Круизные суда, несмотря на их роль в индустрии туризма, остаются одними из самых энергозатратных и экологически проблемных объектов морского транспорта. В 2020 году Международная морская организация (IMO) ввела новое правило, согласно которому максимальный допустимый уровень содержания серы в топливе морских судов, действующих вне зон особого экологического контроля, должен быть снижен до 0,5% по массе. Однако проблему это никак не решило. Круизная отрасль по-прежнему считается одним из ведущих загрязнителей окружающей среды.
В 2022 году, по данным Transport and Environment (T&E) campaign group, количество выбросов оксидов серы, по сравнению с 2019 годом, выросло на 9%, оксидов азота — на 18%, а частиц PM2.5 — на 25%. Из подготовленной организацией инфографики видно, насколько круизные лайнеры в этом плане опасны для прибрежных городов.
Круизные компании осознают эти риски, поэтому пытаются найти методы снижения выбросов. Одни активно применяют скрубберы, которые улавливают химически вредные вещества, предотвращая их попадание в атмосферу. Другие расширяют использование электроэнергии, подключаясь к береговым сетям во время стоянок. Впрочем, у этих методов есть свои минусы. К примеру, экологические организации жестко критикуют скрубберы за то, что те увеличивают слив грязных жидкостей в океан.
В целом понятно, что существует огромный запрос на экологически чистое топливо, которое вывело бы круизную отрасль в более «зеленый» формат. Например, водород.
Его внедрение в морскую отрасль происходит уже не первый год. Первым стал знаменитый французский катамаран Energy Observer, спущенный на воду еще в 2017 году. Его установки производят водород прямо на борту во время плавания. За этим судном последовали и другие инновационные образцы. В России, как вы наверняка знаете, в прошлом году на Зеленодольском заводе имени Горького спустили на воду первое прогулочно-экскурсионное судно проекта 00393 «Экобалт» на водородном топливе. Китай еще в 2023 году ввел в эксплуатацию патрульное судно Three Gorges, оснащенное водородными топливными элементами и литиевой аккумуляторной системой.
Насколько эти технологии применимы для круизной отрасли? А главное, насколько они эффективны в части себестоимости? Принципиально важно, чтобы переход на водородное топливо не повлек бы за собой колоссальный рост расходов. В конце концов, круизный лайнер — это не благотворительное мероприятие, а инструмент получения прибыли владельцами, поэтому коммерческие вопросы для них находятся в приоритете. Никто не будет работать себе в убыток. И если водород окажется слишком дорогой игрушкой, компании найдут все способы, чтобы избежать его использования.
Ответ попытались найти исследователи Маарит Мякеля, Сеппо Ниеми, Каролин Нуортила и Лаури Нюстиля из Ваасского университета (University of Vaasa; Тампере, Финляндия). Они рассчитали схему применения жидкого водорода (LH2) для круизного судна класса Meraviglia, взяв за основу реальные данные о расходе топлива таких судов в европейских водах.
Суть в том, чтобы поставить на лайнер новые двигатели, которые будут работать на жидком водороде, но при этом оставаться такими же мощными, как современные системы со сжиженным природным газом или мазутом. Ученые подсчитали, сколько водорода понадобится на десять дней плавания, сколько места он займет на судне и насколько это выгодно в сравнении с традиционным топливом. Если коротко: их исследование показывает, реально ли перевести круизные лайнеры на водород и что для этого нужно.
Результаты были опубликованы в конце 2024 года.
Круизный лайнер класса Meraviglia, который был взят в качестве модели, оборудован системами очистки выхлопных газов (скрубберами), он может работать на высокосернистом мазуте (3,5% серы) в качестве основного топлива и судовом газойле (0,1% серы) в качестве вторичного топлива. Судно, рассчитанное на 8034 человека (6762 пассажира и 1272 члена экипажа), потребляет гигантские объемы энергии. За семидневный маршрут по Средиземному морю (Генуя — Чивитавеккья — Неаполь — Мессина — Ла-Валлетта — Палермо — Генуя) оно сжигает:
• 530 тонн тяжелого топлива и 9 тонн газойля для главных двигателей;
• 1082 МВт·ч энергии для силовых преобразователей;
• 1396 МВт·ч для гостиничных операций (кондиционирование, освещение, кухни).
Итого: 6049 МВт·ч за неделю, что эквивалентно энергопотреблению 2000 домохозяйств за год. Средний КПД электростанции судна составляет 41,7%, что типично для дизель-электрических систем.
Что будет, если заменить четырехтактные дизельные двигатели Wartsila 12V46 и 16V46 на водородные аналоги? Концепция двигателя в исследовании основана на модели японского классификационного общества ClassNK, представленной в 2023 году для первого в мире судна на водородном топливе с двухтактным двигателем, работающим на сжиженном водороде. Двигатель будет поставляться Japan Engine Corporation (J-ENG), а система подачи топлива — Kawasaki. Само судно планируется к сдаче в 2027–2028 годах.
«При мощности цилиндра 1300 киловатт на цилиндр номинальная мощность для 12-цилиндрового двигателя составит 15,6 МВт, а для 16-цилиндрового двигателя — 20,8 МВт. Что касается расхода водородного топлива, предполагается, что эффективность преобразования топлива с водородом такая же, как и с СПГ. Ожидается, что пилотное топливо не понадобится», — пишет группа из Ваасского университета в условиях задачи.
Для десятидневного маршрута (с запасом на семь дней автономного плавания) затраты энергии возрастают до 8641 МВт·ч. Масса LH2 в три раза меньше, чем у ископаемого топлива, но объем хранения в 4,5 раза больше. Поэтому для хранения 260 тонн водородного топлива требуется 3700 кубометров (эквивалент 14 стандартных 20-футовых контейнеров).
Расчеты финских исследователей показывают следующую картину.
Чтобы сохранить 8641 МВт·ч энергии в виде сжиженного водорода, потребуется 260 тонн, или 3700 кубометров, LH2 (сжиженного водорода). Для сравнения: обычное топливо для десятидневного плавания весит 780 тонн. Выигрыш кажется довольно заметным — свыше пятисот тонн. Однако здесь не учтен дополнительный вес емкостей для хранения водорода, которые нуждаются в эффективной теплоизоляции. Это, конечно, увеличит общий вес системы хранения.
Обращает на себя внимание и значительный рост требуемого объема: 3700 кубометров против 830. Судну придется выделять дополнительные площади, уменьшая их полезную нагрузку, а соответственно, рентабельность.
| Сравнение массы и объема запаса топлива для 10-дневного маршрута на ископаемом топливе и сжиженном водороде. | |||
| Маршрут на 10 дней | Энергия [МВтч] | Масса топлива [тонн] | Общий объем топлива, необходимый запас [м3] |
| HFO (тяжелый судовой мазут) и MGO (судовой газойль) |
8641 | 780 | 806-830 |
| LH2 (сжиженный водород) | 8641 | 260 | 3700 |
Есть еще одна проблема, которая отмечена в исследовании, — это потери от испарения. Современные резервуары (например, Kawasaki Heavy Industries) имеют скорость испарения 0,1% в день, но для судовых условий этот показатель может быть выше из-за вибрации и качки. За десять дней маршрута потери LH2 могут достичь 2,6 тонны (1% от общего объема), что эквивалентно 312 МВт·ч энергии. Для минимизации потерь предлагается использовать испарившийся газ в топливных элементах или турбинах.
«Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, как специальные требования к системе подачи топлива, бакам для жидкого водорода и безопасности повлияют на организацию хранения и общее пространство на судне. Также требуется оптимизация хранения, чтобы минимизировать потери из-за испарения водорода. Двигатели с системой зажигания на пилотном топливе также нуждаются в дальнейшем изучении, поскольку, с одной стороны, такая система зажигания очень надежна, а с другой — пилотное топливо может быть возобновляемым дизелем или другим легковоспламеняющимся низкоуглеродным топливом», — делают вывод ученые.
При этом они напоминают, что внедрение новых технологий, таких как воздушная смазка корпуса, ультразвуковые системы очистки корпуса, рекуперация отработанного тепла и использование испаряющегося водорода в топливных элементах, может значительно сократить объем водорода, который необходимо хранить на борту.
Кроме того, требуется иметь развитую водородную инфраструктуру в портах, что позволит не брать максимально возможное количество топлива для каждого рейса. Это еще один барьер, который пока мешает в полной мере использовать преимущества водорода.
В целом рентабельность использования водорода в круизных рейсах сильно зависит от трех ключевых факторов:
• сокращение объемов хранения за счет повышения КПД двигателей до 55% и рекуперации тепла;
• развитие портовой инфраструктуры — без нее бункеровка LH2 останется нерентабельной;
• государственная поддержка — субсидии, налоговые льготы и обязательные квоты на использование альтернативного топлива.
Трудно назвать эти выводы сенсационными или прорывными, поскольку все это давно понятно и учитывается в любых концепциях развития водородной энергетики. Но лишний раз о них напомнить в любом случае не помешает.
Накануне Михаил Мишустин на оперативном совещании со своими заместителями сообщил, что правительство России актуализировало стратегию развития отечественной судостроительной промышленности до 2050 года.
До 2036 года прогнозируется спрос на 130 судов.
Соответствующий законопроект был принят Государственной Думой в третьем чтении.
Оно способно транспортировать грузы и персонал, а также обеспечивать другие суда топливом и водой, сообщает РС.
