Принято считать, что мировая промышленная революция началась с эпохи пара. Причем говоря о ней, большинство людей в первую очередь представляют себе паровоз и пароход. Хотя на самом деле первым шагом паровой машины стала обыкновенная водокачка. Только не та, которая обеспечивает водой жилые дома, а та, которая работает на отводе грунтовых вод из шахты. Похоже сегодня история повторяется, только первый шаг новая технологическая революция делает на море.
Горное дело всегда было связано с водой. Эра железа породила высокий спрос на металл, а его выплавка требовала очень много угля, добычу которого ограничивала вода, скапливавшаяся в шахтах. До эпохи пара, насосы приводились в движение лошадьми. В 1702 году в Великобритании в среднем на каждой крупной угольной шахте для этих целей содержалось в среднем около 500 животных. Все только для того, чтобы поднять воду с глубины до 90 метров. Выше не получалось. Попытки придумать сложные многоярусные системы откачки конечно предпринимались, но практические эксперименты быстро показывали слишком низкую их суммарную эффективность. В то время как развитие горного дела требовало возможности забираться гораздо глубже. Да и масштабы добычи вопрос дренажа шахт ставили буквально ребром. Если в XVI веке одного только угля и только в Великобритании добывалось 300 тыс. т. в год, то к началу XVIII века эта цифра поднялась в 10 раз.
Проблема стояла на столько остро, что когда англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году запатентовал свою паровую машину для откачки воды, владельцы шахт очень скоро выстроились за ней в очередь. Какой такой Ньюкомен, если все знают, что паровую машину изобрел Джеймс Уатт? Все просто. Уатт ее не изобретал, он лишь существенно усовершенствовал конструкцию Ньюкомена, в следствие чего ее коэффициент полезного действия возрос более чем в 4 раза и она стала значительно проще в обслуживании. Так что, вскоре после получения патента в 1769 году, в среде британских горнодобывающих компаний Уатт стал столь же популярен, как Стив Джобс среди нынешних хипстеров. А что до усовершенствований, так ведь и Ньюкомен свою машину не изобретал. Он тоже усовершенствовал то, что до него, еще в 1698-м, изобрел и запатентовал Томас Сейвери. В Западном мире тырить чужое, допиливать, перелицовывать и выдавать за свое, это тоже ведь не Джобс первым придумал, это у них там давняя традиция.
Широкое практическое распространение паровых горных насосов, опираясь на его несомненный инженерный талант и большой опыт практической эксплуатации оборудования, позволило Уатту совершить и воплотить в металле несколько сопутствующих изобретений. В частности редуктор, переводящий вращательной движение в поступательное, центробежный регулятор автоматического контроля за скоростью работы машины, дроссельный клапан, манометр, указатель уровня и ряд других, более мелких, но не менее важных вещей, благодаря которым перед паровым двигателем буквально открылся безграничный мир. Если за десять лет (с 1775 по 1785) фирмой Уатта было построено 66 машин двойного действия общей мощностью в 1288 л.с, то за следующие 10 лет их построено уже 144 шт., а за последние 5 лет XVIII века их построили 79 шт! Стоит ли удивляться тому, как быстро потом технология паровой машины стала превращаться в двигатели для приводных валов ткацких фабрик и кузнецких молотов. Головастые и непоседливые изобретатели куда только их потом ни приспосабливали. В 1801 году в Англии между Уондсвортом и Кройдоном появилась первая железная дорога. Правда первый толковый паровоз появился лишь в 1804-м. Его изобрел Ричард Тревитик, кстати сказать, достаточно тесно друживший с Уаттом. С того момента, что называется, и понеслось. С 1812 по 1829 год в мире появился целый букет весьма удачных конструкций паровозов разных других конструкторов, а в 1807-м Роберт Фултон создал первый пароход.
К чему весь этот исторический экскурс? К тому, что буквально на наших глазах история повторяется. Мир входит в эру новых источников энергии. И пока все наивно следят за руками Илона Маска и обсуждают концепты гибридных автомобилей с международных салонов, довольно тихо, в стороне от шумихи, посреди океанских вод, первые шаги делают топливные элементы и альтернативная энергогенерация.
Что вы говорите? Ветряные электростанции? Да, такие тоже есть. Люди традиционно пытаются до последней возможности пристраивать старые привычные вещи для новых нужд. Вон, когда-то дренажные насосы тоже работали благодаря лошадям. Потом их заменил пар. Потом его заменил двигатель внутреннего сгорания, который сейчас готовятся заменить топливные элементы. Вот только их совершенствование идет не на земле, а в море. В то время как на суше промышленность еще только выкатывает первые концепты автомобилей, вроде FCV-R от корпорации Toyota, , или FCX Clarity от Honda, представленные на 43-м Токийском автосалоне, корабли на водородных топливных элементах не только проектируются к реальной постройке в ближайшие 10 лет, но и уже эксплуатируются на регулярных линиях. Впрочем, на них обкатываются не только одна эта технология, там все на много интереснее.
Главным толкателем новой технологической революции в энергетике является вовсе не стремление изобрести какую-нибудь новую фичу, просто чтобы ее изобрести, а суровые законы экономики и элементарная жадность. Плюс к тому сильно ужесточившиеся международные экологические требования. Вы думаете, ваш автомобиль «как-то многовато горючки жрет»? Это вы еще с кораблями дела не имели. Несколько простых цифр, так сказать, для оценки общего масштаба вопроса. 90% мирового грузооборота приходится на морской транспорт. 90 тыс. морских судов ежегодно перевозят жидких, генеральных, сыпучих и всяких прочих грузов, в 4 раза больше, чем грузовики, в 6 раз больше, чем железная дорога, и в 400 раз больше, чем грузовая авиация. Для этого мировому флоту необходимо 370 млн т. мазута, сжигание которого, кстати, приводит к выбросам в атмосферу сернистых соединений в 260 раз больше, чем весь автопарк планеты. И это только текущие цифры. Развитие азиатских рынков в перспективе ближайших 30 лет приведет к росту морских грузоперевозок по меньшей мере в два раза. Так что на вопрос заправки судовладельцы смотрят еще более пристально.
Когда ваша посудина только на обеспечение движения расходует не менее 55 тонн мазута в сутки, а с разными прочими надобностями, вроде обеспечения работы опреснительной установки, электрогенерации, отопления, кондиционирования и прочих надобностей, расход может достигать 70 — 80 тонн, а тонна судового мазута стоит около 600 долларов, то расход денег составляет 45 — 50 тыс. долларов в день. Два дня — 100 тыс. Десять дней — 500 тыс. И ведь это еще далеко не самые большие расходы. Контейнеровозы, вроде «ESTELLE MAERSK» сжигают по 200 — 230 тонн в сутки.
Потому, ради экономии на бункеровке хотя бы в 40 — 50 долларов с тонны, они не редко могут к выгодному порту сделать крюк в двух-трехдневный переход. Не удивительно, что судовладельцы проявляют повышенное внимание к любым новым технологиям, даже если те обеспечивают смешные, на взгляд автомобилиста, цифры экономии всего в каких-то 5 — 7 — 10%. Степень внимания напрямую зависит от размера бака.
Самый простой путь начинается с экономии всего, что не связано с движением. Замена только одной электрогенерации на солнечные панели, как посчитали специалисты японской судоходной компании Nippon Yusen KK и Nippon Oil Corp, позволяет сэкономить до 6,5% дизельного мазута. Калькулятор показывает, что при расходе в 200 т/сут, при 200 ходовых сутках в году, экономия достигает 2600 тонн или 1,56 млн. долл. в год. Инженеры Nippon Yusen не долго думая взяли и смотнировали на борту одного из своих автовозов «Auriga Leader», перевозящих автомобили Toyota, 328 солнечных панелей.
Получили генерацию около 40 кВт электроэнергии. Переоборудование, включая аккумуляторные накопители, обошлось в 1,4 млн. долл. Так что расходы отбились уже за первый год эксплуатации. Впрочем, на самом деле даже быстрее, так как помимо экономии на самом мазуте, сокращение объема его сжигания на 2% снизила и выброс двуокиси углерода, а за экологичностью выхлопа международные организации на море очень пристально следят. И больно штрафуют, в случае превышения. А тут целых 20 тонн в год экономии!
Словом, этот кораблик бегает по регулярным линиям уже с 2008 года. Надо сказать, бегает не только с коммерческой пользой. За 4 года эксплуатации системы удалось накопить огромный опыт, а также разобраться с множеством на первый взгляд неочевидных тонкостей, позволяющих совершенствовать систему и улучшать ее элементы. В частности — сами солнечные панели. Особенно полезной оказалась их эксплуатация в суровых условиях открытого океана, значительно более тяжелых, чем где-либо на суше.
Посмотрев на это дело конкуренты тоже решили «хочу такую же»! Уже в 2012 году компания Mitsui OSK Lines (MOL) построила собственное судно «EMERALD ACE», проект которого пошел еще дальше. Помимо внутренних бытовых нужд, за счет солнечной электрогенерации обеспечиваются все разгрузочно-погрузочные операции в порту. Для этой цели на верхней палубе установлено 768 солнечных панелей, накапливающих энергию в литий-ионные аккумуляторы.
[embedyt] http://www.youtube.com/watch?v=XCOCRFiog4A[/embedyt]
Однако, не смотря на достигнутые успехи, главного прорыва в виде очень существенного сокращения потребления топлива достичь не удалось. Солнечные панели могут обеспечить только вспомогательные потребности, да и только если последние два дня не выдались пасмурными. Погода такой гарантии никогда не дает, а значит надеяться на солнечную генерацию для основного хода невозможно.
Тут морские инженеры пристально посмотрели на водородные топливные элементы. От автогигантов, чью продукцию часто приходится возить, они слышали о высоком потенциале этого вида электрогенерации. Следует отметить, что пересчитывать все в киловатты, они научились давно и широко используют их в борьбе за экономию топлива. Помните впечатляющую картинку контейнеровоза «ESTELLE MAERSK»? Имея силовую установку мощностью около 85 МВт, он несет 15500 стандартных морских контейнеров, тем самым доставляя на одном киловатт-часе энергии одну тонну груза на расстояние в 120 км. Совершенствование обводов корабельного корпуса, снижение скорости хода на 2 узла, а также ряд других технических ухищрений, не связанных с какими-либо новыми технологиями, как это удалось сделать инженерам датской компании Maersk и корейской верфи Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering в контейнеровозах проекта Triple-E, обеспечили возможность на одном кВт*ч ту же тонну груза доставить уже на 184 километра. Для справки, грузовой Boeing-747 на нем ее может донести всего на 500 метров.
Но все это лишь полумеры. Отрасли требуется качественный переход. К тому же, в перспективе ближайших десяти лет, по мере введения в Северном и Балтийском морях, а также на побережье Северной Америки особых зон со строгим ограничением на судовые выбросы, судовому парку мира потребуется принципиальная модернизация. Вариантов есть два: получать электрогенерацию в промышленных объемах путем использования чистого водорода либо сжиженного природного газа. Теоретически еще существуют спирты и биодизель, но первые запрещены в виду высокой пожароопасности из-за низкой температуры вспышки, а вторые являются чистой воды шаманством. Широко разрекламированные «зеленые виды топлива», получаемые путем подмешивания в обычное топливо до 20% биодизеля оборачиваются ростом вредных выхлопов в смеси на 11%. Вдвое, по сравнению с исходным топливом, их можно снизить только если заливать чистый биодизель, но его цена, даже с госдотациями, вдвое превышает цену обычного дизтоплива. В общем, не вариант. Правда, чистый водород не вариант тоже. Уж слишком энергетически дорого обходится его получение. Кроме того, его сложно и опасно хранить. Остается единственный путь — природный газ. Даже его простое сжигание обеспечивает сокращение выбросов диоксида углерода до 30%, оксида азота — до 80%, серы и твердых частиц — полностью.
Следует отметить, что процесс перевода судов «на газ» тоже набирает обороты. Норвежская судостроительная компания Det Norske Veritas лидирует в области проектирования супертанкеров и контейнеровозов с газовыми силовыми установками «под ключ», а финская Wartsila занимается модернизацией действующего парка судов. Кроме того, финны наладили выпуск битопливных судовых ДВС, работающих как на мазуте, так и на СПГ. Но и это совсем не тот путь, которым намерены массово пойти морские инженеры. Они сейчас обкатывают технологию топливных элементов (ТЭ), производящих прямое преобразование газа в электроэнергию без сгорания вообще. Химическая реакция в топливном элементе позволяет вырабатывать электричество с КПД от 55 до 80%. Имея в качестве «выхлопа», только воду и тепло. Инженеры Wartsila уже год как тестируют установку для электроснабжения бортовых систем на базе пакета ТЭ на шведском автомобилевозе Undine.
Испытания системы мощностью 20 кВт прошли успешно. В настоящее время проходит сертификацию генерирующая установка на WFC50 на 50 кВт, а в лабораториях уже проектируются мегаваттные системы, способные заменить основной двигатель корабля. Опираясь на эти наработки конструкторы японской компании Nippon Yusen и финские инженеры из Elomatic Marine в разработали проект контейнеровоза будущего Super Eco Ship 2030, основная двигательная установка которого мощностью в 40 МВт, будет работать только на газовых ТЭ.
Полный размер здесь.
Когда этот корабль будет построен, а вероятность того чрезвычайно высока, ибо сейчас с запуском строительства задержка лишь по причине отсутствия сертификации инновационного двигателя, это будет самый фантастичный и совершенный транспортный корабль в мире. Он воплотит в себе все последние достижения инженерной мысли планеты. Обводы его корпуса оптимизированы для уменьшения энергозатрат по преодолению сопротивления водной среды. Использование в конструкции элементов из напряженной стали и композитных материалов обеспечивает более высокие, по сравнению с традиционными решениями, прочностные характеристики, при снижении массы конструкции на 3 тыс. т. Еще до 5 тыс. т. экономит новая, как говорят японцы «закрытая» архитектура, исключающая из силового каркаса большую часть стальных переборок, а также облегченное разгрузочно-погрузочное оборудование. Замена традиционного судового ДВС на электрический и модули ТЭ также облегчает судно еще на 3 тыс. т. Закрытый дизайн грузовой палубы в 9 раз уменьшает ветровое сопротивление. Эти и некоторые другие изобретения, в конечном счете позволят сократить полную массу судна на 20% по сравнению с существующими сегодня «одноклассниками».
Кстати, эти стрекозиные крылышки на картинке вовсе не шутка художника. Помимо силовой установки на газовых ТЭ, конструкция судна предусматривает движение на управляемых при помощи компьютеров жестких парусах, которые одновременно выполняют функцию солнечных панелей. Этот вариант движения не является главным, но, по расчетам конструкторов, может обеспечить до 9 — 12% экономии топлива.
Жаль, тесные рамки статьи не позволяют рассказать о всех открытиях и морских проектах ближайшей перспективы. Тут один только проект перспективного автомобилевоза «E/S Orcelle» компании «Wallenius Wilhelmsen» требует отдельного увлекательного рассказа. В нем, помимо газовых ТЭ инженеры предусмотрели не только паруса и солнечные панели, но и электрогенераторы, работающие от энергии волн. Специальные «плавники» под корпусом судна смогут преобразовывать кинетическую энергию водоворотов в механическую, а затем в электричество.
Впрочем, главное тут в другом. Техническая революция перехода на электрические или гибридные автомобили уже лет десять как громко начала, но фактически по сей день топчется на месте. Отдельные шельмецы-махинаторы конечно пытаются создать видимость глобального прорыва, который, буквально вот-вот наступить, нужно только еще чуть-чуть, самую малость подождать, но серьезные производители дальше редких концептов не идут. Сдвинуть дело с мертвой точки не помогают даже масштабные программы государственного субсидирования.
И дело тут вовсе не в цене. Она конечно на результат влияет, но не в решающей степени. Главный затык — само топливо. Если перевести в киловатты энергию всего того топлива, которое автомобили сегодня сжигают в год, то оказывается, что для полной автоэлектрофикации нам нужно срочно построить еще 2,5 — 3 объема электрогенирации, считая за единицу ее нынешний уровень. Кроме того, нужно еще раз в шесть увеличить протяженность магистральных электросетей, и до 11 раз нарастить местную сеть, так как она должна будет обеспечивать быстрый переток в аккумуляторы электромобилей чудовищные объемы энергии. Существующая энергосистема не способна обеспечить потребности даже 9% этого парка.
О вопросе «где деньги, Зин» тут даже не стоит заикаться. Такого объема финансирования на планете просто не существует. И даже если бы они нашлись, при текущих доходах потребителей, окупить такой проект раньше чем через 80 — 90 лет не представляется возможным. А учитывая, что срок службы АЭС упирается в 40 — 50 лет, то перспектива «перейти полностью на электромобили» гарантированно скрывается за отметкой «никогда».
С водородом дело обстоит примерно тем же образом. Существующие технологии его получения чрезвычайно энергозатратны, что не позволяет нарастить объем производства простым масштабированием мощностей. Кроме того, водород гораздо более сложен в транспортировке и хранении. В целом на круг, если рассматривать его в качестве автомобильного топлива, на производство и доставку до бака гибрида одного литра жидкого водорода необходимо израсходовать больше энергии, чем при реакции электричества может выделить он сам. И конечно все снова упирается в чудовищные расходы на развертывание инфраструктуры, которые абсолютно точно не по плечу мировой экономике.
А вот направление газовых ТЭ — совершенно другой разговор. Хотя пока технически и технологически они еще находятся примерно на уровне парового горного насоса Ньюкомена и прямо сегодня на фоне всего прочего пока еще выглядят бледно (большие, тяжелые, сложные, ни в одну легковушку не влезут), однако свой Уатт на них уже нашелся и процесс совершенствования уже идет. Можно с уверенностью сказать, что примерно через 10 — 15 лет газовые ТЭ будут окончательно обкатаны и начнется их массовое внедрение в транспортном флоте. Что еще через 5 — 10 лет даст достаточно усовершенствований и практического опыта эксплуатации для начала процесса активного переноса технологии в другие отрасли. В том числе — автомобили. Причем, для их массового перевода «на газ» даже не потребуется ничего особенно в существующей инфраструктуре переделывать. Каждая вторая АЗС уже позволяет заправляться газом. Так что гибридные автомобили к нам придут с моря.
И, да, это хорошо еще и тем, что топлива у нас для них ну просто завались.