаем на борту) Наблюдатель за энергией), процесс «от скважины до пробуждения» не производит отходов, что делает его привлекательной альтернативой для производства низкоуглеродной электроэнергии.

• Водородные топливные элементы работают тише, чем традиционные источники энергии.

Однако прежде чем водород станет общедоступным на борту судов, необходимо преодолеть ряд трудностей. 

Хотя у него очень высокая удельная плотность энергии (1 кг водорода содержит в три раза больше энергии, чем 1 кг дизельного топлива), что экономит вес, его объемная плотность энергии очень низкая, что делает его более громоздким для хранения. Задача, которую пытаются решить военно-морские архитекторы и инженеры.

В заключение, необходимо объединить все усилия – от правительств до промышленных игроков, от исследователей до общественности – для решения этих проблем. Сделав производство зеленого водорода более доступным, создав необходимую инфраструктуру, улучшив технологию, создав поддерживающую политику и укрепив общественное доверие, водород может стать ключевым игроком в достижении чистого энергетического будущего. 

Эта статья изначально была опубликована в Marine Industry News журнал.

Изображения предоставлены Energy Observer, если не указано иное.