Toυ Λάμπρου Νάκου, Executive Director, Partner / BoD της Hydrus Engineering Ltd.
Η παγκόσμια ναυτιλία βρίσκεται αντιμέτωπη με την πρόκληση της τήρησης του χρονοδιαγράμματος που υιοθετήθηκε από τον ΙΜΟ και αφορά την απεξάρτησή της από τη χρήση καύσιμων που περιέχουν άνθρακα ή που έχουν προέλθει από μια αλυσίδα παραγωγής που περιέχει άνθρακα. Σύμφωνα με τον IMO, στόχος είναι η μείωση των εκπομπών ρύπων διοξειδίου του άνθρακα κατ’ ελάχιστον 40% μέχρι το 2030 και έως 70% μέχρι το 2050, ενώ η μείωση των συνολικών ρύπων που ευθύνονται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου να είναι κατ’ ελάχιστον 50% μέχρι το 2050, σε σχέση με τα επίπεδα του 2008.
Στο πλαίσιο αναζήτησης βιώσιμων και μακροχρόνιων λύσεων για τον περιορισμό των αερίων ρύπων, η παγκόσμια ναυτιλία εξετάζει όλο και περισσότερο τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας ως εναλλακτικού ναυτιλιακού καυσίμου. Η ηλεκτροκίνηση, με τη μορφή diesel-electric διατάξεων, έχει μακρόχρονη παρουσία με συγκεκριμένες εφαρμογές στη ναυτιλία. Η ανάπτυξη μπαταριών νέας τεχνολογίας και η υιοθέτησή τους για ναυτικές εφαρμογές φέρνει την ηλεκτροκίνηση των πλοίων όλο και πιο κοντά. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχουν βασικοί περιοριστικοί παράγοντες που περιμένουν απάντηση μέσω της συνεχώς αναπτυσσόμενης τεχνολογίας, όπως είναι: πρώτον η πυκνότητα ισχύος των μπαταριών (kWh/kg ή kWh/m3), δεύτερον η διάρκεια ζωής και ο ρυθμός γήρανσης των μπαταριών καθώς και, τρίτον, η δυνατότητα επαναφόρτισης με στόχο την αύξηση της αυτονομίας του πλοίου.
Μια όχι και τόσο νέα τεχνολογία, αυτή των κυψελών καυσίμου, έρχεται να προτείνει λύσεις σε κάποιους από τους βασικούς περιοριστικούς παράγοντες της χρήσης των «συμβατικών» μπαταριών, κυρίως όσον αφορά τη διάρκεια ζωής, τη γήρανση, την επαναφόρτιση και την αυτονομία. Οι κυψέλες καυσίμου ανακαλύφθηκαν το 1839 από τον Sir William Grove, ενώ έπαιξαν πρωτεύοντα ρόλο στη διαστημική τεχνολογία τη δεκαετία του 1960. Αποτελούν συστήματα παραγωγής ενέργειας (δύο ηλεκτρόδια, ένας ηλεκτρολύτης και ο καταλύτης), χρησιμοποιώντας το υδρογόνο ως βασικό καύσιμο, για τη σύνθεση νερού με την ταυτόχρονη ροή συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος και την παραγωγή θερμότητας. Η κατηγοριοποίηση των κυψελών καυσίμου γίνεται με βάση τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται για τη χημική αντίδραση της σύνθεσης του νερού. Ανάμεσα σε ένα πλήθος διαφορετικών τύπων κυψελών καυσίμου για διαφορετικές εφαρμογές, οι κυψέλες καυσίμου πολυμερισμένης μεμβράνης (PEMFC) έχουν ευρύτερη εφαρμογή κυρίως λόγω: α) της λειτουργίας τους σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (μειώνοντας τις απαιτήσεις σε συστήματα απαγωγής θερμότητας), β) του ικανοποιητικού βαθμού απόδοσης, γ) του μικρού χρόνου που απαιτείται για την έναρξης λειτουργίας και δ) της ικανοποιητικής πυκνότητας ισχύος. Μειονεκτήματα των PEMFC είναι ο ακριβός καταλύτης (κυρίως λευκόχρυσος) και η ευαισθησία του συστήματος σε χρήση υδρογόνου που δεν πληροί υψηλά κριτήρια καθαρότητας. Οι κυψέλες καυσίμου έχουν τη δυνατότητα της παράλληλης λειτουργίας, επιτρέποντας τη δημιουργία συστοιχιών (fuel cell stacks) ώστε να ικανοποιήσουν υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Η χρήση των κυψελών καυσίμου αντί μπαταριών περιορίζεται από τη χρονική απόκρισή τους σε άμεσες αλλαγές του απαιτούμενου φορτίου. Το πιο συνηθισμένο καύσιμο σε μια κυψέλη καυσίμου είναι το υδρογόνο, αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα καύσιμα με μεγάλη περιεκτικότητα σε υδρογόνο μέσω της διαδικασίας της αναμόρφωσης.
Σε μια προσπάθεια αντιγραφής της μεθόδου χρήσης του υδρογόνου από τη διαστημική βιομηχανία (ήδη από τη δεκαετία του 1960), το υδρογόνο δοκιμάστηκε να χρησιμοποιηθεί στη ναυτιλία για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω της χρήσης του ως καυσίμου σε συστοιχίες κυψελών καυσίμου (fuel cell stacks). Το υδρογόνο είναι ένα από τα απλούστερα στοιχεία, αποτελούμενο από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο (H2). Το υδρογόνο ως καθαρό στοιχείο δεν περιλαμβάνει άνθρακα, είναι άχρωμο, άοσμο, άγευστο, 14 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα, μη τοξικό, μη οξειδωτικό, μη ερεθιστικό και μη ραδιενεργό. Είναι επίσης και ένα από τα στοιχεία με τη μεγαλύτερη αφθονία, καταλαμβάνοντας πάνω από το 90% του σύμπαντος, παρ’ όλα αυτά σπάνια συναντάται σε καθαρή μορφή χωρίς προσμείξεις με άλλα στοιχεία. Γι’ αυτόν τον λόγο έχουν αναπτυχθεί διαφορετικές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου ανάλογα με τη βασική ουσία που βρίσκεται σε πρόσμειξη με το υδρογόνο. Οι μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου διαχωρίζονται σε θερμικές και ηλεκτροχημικές.
Οι θερμικές μέθοδοι αφορούν κυρίως την αναμόρφωση υδρογονανθράκων (κυρίως φυσικού αερίου) με ατμό (παραγωγή «γκρι υδρογόνου») και την οξείδωση ή αεριοποίηση βαρέων υδρογονανθράκων (όπως κάρβουνου, πετρελαίου ή βιομάζας) με ατμό και οξυγόνο υπό πίεση (παραγωγή «καφέ υδρογόνου»). Και στις δύο περιπτώσεις η απαιτούμενη ενέργεια για την παραγωγή του υδρογόνου προέρχεται από τη θερμική ενέργεια του ατμού. Η παραγωγή του υδρογόνου συνοδεύεται με εκπομπή ρύπων διοξειδίου του άνθρακα (λόγω κατανάλωσης 20-30% του υδρογονάνθρακα), ενώ μπορεί να γίνει κυρίως κεντρικά (μαζικά), σε συνδυασμό με δίκτυο διανομής και σε πολύ περιορισμένες περιπτώσεις τοπικά (κατανεμημένα) για απευθείας χρήση. Στις περιπτώσεις που επιτυγχάνεται δέσμευση και αποθήκευση των παραγόμενων ποσοτήτων ρύπων διοξειδίου του άνθρακα, με χρήση κατάλληλων τεχνολογιών, το παραγόμενο υδρογόνο χαρακτηρίζεται και ως «μπλε υδρογόνο».
Οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι αφορούν την ηλεκτρόλυση του νερού με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από α) την καύση υδρογονανθράκων (παραγωγή γκρι ή μπλε υδρογόνου όπως στην περίπτωση των θερμικών μεθόδων) ή β) από τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (όπως αιολική, ηλιακή, υδροδυναμική). Στη δεύτερη περίπτωση, η παραγωγή του υδρογόνου συνοδεύεται από μηδενικές εκπομπές ρύπων και το παραγόμενο υδρογόνο χαρακτηρίζεται και ως «πράσινο υδρογόνο». Οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου εφαρμόζονται τόσο κεντρικά (μαζικά) σε συνδυασμό με δίκτυο διανομής και όσο και τοπικά (κατανεμημένα) για απευθείας χρήση, περιορίζοντας το κόστος μαζικής αποθήκευσης και διανομής του υδρογόνου.
Ένα ενεργειακό σύστημα που θα συνδυάζει α) (υβριδική ή αμιγώς ) ηλεκτρική πρόωση, β) στοιχεία μπαταρίας νέας τεχνολογίας, γ) κυψέλες καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας, δ) αποθήκευσης «πράσινου» υδρογόνου και ε) έξυπνου συστήματος διαχείρισης της ενέργειας αποτελεί σήμερα μια ρεαλιστική πρόταση για χρήση στον χώρο της ναυτιλίας. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να επιτύχει τον βασικό στόχο του περιορισμού (ή και μηδενισμού) των εκπεμπόμενων ρύπων, εξυπηρετώντας την εύκολη διαμόρφωση και επέκταση του ενεργειακού συστήματος λόγω δομοστοιχειωτής (modular) ανάπτυξης των στοιχείων μπαταρίας και κυψέλης καυσίμου. Ο συνδυασμός των τεχνολογιών ξεπερνά τους περιορισμούς της κάθε τεχνολογίας όταν εφαρμόζεται ξεχωριστά, διασφαλίζοντας την άμεση απόκριση των ενεργειακών συστημάτων του πλοίου στις μεταβολές του φορτίου και την αυξημένη ενεργειακή αυτονομία, την εξομάλυνση της ενεργειακής κατανάλωσης των φορτίων αιχμής καθώς και τη δυνατότητα ανεφοδιασμού τόσο μέσω ηλεκτρικής διασύνδεσης με τη στεριά όσο και με τον ανεφοδιασμό υδρογόνου.
Σε πρώτο στάδιο, ένα τέτοιο ενεργειακό σύστημα μπορεί να εφαρμοστεί σε ρεαλιστική κλίμακα στην ακτοπλοΐα καθώς και ως βοηθητικό σύστημα παραγωγής ενέργειας (auxiliary power) καθώς και σε συνδυασμό (υβριδική διάταξη) με συμβατικά συστήματα ηλεκτροκίνησης (diesel-electric), απορροφώντας φορτία αιχμής (peak loads) και φορτία αναμονής (non-seagoing) μέσω συστημάτων βελτιστοποίησης της ενεργειακής διαχείρισης επί των πλοίων. Σε αυτό το πλαίσιο είναι και ο σχεδιασμός μιας σειράς νέου τύπου αμφίπλωρων επιβατηγών οχηματαγωγών πλοίων που εξυπηρετούν πορθμειακές γραμμές, με τη συμμετοχή εξεχουσών εταιρειών στον κλάδο του ναυτιλιακού εξοπλισμού και της Hydrus Engineering Ltd. Τα πλοία στηρίζονται σε κλιμακωτή παραμετρική σχεδίαση με αμιγώς ηλεκτρική πρόωση και με βοηθητικό σύστημα παραγωγής ενέργειας μέσω κυψελών καυσίμου καθαρού υδρογόνου.
To παρόν άρθρο δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Ναυτικά Χρονικά, τεύχος Απριλίου 2021, σελ. 99
