А.С.Баев,
д-р техн. наук, профессор, Почетный работник флота,
заместитель генерального директора ОАО «СЗП», профессор СПбГМТУ
Судовая энергетика в XXI веке
Будущее судовой энергетики неразрывно связано с тенденциями развития мировой энергетической системы, а также с прогрессом в области судовых первичных преобразователей энергии (привычнее главных двигателей) и конечных ее преобразователей в поступательное движение судна (движителей), поскольку эти два преобразования - суть энергетической установки любого судна.
Основными источниками энергии в мире по-прежнему являются органические топлива, получаемые путем переработки природных энергетических ресурсов: нефти, каменного угля, природного газа, газового конденсата и горючих сланцев [1-4].
Ограничением природных энергоресурсов являются их невозобновляемость, по крайней мере, в приемлемые сроки и, как следствие, постепенное сокращение их запасов. Известно, что для образования в природных условиях объема нефти, потребляемого за год, необходимо не менее 2 млн. лет[1].
Прогноз мирового энергообеспечения свидетельствует, что при достигнутом уровне энергопотребления запасов традиционных природных энергоресурсов достаточно, по крайней мере, на ближайшее столетие.
Между тем, по мере роста энергопотребления и устойчивую тенденцию удорожания, особенно, нефти и газа определяющими становятся не столько запасы энергоресурсов, сколько эффективность их использования и особенно экологический фактор.
Более 80% запасов органических энергоресурсов - это уголь, возможности использования которого в качестве топлива даже в стационарной энергетике оцениваются как ограниченные вследствие неравномерного географического распределения запасов, больших капитальных вложений и затрат времени на освоение месторождений и за последнее время главным образом из-за проблем защиты окружающей среды. Известно, что при одинаковой мощности тепловая электростанция (ТЭС), работающая на угле, выбрасывает в атмосферу сернистого газа в 2 раза больше, чем ТЭС, работающая на нефти, и в 100 раз больше, чем газовая электростанция.
Широкое применение угля в мобильной энергетике и, в частности, судовой еще более проблематично, поскольку эффективность энергоустановок на угле в 2-3 раза ниже, чем на нефти. В этом смысле более перспективным является газовое топливо. Однако, суммарные запасы нефти и природного газа относительно невелики (не превышают 30Q, где 1Q - условная энергетическая единица, равная энергии, выделяющейся при сгорании 36 млрд. тонн условного топлива).
Следует отметить, что применение органических энергоресурсов в качестве источника энергии является крайне нерациональным. Основным методом выделения содержащейся в органическом топливе энергии, по-прежнему, является их сжигание. На его низкую эффективность обращал внимание еще Д.И. Менделеев, говоря, что "сжигать нефть в топках - это все равно, что растапливать печь ассигнациями". Действительно, при сжигании органического топлива освобождается менее 10-7% скрытой в нем энергии, а из них полезно используется в стационарной энергетике около 30%, а в мобильной, в частности, судовой менее 20% [5-7] .
Положение усугубляется тем, что такая расточительность не остается бесследной, а ведет человечество к глобальному экологическому кризису, причем не в таком уж далеком будущем [1-2]. Уже сегодня угроза крупномасштабных экологических потрясений становится более чем реальной. Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 5,5 Гт углерода только в форме углекислого газа. За последние 200 лет его концентрация в атмосфере увеличилась на 30%. Накопление углекислого и других сопутствующих производству энергии газов приводит к глобальному потеплению со скоростью 0,015 градуса/год. Расчеты показывают, что при современных темпах энергопотребления к 2050 году эффект парниковых газов, по крайней мере, удвоится и станет сравним с изменениями уровня солнечного излучения, которые в прошлом приводили к глобальным климатическим изменениям на Земле.
Следовательно, у человечества имеется менее 50 лет для замены существующей энергетической системы, основанной преимущественно на сжигании органических энергоресурсов. И альтернатива здесь отсутствует. Иначе – разрушение окружающей среды.
Основными тактическими направлениями в модернизации существующей энергосистемы – это всемерное энергосбережение и изменение структуры потребляемых энергоресурсов [2,7-8]. Предполагается, что уже в ближайшей перспективе (20-25 лет) доля органического топлива в мировом энергопотреблении должна быть снижена до 50% [3]. Остальное - возобновляемые источники энергии (ВИЭ - энергия рек, морские приливы и отливы, термальные воды Земли, энергия Солнца в виде солнечного излучения, ветра, волн, биотоплива, тепловой энергии морей и океанов) - 20-25% и ядерное горючее, энергетический потенциал которого огромен [5].
Наиболее вероятным стратегическим выходом из энергоэкологического кризиса в современных условиях является переход на водородную энергетику [1-2,9-11]. В настоящее время общепризнанно, что водород как универсальный вторичным энергоносителем и экологически чистое топливо в обозримом будущем найдет все большее использование, особенно в транспортной энергетике. В 1996 году в США законом о водородном будущем (Hydrogen Future Act) предусматривается переход экономики страны в течение двадцати лет на водород как основной энергоноситель. Наиболее активно водородные технологии развиваются для автотранспорта, на долю которого приходится 80-90% загрязнений атмосферы в городах. Практически всеми крупными автомобильными кампаниями созданы образцы водородных автомобилей, пробег которых исчисляется уже сотнями тысяч километров. В Исландии принята программа о построении к 2030 году водородных систем энерго- и топливообеспечения в масштабах страны, включая автотранспорт и рыболовецкие суда.
Переход на водородную энергетику предполагает крупномасштабное производство водорода с использованием, прежде всего ВИЭ и ядерной энергии, а также угля. Для транспорта, кроме систем централизованного снабжения, прорабатываются технологии бортовой конверсии водорода из углеводородных топлив.
Неоспоримыми преимуществами водорода являются экологическая безопасность, неисчерпаемость в водах Мирового океана, высокая энергоемкость, нетоксичность, возможность использования в рамках существующей топливной и энергетической инфраструктуры.
Трудности применения водорода главным образом связаны с высокой стоимостью водорода и отсутствием пока приемлемых технологий его аккумулирования (хранения) в необходимых объемах, а также с тем, что до настоящего времени в энергетических затратах экологическая составляющая надлежащим образом не учитывается.
Однако, огромные преимущества водородных технологий и определенные успехи, достигнутые в их развитии [9-11], делают водородную энергетику одной из главных стратегий развития мировой экономики. В последние годы резко возросла активность исследований в области водородных технологий и их государственная поддержка. Во многих странах мира (США, Германия, Япония, Китай) водородная энергетика включена в число национальных приоритетов. В этих странах затраты на НИОКР по водородной тематике достигают 500 млн. долларов в год. В связи с этим вероятность появления прорывных технологий по использованию водорода как глобального энергоносителя резко повышается.
Для составной части глобальной энергосистемы - судовой энергетики дополнительным аргументом такого перехода является то, что вода – неиссякаемый источник водорода – естественная среда функционирования судов.
Возможны различные варианты реализации водородных технологий в судовой энергетике.
Наиболее простой - использование водорода в качестве добавки к традиционным нефтяным топливам, прежде всего, дизельных энергетических установок (ДЭУ), доминирующее положение которых в ближайшей перспективе легко прогнозируемо, по крайней мере, среди традиционных судовых энергоустановок. Максимум, что можно ожидать от такого варианта - это снижение расхода органических топлив (до 5-7%) и содержания вредных веществ в отработавших газах (до 30-40%).
Более весомые результаты могут быть получены при полном переводе энергетических установок на водород. Однако, рациональность реализации такого варианта в рамках традиционных судовых энергетических установок (СЭУ) сомнительна ввиду их крайней расточительности (КПД пропульсивного комплекса современных судов не превышает 30%). На ближайшую перспективу, как промежуточный этап реализации этого варианта, следует рассматривать в комплексе с расширением применения газового топлива.
Основной причиной недостаточной эффективности традиционных СЭУ является многочисленные преобразования энергии и, прежде всего, в главных двигателях обычно теплового типа, на которые распространяются ограничения цикла Карно (реально КПД менее 50%), и в движителях обычно ротационного типа, где потери энергии практически того же порядка. В связи с этим наибольшее проявление преимуществ водородных технологий можно прогнозировать при кардинальном изменении типа и структуры судовых энергетических установок. В настоящее время такие возможности появляются в связи с обнадеживающими результатами в создании электрохимических генераторов (или иначе топливных элементов) и движителей[9-11].
Топливные элементы (ТЭ) обеспечивают прямое преобразование энергии водорода в электроэнергию в процессе химической реакции его с кислородом. При этом «побочными» продуктами являются вода и теплота, которые также могут быть использованы, в том числе и для производства водорода. В результате получается энергосистема замкнутого типа. Консолидированный КПД таких энергетических установок может достигать 90-95% при КПД по электричеству до 75%. Перспективные твердополимерные (PEMFC) и твердоокисные (SOFC) топливные элементы уже сейчас имеют консолидированный КПД 80-85% и находятся на пороге коммерциализации. Стоимость киловатта мощности водородной электростанции оценивается на уровне 1200 долларов против 800-1000 долларов дизельных электростанций [9]. Ожидается, что при массовом производстве ТЭ, ужесточении экологических стандартов и повышении стоимости топлива конъюнктура рынка изменится в пользу водородных энергоустановок уже в недалеком будущем. Уже сейчас на улицах Чикаго (США) и в городов Ирландии работают автобусы на топливных элементах. Япония к 2010 году планирует 13% всей энергии вырабатывать с помощью топливных элементов. Исследования показывают [8], что применительно к судам электрохимические установки (ЭХУ) могут превосходить существующие установки по энергетической эффективности в 2-3 раза, а по экологической чистоте в десятки раз. Экологами такие энергоустановки принято называть системой «нулевого выброса».
Приближают судовое «водородное будущее» обнадеживающие результаты в разработке бортовых технологий производства и хранения водорода. В этом смысле заслуживают особого внимания ветро-солнечные электролизеры, созданные фирмой Стюарт Энерджи Систем[11].
Их использование резко повышает автономность и экологическую чистоту судов, а также наполняет новым содержанием эпоху парусных судов, весьма благоприятную с точки зрения окружающей среды. Имеются и другие решения. Так, институтом водородной энергетики и плазменных технологий РАН разработан достаточно дешевый плазмохимический метод получения водорода из природных углеводородных топлив и нетрадиционного биологического сырья; создан макет электроводородного генератора, обеспечивающего снижение стоимости производства водорода до суммарной стоимости добычи и транспортировки эквивалентного объема природного газа. Для малотоннажных судов разрабатываются компактные металлогидридные аккумуляторы водорода и криогенные баки со сроком автономного хранения более15 суток.
Прогресс в области движителей наблюдается в принципиальной модернизации традиционных и в создании движителей прямого преобразования (ДПП). Предложенный австралийским инженером Аланом Бернсом прямоточный водометный движитель [12] использует для создания упора пар высокого давления, благодаря чему эффективность его резко повышается. ДПП обеспечивают прямое преобразование электроэнергии в упор (силу Лоренца), в результате взаимодействия электрического и наводимого магнитного полей. За последние 15-20 лет достигнут значительный прогресс в разработке ДПП. КПД по электротоку электродинамические движителей (ЭДД) Института проблем транспорта РАН может достигать 80%, что на порядок превышает эффективность магнитогидродинамических движителей (МГДД), которые уже были реализованы на моделях надводных и подводных кораблях в Японии и США в 70-80 годы прошлого столетия. Побочными эффектами работы ДПП являются воздействие магнитных полей и выделение водорода и других веществ в процессе электролиза забортной воды. Однако, по мнению специалистов, эти сложности в принципе разрешимы и движители прямого преобразования получат признание в XXI веке.
Таким образом, будущее судовой энергетики – это замкнутые энергосистемы «нулевого выброса». В ближайшей перспективе это преимущественно установки газового топлива. В дальнейшем развитие судовой энергетики связывается с крупномасштабным производством водорода на базе возобновляемых энергоисточников и угольно-ядерной энергетики, а также с использованием топливных элементов и движителей прямого преобразования.
Библиографический список
1.Энергетика мира: уроки будущего. Под ред. И.А. Башмакова. М.: МТЭА, 1992.
2.Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию. Л.С.Бекаев, О.В.Марченко, С.П.Пинегин и др. Новосибирск, Наука, 2000.
3.XV конгресс Мирового энергетического совета//Теплоэнергетика, 1993, № 6.
4.Баев А.С. Энергетика в XXI веке// Сборник научных трудов СПГУВК «Судостроение и судоремонт». С.-П.: ИПЦ СПГУВК, 1999.
5.Бабаев Н.С., Демин В.Ф. и др. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда. Под ред. А. П. Александрова. М.: Энергоатомиэдат, 1984.
6. Яблоков А.В. "Атомная мифология". М.: Наука, 1997.
7.Большаков В.Ф. и др. Рациональное использование природных ресурсов на морском транспорте. М.: Транспорт, 1992.
8.Баев А.С. ,Иванов И.А. Основы энергосбережения на водном транспорте. С.-П.: СПГУВК, 1999, электронная версия № 806.
9.Каторгина Е. Новый манхэттенский проект//Эксперт, 2002, № 39.
10.Дерябин С. Чистая энергия//Коммерсантъ , 2002, № 197 (2566).
11.МалышенкоС.П. Пехота Ф.Н. Сегодня и завтра водородной энергетики//Энергия, 2003, № 1.
12.Создан принципиально новый паровой двигатель для судов.30.01.2003. www.CNews.ru.
|