Мы продолжаем помогать читателям разбираться в реалиях «зеленого» движения внутри современного яхтенного мира. На этот раз изучаем альтернативы традиционному дизельному топливу.
Несмотря на то, что давно подсчитано: мировой флот яхт повинен в выпуске в воздух лишь 3% вредных парниковых газов, — прогрессивное яхтенное сообщество считает делом чести и вкладом в будущее мировой экологической обстановки обращение к альтернативным видам топлива.
Сегодня яхтенный мир уже использует или тестирует, в зависимости от верфи, три вида альтернативного топлива: полученное из растительного сырья, биометанол и водород. Каждое из них пока дороже традиционного дизеля, два последних требуют еще и установки на яхты двигателей совершенно иной «породы». Для работы на топливе, полученном из растительного сырья (или его смеси с традиционным топливом) замена двигателей не требуется, но за ними необходим другой уход.
Пока лишь несколько крупных верфей имеют активную позицию в отношении использования топлива нового поколения. Feadship, например, стала первой, где построили суперъяхту, полностью приспособленную под HVO (топливо из гидроочищенного растительного масла). Это Obsidian, которую спустили на воду в 2023 году. Стоит отметить, что после передачи Obsidian владельцу все спущенные Feadship яхты строились и строятся с возможностью ходить на биотопливе, однако применение традиционного дизеля для работы гибридной двигательной установки никто не исключает. Все‑таки суперъяхты Feadship способны ходить по морям практически без ограничений, а HVO доступно пока не везде.
Немецкая верфь Lürssen исследовала потенциал топливных элементов, работающих на метаноле, и в 2026 году должна передать владельцу свою первую яхту, использующую биометанол. Сейчас она известна под проектным именем Cosmos.
Итальянская Sanlorenzo верит в силу реформера метанола, позволяющего хранить на борту запасы этого топлива и вырабатывать из него более энергоэффективный водород, который сам по себе хранить на борту яхты гораздо сложнее, чем метанол. Сейчас на верфи достраивают 50‑метровую яхту, оснащенную реформером метанола, однако оговариваются, что водородные топливные элементы будут обеспечивать ее пока только в так называемом режиме отеля, то есть на якоре, питая кондиционеры, насосы, бойлеры и прочие энергозатратные бытовые приборы. Это вовсе не мало, если учесть, сколько времени яхты проводят на стоянке.
В настоящее время производители биотоплива столкнулись с желанием нового президента США активно развивать лишь солнечную и ветроэнергетику
Что касается водородного топлива, использования которого в чистом виде избегает Sanlorenzo, тут пальма первенства, опять же, принадлежит Feadship. В мае 2024 года верфь покинула 119‑метровая яхта, крещенная именем Breakthrough. И это первая в мире суперъяхта, оснащенная водородными топливными элементами. Непростой вопрос хранения водорода на борту на верфи решили, заморозив его до –253 ºС. Сам по себе водород очень легкий: один кубический метр весит 70 кг против 800 кг веса аналогичного объема HVO. Но требования безопасности к системе хранения газа на борту яхты очень строги: необходима криогенная камера с двойными стенками, установленная в специально отведенное под нее помещение. Так получается, что места для хранения должного запаса водорода на борту требуется в 9–10 раз больше, чем для топливных баков, содержащих аналогичный по эффективности запас дизеля.
Топ‑10 производителей HVO для морского транспорта
BP (Великобритания)
Cargill (США)
Bunker Holding (Дания)
DS Dansuk (Южная Корея)
Cockett Marine Oil (США)
Chevron Renewable Energy Group (США)
Good Fuels (Нидерланды)
Neste (Финляндия)
Shell (Великобритания)
Total Energies (Франция)
Не отстают в попытках создать новые типы морских двигателей и «сухопутные» компании. Например, ABB и Ballard Power Systems (Канада) прикладывают много усилий к разработке двигателей на топливных элементах для морского транспорта и заметно преуспели в этом. Еще в 2022 году в Хьюстоне, штат Техас, они успешно провели беспрецедентные на тот момент испытания полномасштабной системы топливных элементов мощностью 3 МВт на борту судна.
Компания ABB предоставила систему управления энергией и пропульсии, а Ballard — топливные элементы. Результаты испытаний подтвердили высокую производительность и эффективность системы, что открывает путь к коммерциализации судов с нулевым уровнем выбросов.
Массовое производство биотоплива началось только в 70-х годах XX века в связи с нефтяным кризисом. Первым поколением биотоплива стало топливо, произведенное из пищевых культур, таких как кукуруза, сахарный тростник и соя. Однако такое производство вызвало критику из-за конкуренции с продовольственным рынком, вырубки лесов и использования посевных площадей.
Биотопливо второго поколения вырабатывают из непищевых растительных отходов, таких как солома, опилки и стебли кукурузы. Такой путь более экологичен, и нет пересечений в интересах с продовольственным рынком, что немаловажно в реальных экономических и политических условиях.
Третье поколение биотоплива будет производиться из водорослей, которые быстро растут и не требуют пахотных земель. В настоящее время мировое производство биотоплива покрывает около 4% от общих энергетических потребностей, но демонстрирует заметный рост. Самая очевидная цель экологических программ — снизить углеродный след (выбросы CO и CO₂). Но существует ряд других веществ, выбросы которых в атмосферу необходимо контролировать. Так, стандарт Tier III в первую очередь направлен на снижение выбросов оксидов азота (NOx) и других вредных веществ, таких как сера. Поэтому, когда речь идет о биотопливе, в контексте Tier III ключевым фактором является его способность соответствовать ограничениям по этим выбросам.
Использование биотоплива в морском транспорте стандарта Tier III даже приветствуется, поскольку оно может способствовать снижению выбросов парниковых газов и уменьшению зависимости от ископаемого топлива.
В настоящее время существует несколько видов биотоплива, которые могут быть использованы в морском транспорте стандарта Tier III:
1. Биодизель. Производится из растительных масел или животных жиров. Может применяться в чистом виде или в смеси с традиционным дизельным топливом.
2. Биоэтанол. Вырабатывается из сахарного тростника, кукурузы или других видов сырья. В морском транспорте используется реже, чем биодизель.
3. Гидрогенизированное растительное масло (HVO). Производится из растительных масел путем гидрогенизации. Имеет химическую структуру, схожую с дизельным топливом, и может использоваться в существующих двигателях без модификации.
Переходным этапом в замещении биотопливом классического ископаемого топлива стало использование их смесей. Директива RED II (2018/2001/EC) устанавливает общую цель по доле возобновляемых источников энергии в транспортном секторе, включая биотопливо. Она также содержит критерии устойчивости для биотоплива, чтобы гарантировать его экологическую и социальную приемлемость. В дополнение к этим основным актам существуют и другие документы, которые могут влиять на регулирование объемов биодобавок в топливе, например
регламенты и директивы, касающиеся отдельных правил для биодизеля и биоэтанола.
Лидерами в производстве биоэтанола являются крупнейшие аграрные страны с развитой химической и перерабатывающей отраслями. Так, США традиционно лидируют в производстве биоэтанола (преимущественно из кукурузы), Бразилия занимает второе место по производству биоэтанола, в основом из сахарного тростника. Объемы производства в Китае могут варьироваться в зависимости от государственной политики.
Растет выпуск биоэтанола из сахарного тростника и другого сырья в Индии. В области производства биодизеля лидеры те же: США и Бразилия. США предпочитают соевое масло и животные жиры, Бразилия — соевое масло. Значимым производителем биодизеля является Германия.
Биотопливо для морского транспорта производится на всех континентах, а потенциал производства из водорослей может сделать его доступным в любой точке океана.
Биометанол, водород, лигнин и eFuel
Альтернативой получения топлива из сельскохозяйственных и иных культур является химический синтез. При этом синтезировать можно как топливо для ДВС, так и топливо для метаноловых и водородных топливных ячеек. eFuel представляет собой синтетическое топливо, производимое с использованием возобновляемых источников энергии, воды и углекислого газа (CO₂), добываемого из воздуха.
Один из самых интересных с точки зрения экологии процессов производства eFuel подразумевает извлечение водорода из воды путем электролиза, его объединение с CO₂ из воздуха по методу Фишера — Тропша для создания углеводородного топлива. Полученное таким образом топливо считается климатически нейтральным, поскольку использует возобновляемую электроэнергию для своего производства и выделяет при сгорании столько же CO₂, сколько было ранее взято из воздуха при производстве.
.jpeg)
Еще один перспективный источник возобновляемого топлива — лигнин, сложный полимер, содержащийся в клеточных стенках растений и обеспечивающий их прочность в процессе одеревенения. Он может быть переработан в топливо различными способами. Первоначально лигнин расщепляется на более мелкие молекулы посредством термохимических или каталитических процессов, но в основном — с помощью гидролиза. Далее из продуктов гидролиза лигнина можно получать биотопливо различными методами, включая гидродеоксигенацию и каталитический крекинг. Основная проблема каталитических процессов — подбор приемлемого по цене катализатора (вещества, способствующего протеканию необходимой реакции), способного сделать процесс экономически выгодным. Недавние работы, описывающие успешное применение в качестве катализатора относительно доступного карбида молибдена, позволяют оптимистично смотреть на лигнин как на источник возобновляемого топлива.
Метанол и водород
Метанол и водород используются в составе прямых метанольных и, соответственно, водородных топливных элементов. Средний срок службы современных метанольных и водородных топливных элементов составляет 25–30 тыс. часов.
Топ‑9 производителей метанольных топливных элементов
Giner Inc (США)
Ensol Systems (Канада)
Roland Gumpert (Германия)
Fuel Cell Systems (Великобритания)
Mitsubishi Gas Chemical Trading (Япония)
SFC Energy (Германия)
Solar Impulse Foundation (Швейцария)
FC TecNrgy (Индия)
Основные усилия инженеров верфей по внедрению таких элементов на борту яхт направлены на:
— разработку единого стандарта для топливных элементов вместо элементов разных конструкций и габаритов, позволяющего упростить их замену по окончании срока службы по принципу всем привычных батареек;
— выделение достаточного места для хранения метанола, особенно водорода, на борту судна.
Что еще важно знать? Энергоемкости водорода и дизельного топлива сильно различаются. Можно измерять энергоемкость топлива на единицу объема топлива в мегаджоулях на литр (MJ/l) или в ватт-часах на литр (Wh/l).
Энергоемкость водорода составляет примерно 10 MJ/l (около 2800 Wh/l) при стандартных условиях и в сжиженном виде. Однако это значение может варьироваться в зависимости от состояния и способа хранения водорода.
Энергоемкость дизельного топлива составляет примерно 35,8 MJ/l (порядка 9900 Wh/l). Но при пересчете на единицу массы выигрывает уже водород, имеющий энергоемкость 142 kJ/kg против 42 kJ/kg у дизеля.
.jpeg)
Метанол можно хранить в баках, как топливо. Но по правилам регистров судов, ввиду крайней токсичности метанола вокруг бака с ним должен быть защитный отсек — коффердам. Его установка увеличивает вес яхты и требует наличия свободного места на борту для размещения баков с коффердамами. Несколько верфей, активно развивающих идею метанольных топливных элементов на яхтах, обратились к регистрам с просьбой вычитать вес бака с метанолом и коффердамом из общего веса яхты.
Хранение водорода также сопряжено со значительными затратами. Водород имеет низкую плотность, что требует высоких значений давления, при которых он из-за самого маленького размера его атомов способен не только проникать через стенки емкости, в которой хранится, но и химически взаимодействовать с ними. Эта проблема не выглядит непреодолимой, но требует серьезного научного и инженерного подхода.
